河流動力學(xué)C2課件

1、第 二 章 泥沙顆?；咎匦孕?言 通常我們把組成河床和隨水流運動的小顆粒礦物質(zhì)叫做泥沙，但在本門文獻(xiàn)中也常常給予它廣義的涵義，除了小顆粒礦物質(zhì)外還包括礫石和卵石。 某一河段內(nèi)水流中的泥沙顆粒既可能直接來自于流域，也可能是從上游河床上沖刷起動而來的。水體挾帶了大量泥沙后，可能會引起某些物理特性發(fā)生變化，如：流變性質(zhì)。2-1 單個顆粒的特性 泥沙顆粒（沉積物碎屑）的粒徑變化范圍較大（0.001100mm），研究其運動時一般不能概化為連續(xù)介質(zhì)，故需對單顆粒泥沙的性質(zhì)進(jìn)行定量、精確的描述，有時還需對其運動過程（滾動、躍移等）進(jìn)行詳細(xì)研究。一、顆粒的大小粒徑（粒度） 天然泥沙顆粒的形狀不規(guī)則，常由大小

2、不等顆粒組成，其粒徑范圍變化較大，對不同范圍，有專門的定義和測量方法。1、表述顆粒大小的各種測量所測量的物理量測量方法定義（名稱）卵石、礫石目測、量規(guī)長、寬、高度顆粒投影千分尺投影直徑小顆粒橫切面放大圖像后同上薄片直徑橫切面的Amin篩析法篩分粒徑重量天平與顆粒、G等的球體直徑體積體積計等容粒徑沉速沉降筒、離心機(jī)沉降粒徑2-1 單個顆粒的特性2、常用的粒徑定義和計算 等容粒徑 定義：與泥沙顆粒體積相同的球體直徑 公式： 篩分粒徑 D1DD2 沉降粒徑 D0.1mm的細(xì)沙 水析法測顆粒在靜 水中沉速2-1 單個顆粒的特性 粒徑是泥沙的一個重要性質(zhì)，它不僅直接代表泥沙顆粒的粗細(xì)程度，而且與泥沙的許

3、多其他特性緊密關(guān)聯(lián)。 粘性沙（較細(xì)）與非粘性沙（較粗）在同一水流交互作用過程中表現(xiàn)不同情況：較細(xì)的泥沙有較大的孔隙率和較小的干容重，較粗的相反；細(xì)顆粒沙多半棱角崢嶸，而粗砂失去棱角。故面對具體的河流時，必須弄清組成河床（渠底）的泥沙粒徑及水流挾帶的泥沙粒徑是怎樣的。2-1 單個顆粒的特性二、顆粒的形狀 1、幾何特征 圓度：顆粒棱和角的尖銳程度。 球度： 與顆粒同體積的球體直徑（等容粒 徑）和顆粒外接球直徑之比。 整體形狀 表面結(jié)構(gòu)2-1 單個顆粒的特性2、 形狀及其成因 最初形狀取決于巖石母質(zhì)和風(fēng)化作用，隨后在輸運過程中受到物理、化學(xué)、和生物作用不斷改變形狀，最終成形取決于搬運介質(zhì)（水、空氣、

4、冰川運動）和搬運方式（滑動、滾動、懸浮等）。 巖石碎屑的圓度在流水搬運初期迅速增加，然后增加速度減緩，直至完全變圓，而其球度以一個緩慢而穩(wěn)定的速度增加。2-1 單個顆粒的特性 泥沙顆粒不同外形的成因分析： 與組成泥沙的原生礦物外形有關(guān) 巖石由不同礦物組合而成，不同礦物的比重、硬度各有差異，所以構(gòu)成的巖石碎屑物在抵抗水流的沖刷時結(jié)果也不同，導(dǎo)致了泥顆形狀各有千秋，在細(xì)顆粒沙中尤為明顯。 2-1 單個顆粒的特性 與搬運的距離和時間有關(guān) 一般來說，進(jìn)入河床的泥沙其搬運距離和時間較短的則棱角較多，磨圓度較差；反之亦然。這在現(xiàn)場查勘時很容易發(fā)現(xiàn)：在礫石河床中發(fā)現(xiàn)其粒徑突然有明顯不同（形狀明顯變化），說明

5、附近不是有崩塌碎屑物就是可能有支流的匯入。2-1 單個顆粒的特性 水流的塑造能力 粗顆粒沙因其自身體積、重力大，在水流作用下，顆粒間碰撞的能量大，棱角易磨損，外形較光滑；細(xì)顆粒沙體積、重力小，除了較軟組成礦物易磨損外，較硬礦物組成的不易磨損，故有的棱角分明，有的不明顯。更細(xì)的粒徑小于0.1mm的泥沙，除了上述原因而保持棱角外，還有分子薄膜水在起作用（保護(hù)）。2-1 單個顆粒的特性三、顆粒的密度、容重、比重 1、顆粒的密度s： 顆粒單位體積內(nèi)所含的質(zhì)量。 2、容重s： 泥顆的實有重量與實有體積的比值（排 除孔隙率在外），由顆粒的礦物組成決定。 3、比重： 固體顆粒重量與同體積4水的重量之比。2-

6、1 單個顆粒的特性組成泥沙顆粒的礦物一般可分為膠體分散礦物、輕礦物和重礦物。比重大于2.8的礦物稱重礦物。 重礦物的分布范圍一般局限在特定巖層中，所以在河流沙樣中采集到某種重礦時表示上游流域分布有與之相應(yīng)的巖層，此功能稱為示源功能。 重礦比較穩(wěn)定、硬度大，在河流中被運輸時磨損較小，是較理想的示源礦物。在河流上、下游各斷面收集沙樣并分析其重礦成分可推知河流泥沙的來源。2-2 顆粒的群體特性一、沙樣的粒徑分布 1、分級標(biāo)準(zhǔn) 按幾何級數(shù)變化的粒徑尺度作為標(biāo)準(zhǔn) 2、粒徑分布特征值 中值粒徑D50 算術(shù)平均粒徑Dm 幾何平均粒徑Dmg2-2 顆粒的群體特性二、淤積物的干容重s 1、概念 單位體積沙樣干燥

7、后（105 ）的重量。由于顆粒間存在孔隙，干容重一般小于單個顆粒的容重。 2、影響因素 粒徑組成 淤積歷時 埋藏的深度和環(huán)境2-2 顆粒的群體特性三、泥沙的水下休止角 將靜水中的泥沙顆粒堆積起來，其堆積體邊坡形成的穩(wěn)定傾面與水平面的夾角。 河流泥沙運動的一些現(xiàn)象，如：床面沙波形態(tài)、河渠護(hù)岸、橋渡沖刷等局部河床變形過程，都與之相關(guān)。其量值與顆粒群體的級配、特征粒徑、顆粒形狀、表面光滑度等有關(guān)。粒徑0.5mm以上的無粘性沙，其棱角越尖利，則 越大。2-3 泥沙顆粒的沉速 靜水中的沉速是泥沙顆粒的重要基本特性，也是泥沙運動理論中重要的參數(shù)。一、基本概念 1、定義：泥沙在靜水中勻速下沉?xí)r的速度。 記為

8、，單位cm/s。 在靜止清水中，開始下沉?xí)r（s ）呈加速運動（時間很短），不久保持勻速下沉（持久）。衡量泥沙的粗細(xì)用水力特征指標(biāo)來表示，故稱“水力粗度”。2-3 泥沙顆粒的沉速 2、研究意義 沉降規(guī)律是泥沙運動基本規(guī)律之一。越大，沉降幾率大，易造成河床淤積，反之亦然。故沉速既影響河床淤積，又是水析法確定粒徑的依據(jù)。 3、繞流阻力 定義：顆粒沉降受到的阻力。（圓球顆粒） (G、F)2-3 泥沙顆粒的沉速 分類： 表面阻力 水體與球面接觸處發(fā)生的表面摩擦力，大部分產(chǎn)生在迎水表面。 形狀阻力 迎水面和背水面的壓力差，也稱“壓差阻力”。由顆粒背水面分離漩渦造成，因與顆粒形狀有關(guān)（不同性質(zhì)產(chǎn)生阻力不同）

9、，由此得名。4、不同粒徑的沉降規(guī)律流態(tài)粒徑（mm）沉降現(xiàn)象阻力層流D0.1鉛直下沉，流線有條不紊，顆粒背面流線緊貼表面，流線無分離。表面阻力 為主。過渡0.1 D 2介于兩者之間兼有紊流D2較大，搖擺下沉，流線呈曲線狀態(tài)，背面強(qiáng)烈擾動漩渦。形狀阻力 為主。2-3 泥沙顆粒的沉速二、沉速的確定（明確基本概念后討論公式） 1、注意事項 核心問題：水流對泥沙的阻力。把泥沙看 作靜止，相對的水流為運動的，運用流體運 動方程求解。 把泥沙簡化為球體，按形狀不同進(jìn)行修正。 局限在一定粒徑范圍內(nèi)的泥沙可按理論推 導(dǎo)，若干系數(shù)還需借助試驗資料。 泥沙下沉有3種狀態(tài)，故公式有所不同。2-3 泥沙顆粒的沉速2、一

10、般表達(dá)式（球體） 水中重力 牛頓阻力 平衡時沉降達(dá)極限狀態(tài) G=FR 對三種繞流狀態(tài)都適用，不同在于CD區(qū)別2-3 泥沙顆粒的沉速 3、層流stokes Red0.25時，據(jù)水流作用于球沙的運動方程得出球體等速下沉?xí)r所受阻力等于水中重力，即： 或 CD=24/Re2-3 泥沙顆粒的沉速 4、紊流狀態(tài) 據(jù)試驗得：CD=0.45或0.43 5、過渡狀態(tài) 目前無理論分析公式，一般靠實驗解決。2-3 泥沙顆粒的沉速 “分離角” 竇國仁 從球體運動的直接觀察中表明：只有在Re很小時，水流才以層流狀態(tài)繞過球體，水流與球體之間無分離現(xiàn)象（繞流阻力以表面摩擦力為主）；當(dāng)Re較大時，流線發(fā)生彎曲并產(chǎn)生分離現(xiàn)象，

11、即處于過渡區(qū)；隨著Re分離區(qū)域不斷擴(kuò)大，其大小可用分離角表示（表面阻力形狀阻力）；當(dāng)Re很大時，可以假定，此時球體周圍布滿漩渦，因而處于紊流狀態(tài)。2-3 泥沙顆粒的沉速三、影響沉速的因素 1、泥沙形狀 單顆粒：球體所受阻力最小，形狀越不 規(guī)則，阻力。 平均情況：阻力為球體阻力的4/3倍，一 般為偏平形狀，橢球體沿長軸下沉?xí)r，阻力修正系數(shù)小。 2、溫度 影響粘滯系數(shù)（隨溫度變化敏感）2-3 泥沙顆粒的沉速3、含鹽度 含鹽度，鹽水和，阻力， 含鹽度，促使細(xì)顆粒泥沙絮凝成團(tuán)，顆 粒變大，使。“絮凝現(xiàn)象” ：一方面細(xì)顆粒表面包圍著雙電層，當(dāng)兩顆粒相互接近時產(chǎn)生排斥力，另一方面因顆粒表面帶有極性，具有彼

12、此吸引的分子引力。當(dāng)兩顆粒碰撞時，若吸引力排斥力則顆粒就互相粘結(jié)在一起（成團(tuán)）產(chǎn)生絮凝。2-3 泥沙顆粒的沉速 吸引力與介質(zhì)關(guān)系不大，但雙電層斥力與之關(guān)系密切。介質(zhì)中離子濃度或離子化合價則斥力，從而易產(chǎn)生絮凝。故當(dāng)粘性細(xì)顆粒沙進(jìn)入河口遇到離子濃度很高的海水時常看到此現(xiàn)象。說明： 此現(xiàn)象隨含鹽度而，但變化緩慢，若在高含沙濃度時變化不明顯。2-3 泥沙顆粒的沉速 影響絮凝的因素： 鹽度、水溫影響排斥力； 含沙濃度、紊動增加碰撞幾率，利于絮凝，使，但反過來紊動易破壞已有絮團(tuán)。 “上清下渾”：（實驗室） 當(dāng)細(xì)顆粒濃度較低時，絮團(tuán)互不相連，單個絮團(tuán)細(xì)顆粒個體；當(dāng)S時，絮團(tuán)相連絮網(wǎng)結(jié)構(gòu)，其大幅，形成一個整

13、體緩慢下沉，在水體頂部呈現(xiàn)一個不斷下降的清、渾水交界面。2-3 泥沙顆粒的沉速 含沙濃度S：群體沉速 S小，則干擾?。囝w沉降時彼此影響小）自由沉降；S大加大沉降阻力，使。 粗顆粒：S對影響表現(xiàn)在顆粒下沉?xí)r誘發(fā)了向上的水流，擾動并加大了渾水重率，從而減少了顆粒的有效重力等因素，使 細(xì)顆粒：除上述影響外，主要是含沙量促進(jìn)絮凝（利于 ）；加大渾水粘滯性，使。2-3 沉速小結(jié) 水力粗度是泥沙的一個重要特性。在許多情況下，反應(yīng)了泥沙在與水流交互作用時對機(jī)械運動的抗拒能力。組成河床的泥沙，可動性；隨水流運動的泥沙，則沉淀的傾向。 關(guān)于河道分析演變過程中，很少課題是與無關(guān)的。 2-4 含沙水體（渾水）的性

14、質(zhì)一、基本概念 1、渾水的容重 單位體積渾水的重量，記為m 。 2、含沙量 單位體積渾水中固體泥沙顆粒所占的比例。兩種表達(dá)方式：重量含沙量SW和體積比含沙量SV。2-4 含沙水體（渾水）的性質(zhì) 3、兩者關(guān)系2-4 含沙水體（渾水）的性質(zhì)二、含沙水體的流型 1、概念： 均質(zhì)懸液處于剪切流動時，不同流層的流速不同，不同流層間的剪切力作用使流體微團(tuán)產(chǎn)生變形，稱為流變。其剪切變形率與切應(yīng)力的關(guān)系稱為流變特性。 不同流變的類型稱為流型。 2、基本分類 牛頓流體、理想塑性體、胡克型物體。含沙水體的流型流體類型剪切應(yīng)力的變化牛頓流體非牛頓流體流型不隨時間而變賓漢流體偽塑性流體剪切應(yīng)力的增加率隨切變率的增加而

15、減小膨脹體隨之增大而增大有屈服應(yīng)力的偽塑性體與t有關(guān)觸變體固定切變率下，剪切應(yīng)力隨時間減小凝膠體隨時間增大2-4 含沙水體（渾水）的性質(zhì)3、影響渾水流變特性的原因（泥顆） 流線在泥沙顆粒附近的變形。 非球形顆粒，尤其是片狀或棍狀顆粒，在流體中受剪切后，將重新安排它們的位置，使長軸平行于剪切的方向。 細(xì)顆粒之間因絮凝形成絮團(tuán)、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。 這種絮團(tuán)和結(jié)構(gòu)往往很脆弱，對剪切作用很敏感。（易破壞和重新形成） 顆粒（棍狀）易吸附水膜 因絮凝作用形成的鏈或框架有一定的彈性。2-4 含沙水體（渾水）的性質(zhì)三、泥沙運動形式的分類 1、按運動形式（群體） 懸移質(zhì)懸沙 以懸浮形式運動的泥沙。 推移質(zhì)底沙 以滾動（

16、包括層移）、躍移形式運動的顆粒，主要在河床附近運動。 床沙：床面上的靜止泥沙。2-4 含沙水體（渾水）的性質(zhì)2、按參與河床變形程度 床沙質(zhì)造床質(zhì) 運動的泥沙中相當(dāng)于組成河床主體的粗沙，同時與水流條件有密切關(guān)系，不斷與河床上的泥沙進(jìn)行交換的泥沙群體。包括懸移質(zhì)中粒徑較粗的泥沙和全部的推移質(zhì)。 沖瀉質(zhì)非造床質(zhì) 組成床沙的細(xì)粒泥沙，且與水流條件關(guān)系不密切，不與河床上的泥沙進(jìn)行交換。全部屬于懸移質(zhì)。2-4 含沙水體（渾水）的性質(zhì) 附表： 泥沙輸運量劃分方法注：以z=0.06為區(qū)分床沙質(zhì)和沖瀉質(zhì)的界限； 以z=4區(qū)分懸移質(zhì)和推移質(zhì)； 懸浮指標(biāo)z=/（U）名稱劃分依據(jù)輸運方式粒徑、來源、造床作用全沙質(zhì)沖瀉

17、質(zhì)懸移質(zhì)細(xì)沖瀉質(zhì)（非造床質(zhì)）懸移床沙質(zhì)粗床沙質(zhì)（造床質(zhì)）推移質(zhì)推移質(zhì)床沙質(zhì)和沖瀉質(zhì)的基本性質(zhì)3、懸移質(zhì)和推移質(zhì)的區(qū)別表現(xiàn)推移質(zhì)懸移質(zhì)運動規(guī)律水流對床面顆粒直接作用力靠水流紊動得以懸浮能量來源主要來自于水流勢能紊動能量和本身勢能對河床作用通過粒間離散力直接作用河床，增加床面阻/壓力和河床穩(wěn)定性，影響顆粒本身。增加水流重率和靜水壓力，影響顆粒間水體河道演變最大較粗泥沙造床過程在彎道螺旋流作用下，從凹岸凸岸淤積。大部分下泄2-4 含沙水體（渾水）的性質(zhì) 4、推移質(zhì)和懸移質(zhì)的聯(lián)系 隨水流條件的改變而相互交換，但沒有明顯界限。當(dāng)水流條件減弱，泥沙為了適應(yīng)它，通過若干時間、流程后，有大量的懸沙沉積于河床底

18、部，成為推移質(zhì)的一部分；反之若流速，因推移質(zhì)反應(yīng)敏感，起動的泥沙以跳躍形式運動了一段距離后，若遇到較強(qiáng)的紊動水團(tuán)，可以卷入漩渦成為懸沙的一部分。2-4 含沙水體（渾水）的性質(zhì) 即流速，水流與顆粒的迎面壓力，上舉力、懸浮力，沙粒跳躍越高，運移越遠(yuǎn)，承受懸浮機(jī)會，轉(zhuǎn)變?yōu)閼疑车目赡堋?同一顆泥沙，在一個時間一種水流條件下可以是以推移質(zhì)形式出現(xiàn)；在另一個時間另一種水流條件下可以是以懸移質(zhì)形式出現(xiàn).附1：異重流1、定義 兩種重率（密度）相差不大、可以混合的流體由于密度的差異而發(fā)生的流動，也稱密度流（density current）。 在運動過程中各種流體能保持其原來的面貌，不因交界面上的紊動而發(fā)生全局性的混合現(xiàn)象，如