河道水流和泥沙的一般特性

河道水流和泥沙的一般特性第1頁/共56頁河流動(dòng)力學(xué)河道水流的一般特性第2頁/共56頁河流動(dòng)力學(xué)河道水流的基本特性天然河道中的水流屬于明渠流，在很多情況下可以沿用水力學(xué)中明渠流的有關(guān)結(jié)果二相流特性三維性不恒定性非均勻性第3頁/共56頁河流動(dòng)力學(xué)河道水流中的阻力明渠二維水流的阻力損失第4頁/共56頁河流動(dòng)力學(xué)河道水流阻力損失與水力學(xué)中順直管道和棱柱體明槽水流中發(fā)生的紊動(dòng)相比，河道水流的紊動(dòng)在尺度、紊源上要復(fù)雜得多明槽主要是粗糙邊壁附近小尺度的紊動(dòng)，由大、中、小尺度構(gòu)成的紊動(dòng)結(jié)構(gòu)雖不能完全排除，但不占主導(dǎo)地位河道水流，根據(jù)張瑞理的研究，紊源除了普通意義的粗糙邊壁外，還包括河勢(shì)、河相、成型淤積體、河底或河岸的大凸大凹、沙紋及沙波等，這些紊源的尺度是邊壁粗糙完全不能比擬的第5頁/共56頁河流動(dòng)力學(xué)因此對(duì)于河道水流，“糙率系數(shù)”n的內(nèi)含應(yīng)該是極為復(fù)雜的作為屬于阻力平方區(qū)的時(shí)均流速U的表達(dá)式中代表水流阻力效果的綜合因素，它當(dāng)然直接與水流中的紊源和紊動(dòng)結(jié)構(gòu)有關(guān)，與大至河勢(shì)，小至河床床沙粒徑有關(guān)第6頁/共56頁河流動(dòng)力學(xué)河道水流的運(yùn)動(dòng)特性第7頁/共56頁河流動(dòng)力學(xué)河道水流的流型、主副流及流速分布河道水流的流型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)。它一般是在重力作用下產(chǎn)生的。在流動(dòng)過程中，水流的流線基本上是相互平行的，水流的速度向量也是互相平行的，而且都平行于河槽的軸線第8頁/共56頁河流動(dòng)力學(xué)河道水流的主流與副流副流與主流不同是由于縱比降以外的其它因素所促成的副流實(shí)際是在水流內(nèi)部產(chǎn)生的一種大規(guī)模的水流旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。它可以因重力作用而引起，也可在其它的力(內(nèi)力或外力)作用下產(chǎn)生。在副流中，有的具有復(fù)歸性，或者基本上與主流脫離，在一個(gè)區(qū)域內(nèi)呈循環(huán)式的封閉流動(dòng)；或者與主流或其它副流結(jié)合在一起。呈螺旋式的非封閉的復(fù)歸性流動(dòng)。具有復(fù)歸性的次生流，我們稱之為環(huán)流因產(chǎn)生的原因不同，具有不同的軸向第9頁/共56頁河流動(dòng)力學(xué)河道水流的流速分布第10頁/共56頁河流動(dòng)力學(xué)第11頁/共56頁河流動(dòng)力學(xué)河道水流中環(huán)流結(jié)構(gòu)

因產(chǎn)生原因的不同，環(huán)流可以分為因離心力產(chǎn)生的彎道環(huán)流、因柯里奧里（G．Criorid)力而產(chǎn)生的環(huán)流、因水流與固體周界分離而產(chǎn)生的環(huán)流等等。水流在彎道內(nèi)作曲線運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，必然產(chǎn)生指向凹岸的離心力。水流為了平衡這個(gè)力。通過調(diào)整，使得凹岸的水面升高，凸岸方向的水面降低，從而形成橫比降第12頁/共56頁河流動(dòng)力學(xué)彎道環(huán)流圖圖中，a為平面，b為橫剖面第13頁/共56頁河流動(dòng)力學(xué)河流泥沙的來源和組成第14頁/共56頁河流動(dòng)力學(xué)泥沙的來源河流泥沙的最根本來源是巖石的風(fēng)化河流中運(yùn)動(dòng)著的泥沙，其來源主要包括流域地表的沖蝕和河床的沖刷風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)給河流帶來的泥沙首先在規(guī)模上不如前二者；其次，從廣義的角度也可以歸入流域地表的沖蝕；再者，風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)帶來的泥沙絕大部分屬于沖瀉質(zhì)，對(duì)河流的沖淤影響較小流域地表的侵蝕與氣候、土壤、地形地貌及人類活動(dòng)等因素有關(guān)黃河中游的黃游地區(qū)，7~8月份降雨最多，且多為暴雨，其它條件也較差，所以地表侵蝕最為嚴(yán)重；而在我國南部省份．雖然也有暴雨，但土壤結(jié)構(gòu)密實(shí)，植被覆被較好，所以其輸沙量模數(shù)多在1000t／(km2/a)以下地形對(duì)流域的侵蝕，也起著重要的作用。坡度大則地面徑流下滲量小、匯流速度大，侵蝕作用也隨之增大，侵蝕量也隨坡長的增大而增加第15頁/共56頁河流動(dòng)力學(xué)第16頁/共56頁河流動(dòng)力學(xué)第17頁/共56頁河流動(dòng)力學(xué)第18頁/共56頁河流動(dòng)力學(xué)第19頁/共56頁河流動(dòng)力學(xué)第20頁/共56頁河流動(dòng)力學(xué)從流域地表侵蝕下來的泥沙，經(jīng)過河流的搬運(yùn)作用，大部分匯流大海，但也有不少沉積在低洼湖泊地帶我國幾條大河的河口地區(qū)和洞庭湖、都陽湖等大湖泊，都屬于這樣的堆積區(qū)從流域地表沖蝕而來的泥沙數(shù)量，通常是用每平方公里地面每年沖蝕若干噸泥沙來衡量，稱為侵蝕模數(shù)，也稱輸沙量模數(shù)。下圖為我國輸沙量模數(shù)分布情況第21頁/共56頁河流動(dòng)力學(xué)第22頁/共56頁河流動(dòng)力學(xué)泥沙隨水流匯集到河流之中，加上河床上泥沙被水流沖刷起來，使得河道水流中含有一定數(shù)量的泥沙，常以每單位體積河水中的泥沙重量表示河流的含沙量。一般來說，我國北方，特別是黃河中游的一些干支流，年平均含沙量有些高達(dá)300kg／m3以上；而在南方一些省份，年平均含沙量不足1kg／m3，這樣的分布狀況，是與我國各地區(qū)的水土流失程度緊密相關(guān)的。下表是我國及國外一些主要河流水沙特征值的統(tǒng)計(jì)資料。附表第23頁/共56頁河流動(dòng)力學(xué)泥沙的礦物成分與分類泥沙的礦物成分既然泥沙來源于巖石風(fēng)化，則風(fēng)化巖石的礦物成分決定泥沙的礦物成分；不同的風(fēng)化方式對(duì)巖石礦物成分的影響程度不同，因此風(fēng)化方式也影響泥沙的礦物成分物理風(fēng)化、化學(xué)風(fēng)化以及生物過程礦物的物理性質(zhì)比重或密度：2.65硬度：≧5，水輪機(jī)過流部件硬度一般≦5第24頁/共56頁河流動(dòng)力學(xué)河流泥沙的分類礦物分、運(yùn)動(dòng)方式分類以及粒徑分類我國泥沙分類的分界數(shù)字為：200—20—2—1/20—1/200(即200—20—2—0.5—0.005)第25頁/共56頁河流動(dòng)力學(xué)泥沙的粒徑大小與泥沙的水力學(xué)特性與物理化學(xué)特性有著密切的關(guān)系不同粒徑級(jí)的顆粒所形成的土壤具有不同的力學(xué)性質(zhì)不同粒徑級(jí)的顆粒具有不同的礦物組成不同粒徑級(jí)的顆粒具有不同的物理化學(xué)特性第26頁/共56頁河流動(dòng)力學(xué)河流泥沙的幾何特性第27頁/共56頁河流動(dòng)力學(xué)泥沙的粒徑泥沙的幾何特性系指泥沙顆粒的形狀和大小，或者說泥沙顆粒的形狀與粒徑泥沙的粒徑泥沙的粒徑是泥沙顆粒大小的量度所謂等容粒徑，就是體積與泥沙顆粒相等的球體的直徑。設(shè)某一顆沙的體積為v，則其等容粒徑為，單位mm第28頁/共56頁河流動(dòng)力學(xué)第29頁/共56頁河流動(dòng)力學(xué)泥沙的粒徑（續(xù)）對(duì)較粗的天然沙粒測(cè)量成果的統(tǒng)計(jì)分析表明，沙粒的中軸長度，和其長、中、短三軸的幾何乎均值(即等容粒徑)接近相等且略大對(duì)于粒徑在0.062~32.0mm之間的沙粒，一般采用篩析法用篩析法量得的粒徑應(yīng)相當(dāng)于各粒徑組界限沙粒的中軸長度?？梢越频乜闯傻热萘剑蛘咧苯臃Q為篩徑對(duì)于粒徑在0.062mm以下粉粒和粘粒，已不可能進(jìn)一步篩分，只能采用沉降法第30頁/共56頁河流動(dòng)力學(xué)泥沙的粒配曲線通過對(duì)沙樣顆粒組成的分析，得出其中各粒徑級(jí)的重量百分比或者小于某粒徑的重量百分比，并據(jù)以繪制如右圖所示的泥沙粒配曲線粒配曲線可直接表現(xiàn)泥沙沙樣粒徑的大小和沙樣的均勻程度Ⅱ代表較細(xì)的沙樣Ⅰ代表較均勻的沙樣第31頁/共56頁河流動(dòng)力學(xué)從粒配曲線上，可以查出小于某粒徑的泥沙在總沙樣中占的重量百分?jǐn)?shù)在總沙樣中占某重量百分?jǐn)?shù)的泥沙的上限粒徑后者通常以重量百分?jǐn)?shù)為腳標(biāo)，附注在粒徑的右下角，表示該上限粒徑如d5、d20、d50、d90等d50稱為中值粒徑，它表示在全部沙樣中，大于和小于這一粒徑的泥沙重量剛好相等第32頁/共56頁河流動(dòng)力學(xué)第33頁/共56頁河流動(dòng)力學(xué)三、泥沙的空隙率孔隙率：泥沙中孔隙的容積占沙樣總?cè)莘e的百分比稱為孔隙率

泥沙孔隙率因沙粒的大小及均勻度、沙粒的形狀、沉積的情況以及沉積后受力大小及歷時(shí)長短而有不同。對(duì)各類泥沙孔隙率一般為粗沙：的孔隙率39％～40％，中沙：41％-48％，細(xì)沙：44％—49％。

黃河的河漫灘沉積物就因孔隙率的不同而有“鐵板抄”與“晃灘沙”的區(qū)別。第34頁/共56頁河流動(dòng)力學(xué)通常泥沙的平均粒徑與中值粒徑直并不相等。二者之間的關(guān)系應(yīng)為關(guān)于沙樣的均勻程度，常采用如下形式的非均勻系數(shù)或稱揀選系數(shù)非均勻系數(shù)等于1，則沙樣均勻；愈大于1，則越不均勻第35頁/共56頁河流動(dòng)力學(xué)細(xì)顆粒泥沙的物理化學(xué)特性第36頁/共56頁河流動(dòng)力學(xué)電化學(xué)性質(zhì)1、比表面積：泥沙顆粒表面積與其體積之比比表面積的意義：反映泥沙顆粒的物化作用與重力作用的相對(duì)越大，物化作用就越大（顆粒越細(xì)，該值越大）大小，第37頁/共56頁河流動(dòng)力學(xué)電化學(xué)性質(zhì)2、雙電層及吸附水膜的特性（1）細(xì)泥沙顆粒在含有電解質(zhì)的水中，顆粒周圍會(huì)形成雙電層、吸附水膜。

細(xì)泥沙顆粒表面帶有負(fù)電荷，吸引反離子，形成吸附層（固定層）＋擴(kuò)散層

細(xì)泥沙顆粒表面帶有負(fù)電荷，同時(shí)也吸引水分子形成粘結(jié)水＋粘滯水＝束縛水

第38頁/共56頁河流動(dòng)力學(xué)（2）雙電層的電位變化泥沙顆粒表面帶負(fù)電荷后，就有一定的電位值，此電位值與擴(kuò)散層外的自由電位之差稱為熱力學(xué)電位，或ψ0電位。在吸附層內(nèi)，電位線性降落，所剩余的電位差，即吸附層與擴(kuò)散層交界面的電位與擴(kuò)散層外自由電位之差稱為電動(dòng)電位，或ζ電位。

ζ電位的數(shù)值及雙電層的厚度與水中電解質(zhì)的離子濃度及價(jià)數(shù)有關(guān)。第39頁/共56頁河流動(dòng)力學(xué)壓密過程與物理性質(zhì)的變化

沙、礫石、卵石類粗顆粒泥沙一旦沉積到河底，不再壓密

細(xì)顆粒泥沙，特別是粘土顆粒在沉積時(shí)會(huì)連結(jié)成絮團(tuán)，在自重或其他外力的作用下，沉積固結(jié)過程如下：第40頁/共56頁河流動(dòng)力學(xué)泥沙的重力特性第41頁/共56頁河流動(dòng)力學(xué)泥沙的一般重力特性泥沙的容重與密度泥沙各個(gè)顆粒實(shí)有重量與實(shí)有體積的比值，稱為泥沙的容重或重度，采用國際單位為牛/米3(N/m3)由于構(gòu)成泥沙的巖石成分不同．泥沙的容重

也不相同，常以26kN／m3(國際單位)或2650kgf／m3(工程單位)為代表值α有效容重系數(shù)或有效密度系數(shù)第42頁/共56頁河流動(dòng)力學(xué)泥沙的干容重與干密度沙樣經(jīng)100~l05℃溫度烘干后，其重量與原狀沙樣整個(gè)體積的比值，稱為泥沙的干容重，單位為N/m3

泥沙干容重與粒徑的大小、埋藏的深淺，以及淤積歷時(shí)的長短有關(guān)，其變化幅度是相當(dāng)大的實(shí)際觀測(cè)資料中，曾經(jīng)得到的淤積泥沙干容量的變化幅度約在2.94~21.56kN/m3泥沙的水下休止角在靜水中的泥沙，由于摩擦力的作用，可以形成一定的傾斜面而不致塌落，此傾斜面與水平面的交角φ稱為泥沙的水下休止角，其正切值即為泥沙的水下摩擦系數(shù)f，即第43頁/共56頁河流動(dòng)力學(xué)泥沙的沉陣速度沉降形式泥沙在靜止的清水中等速下沉?xí)r的速度，稱為泥沙的沉降速度，簡稱沉速反映著泥沙在與水流相互作用時(shí)對(duì)運(yùn)動(dòng)的抗拒能力。組成河床的泥沙沉速越大，則泥沙參與運(yùn)動(dòng)的傾向越小泥沙重度＞水的重度，在水中的泥沙顆粒將受重力作用而下沉。→→初始速度為零，抗拒下沉的阻力也為零，有效重力起作用，泥沙顆粒的下沉具有加速度?！S著下沉速度的增大，阻力增大，終于使下沉速度達(dá)到某一極限值?！藭r(shí)，泥沙所受的有效重力和阻力恰恰相等，泥沙顆粒的繼續(xù)下沉便以等速方式進(jìn)行泥沙在靜水中下沉?xí)r，從加速到等速所經(jīng)歷的時(shí)間是十分短暫的：3mm，1/10s；1mm，1/20s第44頁/共56頁河流動(dòng)力學(xué)泥沙顆粒在靜水中下沉?xí)r的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與沙粒雷諾數(shù)有關(guān)

式中d和ω分別為泥沙的粒徑及沉速。υ為水的運(yùn)動(dòng)粘滯性系數(shù)當(dāng)Red較小時(shí)（約小于0.5）運(yùn)動(dòng)狀態(tài)屬于滯性狀態(tài)，泥沙顆?；旧涎劂U垂線下沉，附近的水體幾乎不發(fā)生紊亂現(xiàn)象當(dāng)Red較大時(shí)(約大于1000)，泥沙顆粒脫離鉛垂線．以極大的紊動(dòng)狀態(tài)下沉，附近的水體產(chǎn)生強(qiáng)烈的繞動(dòng)和渦動(dòng)，這時(shí)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)屬于紊動(dòng)狀態(tài)當(dāng)Red介于0.5到1000之間時(shí)，泥沙顆粒下沉?xí)r的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)為過渡狀態(tài)第45頁/共56頁河流動(dòng)力學(xué)第46頁/共56頁河流動(dòng)力學(xué)球體的沉速單顆粒圓球在無限水體中等速下沉?xí)r，其沉降可看做對(duì)稱繞流運(yùn)動(dòng)，則繞流阻力的一般表達(dá)式為，其中Cd為阻力系數(shù)，與沉降物體的形狀、方位、表面粗糙度、水流紊動(dòng)強(qiáng)度，特別是沙粒雷諾數(shù)有關(guān)，其尚難以通過理論計(jì)算求得，多通過試驗(yàn)加以確定第47頁/共56頁河流動(dòng)力學(xué)第48頁/