CH3：推移质运动及动床阻力-PPT课件.ppt

1、近期三峡泥沙问题近期三峡泥沙问题 2019年三峡蓄水以来，三峡工程的生态和环境影响一年三峡蓄水以来，三峡工程的生态和环境影响一直是牵动世界的敏感神经，传言、怀疑和揣测纷纷涌直是牵动世界的敏感神经，传言、怀疑和揣测纷纷涌来，长江下游城市天气的异常、九江的地震等等都与来，长江下游城市天气的异常、九江的地震等等都与之扯上了关系。最近的一次联系则是长江湖南、湖北之扯上了关系。最近的一次联系则是长江湖南、湖北段干堤的强烈崩岸段干堤的强烈崩岸，如岳阳江段崩岸如岳阳江段崩岸、洪山头镇的、洪山头镇的“天字一号天字一号”崩岸崩岸、长江荆江段成崩岸重灾区。这些、长江荆江段成崩岸重灾区。这些崩岸与三峡蓄水的关系如何

2、？崩岸与三峡蓄水的关系如何？三峡蓄水提高到至三峡蓄水提高到至 米后，三峡大坝何时再蓄水米后，三峡大坝何时再蓄水至米的最终水位，至米的最终水位，将遵循泥沙运动规律，根据将遵循泥沙运动规律，根据泥沙冲淤监测情况来决定。泥沙冲淤监测情况来决定。随着三峡大坝全线随着三峡大坝全线 建成，大坝具备挡水能力，长建成，大坝具备挡水能力，长江挟带的上游泥沙将被大坝江挟带的上游泥沙将被大坝 拦截。随之而来的担忧是拦截。随之而来的担忧是泥沙淤积会不会使工程运行受影泥沙淤积会不会使工程运行受影 响？上游的重庆等地响？上游的重庆等地港口会不会淤废？下游冲刷将达到什港口会不会淤废？下游冲刷将达到什 么程度？么程度？Ch3

3、 Ch3 推移质运动及动床阻力推移质运动及动床阻力 3.1 3.1 泥沙起动的形式泥沙起动的形式3.2 3.2 泥沙的起动泥沙的起动3.3 3.3 沙波运动沙波运动3.4 3.4 冲积河流的阻力冲积河流的阻力3.5 3.5 推移质输沙率推移质输沙率泥沙起动判别标准泥沙起动判别标准无粘性均匀沙的起动流速公式无粘性均匀沙的起动流速公式无粘性均匀沙的起动拖曳力公式无粘性均匀沙的起动拖曳力公式粘性泥沙的起动流速公式粘性泥沙的起动流速公式沙波形态与运动状态沙波形态与运动状态沙波的产生与消亡沙波的产生与消亡沙波的尺度与运行速度沙波的尺度与运行速度床面阻力与河岸阻力划分床面阻力与河岸阻力划分沙粒阻力与沙波阻

4、力划分沙粒阻力与沙波阻力划分动床阻力的计算动床阻力的计算以垂线平均流速为主的公式以垂线平均流速为主的公式以拖曳力为主的公式以拖曳力为主的公式根据能量平衡建立的公式根据能量平衡建立的公式根据统计法则建立的公式根据统计法则建立的公式各种公式比较与选择各种公式比较与选择3.1 3.1 泥沙起动的形式泥沙起动的形式泥沙起动概念：泥沙起动概念：一、泥沙运动的形式一、泥沙运动的形式.床沙：床沙：(河床河床)1.1.悬移质：悬移质：(悬移区悬移区)2.2.推移质：推移质：(床面层床面层)悬浮在水中运动，速度与水流速度基本相同悬浮在水中运动，速度与水流速度基本相同的泥沙。的泥沙。在河底附近，以在河底附近，以滚

5、动滚动、滑动滑动、跃动跃动或或层移层移等等形式前进，其速度小于水流速度的泥沙。形式前进，其速度小于水流速度的泥沙。河床上静止的泥沙。河床上静止的泥沙。分分接触质接触质、跃移质跃移质、层移质层移质三种。三种。3.1 3.1 泥沙起动的形式泥沙起动的形式推移质沙运动的形式推移质沙运动的形式接触质接触质：跃移质跃移质：当水流速度足以使河床的泥沙颗粒发生运动当水流速度足以使河床的泥沙颗粒发生运动时，突出在床面上的颗粒，便以滑动或滚动时，突出在床面上的颗粒，便以滑动或滚动的形式向前运动。这种泥沙在运动中始终保的形式向前运动。这种泥沙在运动中始终保持着与床面接触，称接触质。持着与床面接触，称接触质。在河底

6、附近，以跳跃形式前进的泥沙。是推在河底附近，以跳跃形式前进的泥沙。是推移质的主要运动形式。移质的主要运动形式。当水流速度超过一定范围后，水流的作用不当水流速度超过一定范围后，水流的作用不只限于河床表面。河床表层以下的泥沙在水只限于河床表面。河床表层以下的泥沙在水流拖曳力作用下，将成层移动或滑动，运动流拖曳力作用下，将成层移动或滑动，运动速度逐次递减，称层移质。速度逐次递减，称层移质。推移质推移质床面层床面层层移质层移质：Ch3 Ch3 推移质运动推移质运动概述概述 推移质泥沙在河床附近运动推移质泥沙在河床附近运动,常与床面泥沙常与床面泥沙相互交换相互交换,时而由静止转为运动时而由静止转为运动,

7、时而由运动转为时而由运动转为静止伴随着推移质运动静止伴随着推移质运动,床面还出现沙波床面还出现沙波.床面附床面附近这种泥沙运动及相应的床面形态近这种泥沙运动及相应的床面形态,影响着河床影响着河床对水流运动的阻力对水流运动的阻力,水流运动阻力的改变又反过水流运动阻力的改变又反过来影响泥沙运动。研究推移质运动，目的是建来影响泥沙运动。研究推移质运动，目的是建立立推移质输沙率公式推移质输沙率公式，推移质输沙率公式和泥，推移质输沙率公式和泥沙运动的形式、泥沙起动、沙波运动、河道阻沙运动的形式、泥沙起动、沙波运动、河道阻力有关，本章将研究以上这些问题。力有关，本章将研究以上这些问题。3.1 3.1 泥沙

8、起动的形式泥沙起动的形式二、联系与区别二、联系与区别联系联系：对同一个泥沙组成来说，在较弱的水流条件下，可以对同一个泥沙组成来说，在较弱的水流条件下，可以表现为推移质；在较强的水流条件下，可以表现为悬表现为推移质；在较强的水流条件下，可以表现为悬移质。二者无明显分界线。移质。二者无明显分界线。推移质运动和悬移质运动间存在物理本质的差别。推移质运动和悬移质运动间存在物理本质的差别。运动规律不同：运动规律不同：能量来源不同：能量来源不同：1.对河床作用不同：对河床作用不同：区别区别：意义意义：推移质运动与河床冲淤变化息息相关，因此意义重大。推移质运动与河床冲淤变化息息相关，因此意义重大。3.3.泥

9、沙的起动泥沙的起动泥沙起动条件泥沙起动条件：维持泥沙颗粒静止状态的平衡条件遭到：维持泥沙颗粒静止状态的平衡条件遭到破坏，床面泥沙由静止状态转入运动状态的临界水流条破坏，床面泥沙由静止状态转入运动状态的临界水流条件。件。研究泥沙起动的意义：如水库下游泥沙运动研究泥沙起动的意义：如水库下游泥沙运动泥沙起动条件可以用流速、拖曳力或功率来表示。用垂泥沙起动条件可以用流速、拖曳力或功率来表示。用垂线平均流速表示的，叫线平均流速表示的，叫起动流速起动流速；用拖曳力表示的，叫用拖曳力表示的，叫起动拖曳力起动拖曳力；用水流功率表示的叫用水流功率表示的叫起动功率起动功率。目前我国工程实践中多采用起动流速方式。目

10、前我国工程实践中多采用起动流速方式。泥沙起动复杂性：与水流条件、沙粒性质、泥沙组成等。泥沙起动复杂性：与水流条件、沙粒性质、泥沙组成等。3.3.泥沙的起动泥沙的起动一、无粘性均匀沙的起动一、无粘性均匀沙的起动几个概念的说明：几个概念的说明：底底U*反映了水流的紊动情反映了水流的紊动情况，常用于泥沙研究。况，常用于泥沙研究。1、起动拖曳力分析希尔兹关系（曲线）、起动拖曳力分析希尔兹关系（曲线）3.泥沙的起动泥沙的起动1 1、无粘性均匀沙的起动切力、无粘性均匀沙的起动切力c c=R=Re e*3.泥沙的起动泥沙的起动1 1、无粘性均匀沙的起动切力、无粘性均匀沙的起动切力c c3.泥沙的起动泥沙的起

11、动1 1、无粘性均匀沙的起动切力、无粘性均匀沙的起动切力3.泥沙的起动泥沙的起动1 1、无粘性均匀沙的起动切力、无粘性均匀沙的起动切力c c3.泥沙的起动泥沙的起动1 1、无粘性均匀沙的起动切力、无粘性均匀沙的起动切力c c2、起动流速、起动流速 D0.2mm,各各公公式式差差别别较较大。大。3.3.泥沙的起动泥沙的起动二、泥沙起动的有关问题二、泥沙起动的有关问题：1 1、泥沙起动的随机现象？、泥沙起动的随机现象？2 2、判别标准、判别标准 推移质运动的四个阶段（克雷默）？推移质运动的四个阶段（克雷默）？(1)(1)无泥沙运动：床面全部静止；无泥沙运动：床面全部静止；(2)(2)轻微泥沙运动：

12、少数泥沙处于运动状态；轻微泥沙运动：少数泥沙处于运动状态；(3)(3)中等强度泥沙运动：各处均有泥沙在运动；中等强度泥沙运动：各处均有泥沙在运动；(4)(4)普遍的泥沙运动：各种大小泥沙均运动，床面外普遍的泥沙运动：各种大小泥沙均运动，床面外形剧烈改变。形剧烈改变。3 3、泥沙的止动和扬动、泥沙的止动和扬动3.泥沙的起动泥沙的起动算例解答：算例解答：在已知在已知,d,d和和 的泥沙，问此时比降为的泥沙，问此时比降为J J，水深为，水深为h h的河底，泥沙是否可以启动？的河底，泥沙是否可以启动？c cc cc c=3.3 3.3 沙波运动沙波运动 沙波运动：泥沙颗粒在床面的集体运动。沙波运动：泥

13、沙颗粒在床面的集体运动。沙波：推移质泥沙运动达到一定程度时，河床表沙波：推移质泥沙运动达到一定程度时，河床表面出现起伏不平但又比较规则的波状起伏。对河面出现起伏不平但又比较规则的波状起伏。对河道水流结构、河道阻力、泥沙运动和河床演变均道水流结构、河道阻力、泥沙运动和河床演变均有重要作用。有重要作用。迎水面迎水面背水面背水面沙波的纵剖面图沙波的纵剖面图 带状沙波：波峰线基本平行并与流线垂带状沙波：波峰线基本平行并与流线垂直，或略显斜交；直，或略显斜交；断续蛇曲状沙波：波峰线不规则，时断断续蛇曲状沙波：波峰线不规则，时断时续，大致与流线垂直；时续，大致与流线垂直；新月形沙波：波高与波长基本相等，波

14、新月形沙波：波高与波长基本相等，波峰线形如上弦月；峰线形如上弦月；舌状沙波：波峰线形如下弦月；舌状沙波：波峰线形如下弦月；3.3 3.3 沙波运动沙波运动 一、沙波形态和运动特性一、沙波形态和运动特性（1）几何特性；（）几何特性；（2）水流运动特性；（）水流运动特性；（3）阻力；（）阻力；（4）水流）水流紊动；（紊动；（5）泥沙运动）泥沙运动 迎水面加速区，冲刷区迎水面加速区，冲刷区 背水面是减速区，淤积区，床沙的分选：背水面是减速区，淤积区，床沙的分选：“上细下粗上细下粗”产生沙波运动，向下游推进沙波对沙波中粗泥沙运动的间歇性产生沙波运动，向下游推进沙波对沙波中粗泥沙运动的间歇性3.3 3.

15、3 沙波运动沙波运动迎水面迎水面背水面背水面沙波的纵剖面图沙波的纵剖面图沙波运动教学实验沙波运动教学实验二、沙波的产生和消亡的几个阶段二、沙波的产生和消亡的几个阶段 静平整、沙纹、沙垄、过渡、动平整、沙浪、急滩与深潭。静平整、沙纹、沙垄、过渡、动平整、沙浪、急滩与深潭。3.3 3.3 沙波运动沙波运动二、沙波的产生和消亡的几个阶段二、沙波的产生和消亡的几个阶段 静平整：流速小于起动流速，泥沙不动，静平整：流速小于起动流速，泥沙不动，床面平整。床面平整。沙纹：流速增大，沙粒聚集最后连接成沙纹：流速增大，沙粒聚集最后连接成形状规则的沙纹。纵剖面不对称，迎水形状规则的沙纹。纵剖面不对称，迎水面长而平

16、，背水面短而陡，一般波高在面长而平，背水面短而陡，一般波高在0.52.0cm，波长，波长11.5cm。3.3 3.3 沙波运动沙波运动二、沙波的产生和消亡的几个阶段二、沙波的产生和消亡的几个阶段 沙垄：受河流几何形态和尺寸的影响，波高从沙垄：受河流几何形态和尺寸的影响，波高从1m到到23m，波长从几米到，波长从几米到100m 不等。不等。3.3 3.3 沙波运动沙波运动二、沙波的产生和消亡的几个阶段二、沙波的产生和消亡的几个阶段 过渡：过渡：动平整：动平整：纱垄发展到一纱垄发展到一定程度定程度纱垄趋于纱垄趋于衰衰 微微流速增大流速增大床面恢复床面恢复平平 整整波长渐大波长渐大波高渐小波高渐小3

17、.3 3.3 沙波运动沙波运动二、沙波的产生和消亡的几个阶段二、沙波的产生和消亡的几个阶段 沙浪：流速继续增大，弗劳德数沙浪：流速继续增大，弗劳德数Fr1，床面再一次出现，床面再一次出现起伏，称沙浪。特点：沙浪起伏对称，流线基本与河床起伏，称沙浪。特点：沙浪起伏对称，流线基本与河床平行，波峰后水流不分离，泥沙运动强度大，成层运动。平行，波峰后水流不分离，泥沙运动强度大，成层运动。顺行沙浪：沙浪运动方向和水流方向一致。顺行沙浪：沙浪运动方向和水流方向一致。逆行沙浪：沙浪运动方向和水流方向相反。逆行沙浪：沙浪运动方向和水流方向相反。黄河下游经常出现这种逆行沙浪。例如，土城子河段在中黄河下游经常出现

18、这种逆行沙浪。例如，土城子河段在中水位以上时，全河宽水位以上时，全河宽500500600m 600m 内都会此起彼落地出现内都会此起彼落地出现沙浪，黄河上叫做沙浪，黄河上叫做“淦淦”。淦常表现为一连串的波浪，。淦常表现为一连串的波浪，波浪的数目多在波浪的数目多在6 62020个，浪高多在个，浪高多在1 13m3m，波长约在，波长约在15m15m左右。淦多为突发性的，常发生在落水阶段。经过十几左右。淦多为突发性的，常发生在落水阶段。经过十几分钟的演化，徐徐消失。分钟的演化，徐徐消失。3.3 3.3 沙波运动沙波运动二、沙波的产生和消亡的几个阶段二、沙波的产生和消亡的几个阶段 急滩与深潭：急滩与深

19、潭：Fr1急急 滩滩(急急 流流)深深 潭潭(缓缓 流流)流速增大流速增大水水 跃跃强烈冲刷强烈冲刷严重淤积严重淤积常见于山区性河流常见于山区性河流急滩急滩深潭深潭3.3 3.3 沙波运动沙波运动二、沙波的产生和消亡的几个阶段二、沙波的产生和消亡的几个阶段 小结：可分为小结：可分为2个明显阶段个明显阶段沙纹与沙垄沙纹与沙垄恢复平整或恢复平整或遗留沙垄痕迹遗留沙垄痕迹沙沙 浪浪阶段阶段1过渡阶段过渡阶段 一般河流常见常见沙纹与沙垄，沙浪、急滩与深潭较少见一般河流常见常见沙纹与沙垄，沙浪、急滩与深潭较少见 天然河流中各种平面形态并存，并各自经历不同的发展过程天然河流中各种平面形态并存，并各自经历不

20、同的发展过程 特定条件下，有的发展阶段不一定出现特定条件下，有的发展阶段不一定出现急滩急滩深潭深潭阶段阶段23.3 3.3 沙波运动沙波运动三、研究意义三、研究意义 沙波是冲积河流阻力的主要组成部分之一沙波是冲积河流阻力的主要组成部分之一 沙波的发展有时会引起沙波的发展有时会引起HQ关系异常关系异常 根据沙波形态和运动速度计算推移质输沙率根据沙波形态和运动速度计算推移质输沙率阻力小，流速大，阻力小，流速大，水深小水深小深潭深潭HQ逆时针顺套曲线逆时针顺套曲线阻力大，通过同级别阻力大，通过同级别流量需要的水深增加流量需要的水深增加四四 床面形态判别和特性研究床面形态判别和特性研究 决定沙波运动的

21、无量纲数首推决定沙波运动的无量纲数首推shields数数=沙纹的形成和发展与沙粒雷诺数有关；沙纹的形成和发展与沙粒雷诺数有关；沙垄发展与沙粒雷诺数和沙垄发展与沙粒雷诺数和H/DH/D有关。有关。一一 沙波运动的判别准则沙波运动的判别准则 低水流能态区的判别（静平整低水流能态区的判别（静平整-沙纹沙纹-沙垄区）沙垄区）Ds)(0高水流能态区的判别：沙垄高水流能态区的判别：沙垄-平整平整-逆行沙垄逆行沙垄3.4 3.4 冲积河流的阻力冲积河流的阻力研究意义：研究意义：冲积河流阻力决定了河道泄流能力与输冲积河流阻力决定了河道泄流能力与输沙能力，反映了水流对河床作用力的大沙能力，反映了水流对河床作用力

22、的大小，是河流动力学中的一个重要问题。小，是河流动力学中的一个重要问题。3.4 3.4 冲积河流的阻力冲积河流的阻力 沙粒阻力沙粒阻力 沙波阻力沙波阻力 河岸及滩面阻力河岸及滩面阻力 河槽形态阻力河槽形态阻力 人工建筑物外加阻力人工建筑物外加阻力床面阻力，属于动床阻力床面阻力，属于动床阻力一、天然河流的阻力一、天然河流的阻力3.4 3.4 冲积河流的阻力冲积河流的阻力二、阻力单元的划分二、阻力单元的划分3.4 3.4 冲积河流的阻力冲积河流的阻力二、阻力单元的划分二、阻力单元的划分(床面阻力与河岸阻力划分床面阻力与河岸阻力划分)3.4 3.4 冲积河流的阻力冲积河流的阻力二、阻力单元的划分二、

23、阻力单元的划分(床面阻力与河岸阻力划分床面阻力与河岸阻力划分)例题例题 实验室玻璃水槽，实验室玻璃水槽，B=0.8m，Q=136升升/秒，秒，均匀流水深均匀流水深H=20m，J=0.0036,槽底铺沙，槽底铺沙，求床面糙率求床面糙率?3.4 3.4 冲积河流的阻力冲积河流的阻力二、阻力单元的划分二、阻力单元的划分(沙粒阻力与沙波阻力划分沙粒阻力与沙波阻力划分)3.4 3.4 冲积河流的阻力冲积河流的阻力二、阻力单元的划分二、阻力单元的划分(床面阻力与河岸阻力划分床面阻力与河岸阻力划分)3.4 3.4 冲积河流的阻力冲积河流的阻力二、阻力单元的划分二、阻力单元的划分(沙粒阻力与沙波阻力划分沙粒阻

24、力与沙波阻力划分)3.4 3.4 冲积河流的阻力冲积河流的阻力三、动床阻力的计算三、动床阻力的计算3.4 3.4 冲积河流的阻力冲积河流的阻力三、动床阻力的计算三、动床阻力的计算3.4 3.4 冲积河流的阻力冲积河流的阻力三、动床阻力的计算三、动床阻力的计算2 2、沙波阻力的计算、沙波阻力的计算 3.4 3.4 冲积河流的阻力冲积河流的阻力三、动床阻力的计算三、动床阻力的计算x(注：注：x x查图教材查图教材p28p28图图2-32-3可得可得)Ks 例题例题 某河流床沙组成某河流床沙组成D35=0.0006m,D65=0.001m，Q=149m3/s，比降，比降J=0.0004,水力半径与过

25、水力半径与过水面积关系水面积关系:R(m)0 0.58 0.92 1.13 1.25 1.33 A(m2)0 50.0 100 150 200 250 忽略岸壁影响，用忽略岸壁影响，用Eeinstein方法确定方法确定Rb?3.5 3.5 推移质输沙率推移质输沙率 推移质输沙率推移质输沙率G Gb b：一定的水沙条件下，河道处于冲淤平衡时，单位时间通一定的水沙条件下，河道处于冲淤平衡时，单位时间通过断面的推移质数量。单位过断面的推移质数量。单位:kg/s:kg/s。单宽输沙率单宽输沙率g gb b ：推移质输沙率通常习惯用单位宽度的：推移质输沙率通常习惯用单位宽度的数量来表示，单位数量来表示，

26、单位:kg/(m.s):kg/(m.s)一定的水沙条件下，河流只能输送一定的推移质，上游一定的水沙条件下，河流只能输送一定的推移质，上游来沙如果超过本河段来沙如果超过本河段GGb b就可能会淤积；反之则冲刷。就可能会淤积；反之则冲刷。对推移质的定量研究方法：采样法对推移质的定量研究方法：采样法(代表性不好代表性不好)、公式、公式法（采用公式和实验结合）法（采用公式和实验结合）能量关系 习题习题4 某宽浅河道水深某宽浅河道水深H=2米，比降米，比降J=0.0005,断断面平均流速面平均流速V=0.8m/s，河床泥沙组成主要，河床泥沙组成主要有有 0.25、0.5、1.0、2.0、5.0、16.0mm 在上述水文条件下，哪些沙粒处在运动状在上述水文条件下，哪些沙粒处在运动状态，分别采用下述三种关系式进行比较。态，分别采用下述三种关系式进行比较。（取（取0.01cm0.01cm2 2/s)/s)(1)(1)岗恰洛夫公式，（取岗恰洛夫公式，（取d d9595=16mm)=16mm)(2)(2)沙莫夫公式沙莫夫公式（3 3）利用西尔兹关系）利用西尔兹关系