CH1河道水流泥沙特性ppt課件

1、第一章：河道水流、泥沙基本特性第一章：河道水流、泥沙基本特性1.1 1.1 紊流的形成與猝發(fā)紊流的形成與猝發(fā)紊動(dòng)切應(yīng)力一、紊動(dòng)切應(yīng)力概念一、紊動(dòng)切應(yīng)力概念 由于渦漩混摻引起質(zhì)點(diǎn)動(dòng)量交換而產(chǎn)生脈動(dòng)流由于渦漩混摻引起質(zhì)點(diǎn)動(dòng)量交換而產(chǎn)生脈動(dòng)流速及相應(yīng)紊動(dòng)切應(yīng)力，也稱附加切應(yīng)力。速及相應(yīng)紊動(dòng)切應(yīng)力，也稱附加切應(yīng)力。表達(dá)形式表達(dá)形式1 1：式中，式中，uxuyuxuy是指空間某點(diǎn)瞬時(shí)是指空間某點(diǎn)瞬時(shí)uxux和和uyuy在某時(shí)段的時(shí)在某時(shí)段的時(shí)均值。均值。ux= ux+ uxux= ux+ ux； uy= uy+ uyuy= uy+ uy；式中，式中， uxux為瞬時(shí)值，為瞬時(shí)值，uxux為時(shí)均值，為時(shí)均

2、值， uxux為為X X方向的脈動(dòng)流速方向的脈動(dòng)流速紊動(dòng)切應(yīng)力表達(dá)形式表達(dá)形式2 2：影響影響mm的幾個(gè)量在量測和確定上都存在不少困的幾個(gè)量在量測和確定上都存在不少困難，在實(shí)際計(jì)算中，通常由切應(yīng)力和時(shí)均流速難，在實(shí)際計(jì)算中，通常由切應(yīng)力和時(shí)均流速分布反推分布反推mm值。值。紊動(dòng)切應(yīng)力表達(dá)式紊動(dòng)切應(yīng)力表達(dá)式在恒定二元均勻明流，水深為在恒定二元均勻明流，水深為h h，水力坡度為，水力坡度為J J，作用于底壁的切應(yīng)力為：作用于底壁的切應(yīng)力為：0=rhJ0=rhJ；根據(jù)理論與實(shí)測資料分析得到紊流切應(yīng)力沿水根據(jù)理論與實(shí)測資料分析得到紊流切應(yīng)力沿水深按直線分布：深按直線分布： =r(h-y)J= 0 (1

3、-y/h)=r(h-y)J= 0 (1-y/h)表達(dá)形式表達(dá)形式3 3：=l2(dux/dy)2普蘭特根據(jù)動(dòng)量傳遞原理或摻混長度理論得到。普蘭特根據(jù)動(dòng)量傳遞原理或摻混長度理論得到。1.2、 明渠水流的流速分布一、明渠水流流速分布一、明渠水流流速分布一、明渠水流流速分布一、明渠水流流速分布一、明渠水流流速分布一、明渠水流流速分布一、明渠水流流速分布一、明渠水流流速分布一、明渠水流流速分布一、明渠水流流速分布上式為：三種壁面的統(tǒng)一對(duì)數(shù)流速公式，（式中，上式為：三種壁面的統(tǒng)一對(duì)數(shù)流速公式，（式中，x為修正系數(shù)，其中糙壁為修正系數(shù)，其中糙壁x=1；光壁和過渡壁面光壁和過渡壁面x是是ks和和的函數(shù)。）的

4、函數(shù)。）卡門常數(shù)卡門常數(shù)愛因斯坦公式愛因斯坦公式8.5明渠水流的流速分布二、對(duì)數(shù)區(qū)流速分布二、對(duì)數(shù)區(qū)流速分布上式為：三種壁面的統(tǒng)一對(duì)數(shù)流速公式，（式中，上式為：三種壁面的統(tǒng)一對(duì)數(shù)流速公式，（式中，x為修正系數(shù)，其中糙壁為修正系數(shù)，其中糙壁x=1；光壁和過渡壁面光壁和過渡壁面x是是ks和和的函數(shù)。）的函數(shù)。）卡門常數(shù)卡門常數(shù)愛因斯坦公式愛因斯坦公式8.5 天然河流的阻力分為定床阻力和動(dòng)床阻力，天然河流的阻力分為定床阻力和動(dòng)床阻力，清水阻力和挾沙水流阻力：清水阻力和挾沙水流阻力： 河流是河道和水流兩部分相互作用下的水流運(yùn)河流是河道和水流兩部分相互作用下的水流運(yùn)動(dòng)。河道由泥土、沙礫、卵石和頑石等組成

5、，統(tǒng)稱動(dòng)。河道由泥土、沙礫、卵石和頑石等組成，統(tǒng)稱為泥沙。為泥沙。1、河道水流的兩相性：水連續(xù)介質(zhì)和沙非連、河道水流的兩相性：水連續(xù)介質(zhì)和沙非連續(xù)介質(zhì)的顆粒群體）。續(xù)介質(zhì)的顆粒群體）。（1重力、（重力、（2慣性力、（慣性力、（3阻力阻力2、河道水流的三維性：河道斷面不規(guī)則，順直段很、河道水流的三維性：河道斷面不規(guī)則，順直段很短，寬深比小，尤其是彎曲河流。短，寬深比小，尤其是彎曲河流。3、河道水流的非恒定性：來水來沙隨時(shí)間變化；河、河道水流的非恒定性：來水來沙隨時(shí)間變化；河床處于不斷的變化中。床處于不斷的變化中。4、河道水流的非均勻性：、河道水流的非均勻性：5、不平衡輸沙；、不平衡輸沙；1.3

6、河道水流基本特性河道水流基本特性 河道水流的流型：河道水流的雷諾數(shù)一般都比較大，其流河道水流的流型：河道水流的雷諾數(shù)一般都比較大，其流型一般居于阻力平方區(qū)。型一般居于阻力平方區(qū)。 河道水流的主流與副流：主流又稱正流、元生流是水河道水流的主流與副流：主流又稱正流、元生流是水流沿著河槽總方向的流動(dòng)流沿著河槽總方向的流動(dòng) 。 與主流相對(duì)應(yīng)的有副流又稱次生流）。如環(huán)流次生流：與主流相對(duì)應(yīng)的有副流又稱次生流）。如環(huán)流次生流：在比較順直的河段中，當(dāng)流量隨時(shí)間變化劇烈時(shí)，常常產(chǎn)在比較順直的河段中，當(dāng)流量隨時(shí)間變化劇烈時(shí)，常常產(chǎn)生微弱的環(huán)流。生微弱的環(huán)流。 分散流：河流漲水時(shí)，兩岸水位低于斷面中間水位，產(chǎn)生分

7、散流：河流漲水時(shí)，兩岸水位低于斷面中間水位，產(chǎn)生河底水流向兩岸分散的兩個(gè)環(huán)流，兩岸淤積，中間沖刷。河底水流向兩岸分散的兩個(gè)環(huán)流，兩岸淤積，中間沖刷。 集合流：河流退水時(shí)，產(chǎn)生的向河底集聚的兩個(gè)微弱環(huán)流，集合流：河流退水時(shí)，產(chǎn)生的向河底集聚的兩個(gè)微弱環(huán)流，兩岸沖刷，中間淤積。兩岸沖刷，中間淤積。 河灣水流：是河道中常見的水流現(xiàn)象，一種三元流動(dòng)。實(shí)河灣水流：是河道中常見的水流現(xiàn)象，一種三元流動(dòng)。實(shí)際是橫向運(yùn)動(dòng)與縱向運(yùn)動(dòng)結(jié)合的螺旋流。際是橫向運(yùn)動(dòng)與縱向運(yùn)動(dòng)結(jié)合的螺旋流。 不同情況下的環(huán)流結(jié)果不同情況下的環(huán)流結(jié)果河道水流的流速分布河道水流的流速分布卡曼卡曼-普蘭特爾普蘭特爾Th.von.Darman-

8、L.Prandtl對(duì)數(shù)對(duì)數(shù)流速分布公式流速分布公式 對(duì)數(shù)及反三角函數(shù)流速分布對(duì)數(shù)及反三角函數(shù)流速分布 指數(shù)公式指數(shù)公式 max11uuhnuky max12211212arctan1122aaaUunnarctanukaaaaa1muymUh幾個(gè)概念簡析粗糙高粗糙高KsKs：是天然壁面的當(dāng)量粗糙高，它綜合反映壁面粗：是天然壁面的當(dāng)量粗糙高，它綜合反映壁面粗糙程度、形式和分布等因素對(duì)水流的影響。不僅只反映槽糙程度、形式和分布等因素對(duì)水流的影響。不僅只反映槽壁的粗糙程度，同時(shí)還與粗糙的形式和分布狀況有關(guān)。在壁的粗糙程度，同時(shí)還與粗糙的形式和分布狀況有關(guān)。在河道和明渠中，粗糙程度、形式和分布都是不均

9、勻的，也河道和明渠中，粗糙程度、形式和分布都是不均勻的，也是隨機(jī)的，是隨機(jī)的，KsKs是反映這些因素的一個(gè)綜合參數(shù)。是反映這些因素的一個(gè)綜合參數(shù)。通常采用實(shí)測的方法來確定通常采用實(shí)測的方法來確定KsKs，即測出河槽的流速分布和，即測出河槽的流速分布和U U* *，再用槽壁流速公式反推粗糙高。，再用槽壁流速公式反推粗糙高。也有人用床沙情況來初估也有人用床沙情況來初估KsKs，如對(duì)于均勻床沙，采用，如對(duì)于均勻床沙，采用Ks=0.7dKs=0.7d，d d為床沙粒徑；如對(duì)于非均勻床沙，采用為床沙粒徑；如對(duì)于非均勻床沙，采用Ks=d65Ks=d65，d65d65為床沙組成中出現(xiàn)概率是為床沙組成中出現(xiàn)概

10、率是65%65%的粒徑；不同的粒徑；不同實(shí)驗(yàn)條件不同，僅供參考。實(shí)驗(yàn)條件不同，僅供參考。8.5槽壁流速公式槽壁流速公式: :幾個(gè)概念簡析摩阻流速摩阻流速U U* *： U U* *= =摩阻流速摩阻流速U U* *反映了水流的紊動(dòng)情況，廣泛應(yīng)用在泥沙研究反映了水流的紊動(dòng)情況，廣泛應(yīng)用在泥沙研究中。中。 U U* *與脈動(dòng)強(qiáng)度的數(shù)值大小相當(dāng)。與脈動(dòng)強(qiáng)度的數(shù)值大小相當(dāng)。00是起動(dòng)拖曳力，即泥沙處于起動(dòng)狀態(tài)的床面剪切力。是起動(dòng)拖曳力，即泥沙處于起動(dòng)狀態(tài)的床面剪切力。0=hJ=U0=hJ=U* *2 2gRJ=0常用計(jì)算的推導(dǎo)KsKs和糙率和糙率n n的計(jì)算：的計(jì)算： 例：先測得河流水深例：先測得河流

11、水深h,h,再測水流垂線上兩點(diǎn)流速，如：從再測水流垂線上兩點(diǎn)流速，如：從水面測得水面測得U0.2h=u1 ;U0.8h=u2U0.2h=u1 ;U0.8h=u2，由流速分布公式：，由流速分布公式：u1=5.75U*lg(24h/Ks)u2=5.75U*lg(6h/Ks)lghKs=0.778u1/u2-1.381-u1/u2h,u1,u2得得KsKs多測幾點(diǎn)流速，計(jì)算多測幾點(diǎn)流速，計(jì)算KsKs和和n n值，以供值，以供校核，或取平均。校核，或取平均。離水面的距離；離水面的距離；y1=h-0.2h=0.8hy1=h-0.2h=0.8h； y2=h-0.8h=0.2hy2=h-0.8h=0.2h；

12、常用計(jì)算的推導(dǎo)KsKs和糙率和糙率n n的計(jì)算：的計(jì)算： 例：先測得河流水深例：先測得河流水深h,h,再測水流垂線上兩點(diǎn)流速，如：測再測水流垂線上兩點(diǎn)流速，如：測得得U0.2h=u1 ;U0.8h=u2U0.2h=u1 ;U0.8h=u2，由流速分布公式：，由流速分布公式：c=18lg(12.27R/Ks)c=18lg(12.27R/Ks)n=nR1/618lg12.27RKs將實(shí)測的將實(shí)測的lg(h/Ks)lg(h/Ks)代入上式，令代入上式，令R=hR=h=5.57u1/u2-5.27u1/u2-1c=(u1/u2-1)h1/65.57(u1/u2+0.95)n多測幾點(diǎn)流速，計(jì)算多測幾點(diǎn)流

13、速，計(jì)算KsKs和和n n值，以供值，以供校核，或取平均。校核，或取平均。U UU U* *=c cg g作業(yè)或習(xí)題P16第一題；已知某河實(shí)測水深第一題；已知某河實(shí)測水深H=3.6米，三點(diǎn)法測得的流米，三點(diǎn)法測得的流速分別為速分別為U0.2=1.82m/s, U0.6=1.60m/s, U0.8=1.50m/s, 試求河床的粗糙高度試求河床的粗糙高度KS及曼寧糙率及曼寧糙率n。U=1nR2/3J1/2曼寧公式曼寧公式U*=gRJ;U UU U* *=c cg g1.4 河流泥沙的來源與幾何特性河流泥沙的來源與幾何特性 一、泥沙的來源一、泥沙的來源 泥沙：指所有在流體中運(yùn)動(dòng)或受水流、風(fēng)力、波浪、

14、泥沙：指所有在流體中運(yùn)動(dòng)或受水流、風(fēng)力、波浪、冰川及重力作用移動(dòng)后沉積下來的固體顆粒碎屑冰川及重力作用移動(dòng)后沉積下來的固體顆粒碎屑錢寧、錢寧、1983）。粒徑大小可差數(shù)十）。粒徑大小可差數(shù)十?dāng)?shù)萬倍。粒徑數(shù)萬倍。粒徑大小一般變化在大小一般變化在0.001100.0mm 。 主要來自巖石的風(fēng)化，土壤侵蝕，火山噴發(fā)產(chǎn)生主要來自巖石的風(fēng)化，土壤侵蝕，火山噴發(fā)產(chǎn)生的火山灰、生物骨骼、貝殼分解及人類各種生產(chǎn)活的火山灰、生物骨骼、貝殼分解及人類各種生產(chǎn)活動(dòng)的廢棄物。動(dòng)的廢棄物。 河流泥沙的來源可以分為兩類：一類是來自流域降河流泥沙的來源可以分為兩類：一類是來自流域降雨形成的地面徑流對(duì)地表的沖蝕，通常稱為水土

15、流雨形成的地面徑流對(duì)地表的沖蝕，通常稱為水土流失；另一類是從原河床沉積層沖刷起來的。河流泥失；另一類是從原河床沉積層沖刷起來的。河流泥沙在運(yùn)動(dòng)過程中與床沙相互交換，塑造了不斷變化沙在運(yùn)動(dòng)過程中與床沙相互交換，塑造了不斷變化的河床形態(tài)。的河床形態(tài)。 按導(dǎo)致土壤侵蝕的外營力種類劃分按導(dǎo)致土壤侵蝕的外營力種類劃分 在我國引起土壤侵蝕在我國引起土壤侵蝕的外營力種類主要有水的外營力種類主要有水力、風(fēng)力、重力、水力力、風(fēng)力、重力、水力和重力的綜合作用力、和重力的綜合作用力、溫度溫度( (由凍融作用而產(chǎn)生由凍融作用而產(chǎn)生的作用力的作用力) )作用力、冰川作用力、冰川作用力、化學(xué)作用力等，作用力、化學(xué)作用力等

16、，因此土壤侵蝕類型就有因此土壤侵蝕類型就有水力侵蝕、風(fēng)力侵蝕、水力侵蝕、風(fēng)力侵蝕、重力侵蝕、凍融侵蝕、重力侵蝕、凍融侵蝕、冰川侵蝕、混合侵蝕、冰川侵蝕、混合侵蝕、化學(xué)侵蝕和生物侵蝕等化學(xué)侵蝕和生物侵蝕等類型。類型。水力侵蝕類型水力侵蝕類型冰川侵蝕類型冰川侵蝕類型風(fēng)力侵蝕類型風(fēng)力侵蝕類型凍融侵蝕類型凍融侵蝕類型重力侵蝕類型重力侵蝕類型土土壤壤侵侵蝕蝕類類型型混合侵蝕類型混合侵蝕類型化學(xué)侵蝕類型化學(xué)侵蝕類型生物侵蝕類型生物侵蝕類型 水土流失水土流失soil Loss) 包括水和土的流失兩個(gè)方包括水和土的流失兩個(gè)方面。它與土壤侵蝕概念不同。從侵蝕作用面。它與土壤侵蝕概念不同。從侵蝕作用 力來看，力來

17、看，為水力侵蝕，水土流失量是指離開某一范圍的地為水力侵蝕，水土流失量是指離開某一范圍的地表物質(zhì)總和，一般土壤侵蝕量大于水土流失量。表物質(zhì)總和，一般土壤侵蝕量大于水土流失量。 土壤侵蝕與產(chǎn)沙土壤侵蝕與產(chǎn)沙sediment yield) 也是兩個(gè)不同的概念，產(chǎn)沙是指侵蝕的土壤量能也是兩個(gè)不同的概念，產(chǎn)沙是指侵蝕的土壤量能夠到達(dá)流域出口的泥沙量。因而，產(chǎn)沙小于侵蝕夠到達(dá)流域出口的泥沙量。因而，產(chǎn)沙小于侵蝕量，兩者之間用泥沙輸移比表示。如以長江上游量，兩者之間用泥沙輸移比表示。如以長江上游宜昌，宜昌，20世紀(jì)世紀(jì)80年代平均侵蝕量為年代平均侵蝕量為15.7億噸，同億噸，同期宜昌站輸出沙量期宜昌站輸出沙

18、量5.49億噸億噸 流域地表水土流失的嚴(yán)重程度是用侵蝕模數(shù)流域地表水土流失的嚴(yán)重程度是用侵蝕模數(shù)M來表示的，它表示流域上每平方公里地面來表示的，它表示流域上每平方公里地面每年沖蝕的泥沙量。黃土高原的每年沖蝕的泥沙量。黃土高原的M大于大于1000t/(km2.a)。相當(dāng)于地面每年普遍被沖走。相當(dāng)于地面每年普遍被沖走0.6mm以上厚的土層。陜北個(gè)別地區(qū)以上厚的土層。陜北個(gè)別地區(qū)M高達(dá)高達(dá)10000t/(km2.a)。我國南方流域。我國南方流域M一般一般100t/(km2.a)左右。左右。 河流中泥沙的含量隨區(qū)域水土流失情況的不河流中泥沙的含量隨區(qū)域水土流失情況的不同差異很大。黃河干支流河道實(shí)測最大

19、含沙同差異很大。黃河干支流河道實(shí)測最大含沙量達(dá)到量達(dá)到1500kg/m3，平均為，平均為300kg/m3，國，國內(nèi)外主要河流的含沙量見表。內(nèi)外主要河流的含沙量見表。土壤侵蝕的危害表現(xiàn)為：土壤侵蝕的危害表現(xiàn)為： （1水資源和土壤資源惡化。年流失耕地表層水資源和土壤資源惡化。年流失耕地表層土壤土壤1cm，流失的養(yǎng)分相當(dāng)于，流失的養(yǎng)分相當(dāng)于4000萬萬t的化肥量。的化肥量。 （2農(nóng)田、耕地水沙為害。溝壑縱橫切割造成農(nóng)田、耕地水沙為害。溝壑縱橫切割造成耕地大面積破壞。耕地大面積破壞。 （3對(duì)下游水系的危害。河床抬高，防洪能力對(duì)下游水系的危害。河床抬高，防洪能力下降，湖泊面積縮小，調(diào)蓄能力減小。下降，湖

20、泊面積縮小，調(diào)蓄能力減小。 （4流域內(nèi)水庫淤積、庫容減少、水利設(shè)施效流域內(nèi)水庫淤積、庫容減少、水利設(shè)施效率降低。率降低。 二、泥沙顆粒的大小二、泥沙顆粒的大小粒徑粒徑 1 1、等容粒徑：體積相當(dāng)?shù)那蝮w直徑；粗顆粒、等容粒徑：體積相當(dāng)?shù)那蝮w直徑；粗顆粒 2 2、平均粒徑：算術(shù)平均和幾何平均；、平均粒徑：算術(shù)平均和幾何平均； 2 2、篩分粒徑：剛好能通過篩孔的粒徑；停留在、篩分粒徑：剛好能通過篩孔的粒徑；停留在D1D1，通過通過D2D2的平均粒徑；細(xì)顆粒的平均粒徑；細(xì)顆粒 3 3、沉降粒徑：粒徑小于、沉降粒徑：粒徑小于0.1mm0.1mm。0.1mm0.1mm的細(xì)沙的細(xì)沙 泥沙顆粒分類：方法很多，

21、結(jié)果有差別。泥沙顆粒分類：方法很多，結(jié)果有差別。三、泥沙的群體特性三、泥沙的群體特性三、泥沙的群體特性三、泥沙的群體特性三、泥沙的群體特性三、泥沙的群體特性1.3 泥沙的重力特性和渾水性質(zhì)泥沙的重力特性和渾水性質(zhì)一、泥沙的容重一、泥沙的容重 容重：泥沙顆粒的重量與其實(shí)際體積之比，用容重：泥沙顆粒的重量與其實(shí)際體積之比，用 。 與泥沙與泥沙的礦物組成決定。一般分為膠體分散礦物、輕礦物和重礦的礦物組成決定。一般分為膠體分散礦物、輕礦物和重礦物。物。s1.5 泥沙的重力特性和渾水性質(zhì)泥沙的重力特性和渾水性質(zhì)s二、泥沙淤積物干容重二、泥沙淤積物干容重 （1泥沙淤積物干容重泥沙淤積物干容重specifi

22、c weight) 單位體積的沙樣干燥后的重量。也稱干密度單位體積的沙樣干燥后的重量。也稱干密度 。由于泥。由于泥沙顆粒存在孔隙，干容重一般小于個(gè)體顆粒的容重。在沙顆粒存在孔隙，干容重一般小于個(gè)體顆粒的容重。在分析河床沖淤變化時(shí)，泥沙沖淤的重量必須通過泥沙的分析河床沖淤變化時(shí)，泥沙沖淤的重量必須通過泥沙的干容重?fù)Q算為泥沙沖淤體積。干容重?fù)Q算為泥沙沖淤體積。 影響干容重的主要因素有粒徑組成，淤積歷時(shí)，埋藏的影響干容重的主要因素有粒徑組成，淤積歷時(shí)，埋藏的深度和環(huán)境等。深度和環(huán)境等。 （2干容重計(jì)算方法干容重計(jì)算方法su（3 3泥沙粒徑對(duì)干容重的影響；泥沙粒徑對(duì)干容重的影響；u（4 4干容重與淤積深度和淤積歷時(shí)關(guān)系；干容重與淤積深度和淤積歷時(shí)關(guān)系；u（5 5泥沙的水下休止角：靜水中的泥沙由泥沙的水下休止角：靜水中的泥沙由于摩