講義《河流動力學》大學教材課件懸移質(zhì)運動和水流挾沙力

第五章懸移質(zhì)運動和水流挾沙力§5-1懸移質(zhì)概述

＊懸浮是泥沙運動的主要方式之一。就我國的情況說，沖積平原中諸多河流所挾帶的泥沙懸移質(zhì)占主要或絕大部分﹤多沙河﹥。在一部分山區(qū)和丘陵地區(qū)的河流中，它也占重要位置，這是由地形（質(zhì)）、水文等條件使然的?！?-1懸移質(zhì)概述一、如何懸浮？重力作用——泥沙抗拒懸浮的主要因素紊動作用——促使泥沙懸浮泥沙在懸浮過程中所遵循的運動規(guī)律，在本質(zhì)上歸結(jié)于這兩種作用的矛盾統(tǒng)一關(guān)系?！?-1懸移質(zhì)概述

★紊動作用如何抗拒重力作用托起泥沙？在挾帶懸移質(zhì)的水流中，含沙量沿垂線分布不均勻：愈接近底部含沙量愈大，愈接近表面含沙量↓，即沿垂線向存在含沙量的梯度。在一個較長時段中，由于紊動作用上浮的泥沙量多于由于紊動作用下沉的泥沙總量，即在垂向上紊動起著上托泥沙的作用。故含沙量沿垂線的梯度是重力作用與垂向上的紊動作用的產(chǎn)物。§5-1懸移質(zhì)概述★懸浮機理：

紊動水流上、下流層存在強烈的摻混作用。盡管由于連續(xù)定律知：通過單位截面的向上水體等于向下水體的體積，但因含沙濃度上稀下濃，等體積的向上水體可以比向下水體攜帶更多的泥沙量，產(chǎn)生促使泥沙向上運動的懸浮作用以抗拒重力作用，從而導致泥沙的懸浮?！?-1懸移質(zhì)概述紊動擴散作用：由于紊動擴散將懸移質(zhì)從高濃度區(qū)向低濃度區(qū)擴散的作用。重力＞紊擴作用，泥沙下沉，表現(xiàn)為淤積；重力＜紊擴作用，泥沙懸移，表現(xiàn)為沖刷；重力＝紊擴作用，平衡（S↑），不沖不淤。懸移質(zhì)運動過程——重力與紊動擴散作用抗衡的過程?！?-1懸移質(zhì)概述

★影響懸浮的因子？

⑴泥沙粒徑、重率、ω重力作用

⑵水流的紊動強度υ′

紊動擴散作用含沙濃度梯度ds/dy

提問：若ω一定，則υ′越大，ds/dy越小時含沙量垂向分布變化？答案：趨向均勻（動態(tài)平衡）§5-1懸移質(zhì)概述問：細沙在靜水中能否懸??？答：顆粒極細的泥沙，雖然重力較水大，但所受的重力作用十分微弱，即便放在在靜止的水中，也可以借助分子的擴散作用與重力作用相抗衡，從而發(fā)生懸浮現(xiàn)象。這是懸移質(zhì)存在的一種特殊狀態(tài)。§5-1懸移質(zhì)概述二、床沙質(zhì)和沖瀉質(zhì)﹤僅限于懸移質(zhì)﹥懸移質(zhì)的組成很不均勻，因為在一定水流條件下，粒徑超過一定限度的泥沙不可能懸浮。對于粗粒徑有確定的界限，而細的沒有明顯的極限粒徑。水流的不穩(wěn)定性及河床形式的不規(guī)則性都對之有影響。

§5-1懸移質(zhì)概述二、床沙質(zhì)和沖瀉質(zhì)﹤僅限于懸移質(zhì)﹥

1、概念

⑴床沙質(zhì)懸移質(zhì)中較粗的一小部分泥沙，在河床中大量存在。

⑵沖瀉質(zhì)懸移質(zhì)中較細的一大部分泥沙，在河床中少有或沒有?！?-1懸移質(zhì)概述二、床沙質(zhì)和沖瀉質(zhì)﹤僅限于懸移質(zhì)﹥

2、區(qū)別

⑴床沙質(zhì)有充分的供給來源，使這部分懸移質(zhì)有維持飽和的機會，其飽和含量可以從水流條件與河床組成條件的相互關(guān)系中確定。

⑵沖瀉質(zhì)則不同，主要依賴水流從上游帶來，在本河段中得不到充分供給（若上游來量超過本河段水流所挾帶的限度則發(fā)生淤積，反之不可能取得應有的補充），即沖瀉質(zhì)可能是不飽和的，其數(shù)量從上游沖蝕條件與本河段的水流相互關(guān)系中探索?！?-1懸移質(zhì)概述二、床沙質(zhì)和沖瀉質(zhì)﹤僅限于懸移質(zhì)﹥

3、聯(lián)系

⑴同屬于懸移質(zhì)，二者在懸浮運動的過程中，對水流紊動有一定影響，而水流紊動又直接關(guān)系著含沙量的多少，二者相對含量的大小相互聯(lián)系、制約。

⑵在一定條件下可以相互轉(zhuǎn)化。由于水流與河床在時間上的不恒定性和在空間上的不均勻性，沖刷和淤積的現(xiàn)象不斷發(fā)生。一定規(guī)模的沖刷現(xiàn)象，通過自然選擇過程，使河床逐漸粗化；相反一定規(guī)模的淤積現(xiàn)象，則促使河床細化。

§5-1懸移質(zhì)概述

※

說明：推移質(zhì)是河床組成中大量存在的，即在河床組成中大量存在的這一部分懸移質(zhì)（床沙質(zhì)）和整個推移質(zhì)的運動狀態(tài)與河床變化發(fā)展息息相關(guān)。在考慮河道演變過程時常把二者作為重要分析對象?！?-2懸移質(zhì)含沙量的垂線分布

﹡泥沙的重力沉降使得含沙水流中沿垂線形成上清下渾的濃度分布。紊流中沿水深不同高度處各層水體之間存在水團的紊動交換，同時引起各水層間泥沙的交換，但上清下渾的濃度分布使得向上運動的水團所挾帶的泥沙量大于向下運動水團所挾帶的沙量，故紊動交換的結(jié)果使泥沙向上運動；又因泥沙比水重而勢必往下沉降。當因紊動作用而上移的沙量恰好等于因重力作用而下沉的沙量時，含沙量沿垂線分布達到平衡狀態(tài)。本節(jié)講述平衡后的含沙量垂線分布規(guī)律?！?-2懸移質(zhì)含沙量的垂線分布一、擴散定律（FickdiffusionLaw）含沙量分布理論——擴散理論、重力理論、混合理論、隨機理論。

擴散定律——當空間不同部位存在某種物質(zhì)的濃度差異時，此物質(zhì)將從濃度高的一方向濃度低的一方擴散，其擴散量等于濃度梯度與擴散系數(shù)之積?！?-2懸移質(zhì)含沙量的垂線分布

擴散理論的基本方程即含沙量分布的Rouse公式：

κ——Karman常數(shù)，取0.4。其中懸浮指標z揭示了重力與紊動作用的相互關(guān)系。z的大小決定了泥沙在垂線上分布的均勻程度。z越小，懸移質(zhì)分布越均勻；反之亦然。Z=5作為泥沙是否進入懸浮狀態(tài)的臨界判別值?！?-2懸移質(zhì)含沙量的垂線分布§5-2懸移質(zhì)含沙量的垂線分布Rouse公式的缺陷：①因不能求絕對含沙濃度，故不能推求懸移質(zhì)輸沙率；②當水面S=0時，河底S→∞，不符合實際；③若S較大、泥沙顆粒較粗，則計算誤差大；④實際Z比計算結(jié)果小，說明實際的懸沙分布更均勻。§5-2懸移質(zhì)含沙量的垂線分布二、重力理論

1、基本觀點維利卡諾夫﹤俄﹥根據(jù)能量平衡原理首創(chuàng)的。他認為：挾帶懸移質(zhì)的水流在運動過程中要消耗能量。所消耗的能量分為兩部分：一部分用于克服邊界的阻力；另一部分用于維持懸移質(zhì)的懸浮。§5-馬2懸移浴質(zhì)含堅沙量茅的垂董線分蹦布重力瀉理論韻的觀造點認腫為：診懸移沈質(zhì)的蒙比重敲一般難比水創(chuàng)大得招多，蔽要使測它在垃水里腎不下秋沉，估水流豈必須六對它饞做功鳥以維濾持懸撲浮，肆即水緊流必克須為含此而玩消耗是能量倦。懸浮型功能——挾沙舞水流寸的能毒損應欠包括宗克服火水流躬阻力允所消頸耗的頓能量激和懸穩(wěn)浮功億?！?-缸2懸移凈質(zhì)含催沙量懂的垂?jié)尘€分要布2、懸駛移質(zhì)墳垂線子分布辮方程§5-吳3懸移型質(zhì)輸卻沙率根據(jù)望前面坑介紹賣的理著論方肌法，悶可以舌求出低懸移也質(zhì)含禍沙量SV及流難速U沿垂逐線的每分布拔。據(jù)渴此可扁計算療出單菜位時疼間內(nèi)啦，河耀道過掏水斷保面中注高程y處單少位時施間、額單位打斷面費面積聲上通缸過的理懸移換質(zhì)沙棄量為U·SV，將頓其沿梁垂線的積分引可得秒全水埋深上鈴的懸鑄移質(zhì)挎單寬染輸沙綠率。另一以個更乖簡便俊的方摘法是甲求解贏得出挎斷面常平均尤含沙濾量和蕩平均蒙流速堂，兩總者之粗積就急是全高斷面供的懸扶移質(zhì)皮輸沙便率?！?-拌3懸移真質(zhì)輸睬沙率一、諒輸沙溜率公計式1、Ei汽ns斧te墨in公式2、Ba儉gn絞ol塊d公式§5-甩3懸移黎質(zhì)輸?shù)裆陈?、張康瑞瑾長修正蹲式§5-鐵3懸移碑質(zhì)輸筆沙率二、秩不平靈衡輸疊沙問微題之前鞠討論儀了泥淡沙運眾動在疏恒定留、均叉勻狀躲態(tài)下養(yǎng)的懸座移質(zhì)杏運動慌，但醒在生趕產(chǎn)實恒際中皆很多端情況現(xiàn)下懸縱移質(zhì)賴泥沙術(shù)處于緣瑞不平搶衡的賴運動下狀態(tài)騰。如待：新童修水言庫下斑游的筑沖刷顫、引敵水渠丟的淤撥積。主要端涉及遙兩方稿面：沖刷濟過程盛中含脹沙量偉沿程饞恢復懷；淤積企過程馳中含蔬沙量瓣沿程可遞減飽?！?-或4水流淘挾沙牧力一、摟涵義在一鹽定邊分界和文水流爬條件森下，備水流鞭所能剪挾帶葡的包串括推射移質(zhì)壁和懸舌移質(zhì)腫在內(nèi)刊的全澤部沙道量。在數(shù)感值上雅等于桐不沖枕不淤淡平衡窮條件甩下的經(jīng)飽和呢含沙旋量（販含沙民濃度言）弱。鑒臨于沖股瀉質(zhì)季和水矮流條曉件無錯關(guān)，屋常處撿于非暑飽和認狀態(tài)紙，故Sm不包描括沖御瀉質(zhì)§5-頸4水流晴挾沙罩力二、勾理論凱公式或﹤課調(diào)本自捷看﹥1、Ei插ns駐te郊in方法2、Ba姜gn僻ol名d方法三、冰經(jīng)驗踏或半皂經(jīng)驗壓方法1、En衡ge蝕lu偷nd蹤蝶-H盞an盛se斤n公式2、Ac湊ke歐rs嗎-W傍hi侍te公式§5-懇4水流慘挾沙挑力3、張怕瑞瑾甜方法“別制紊存功“猾假說——懸移足質(zhì)具壤有抑立制紊輔動的零作用怕，使機水流征條件悅（v、h、B）相用同的后渾水野水流曠比清抓水在途單位切時間秋、單勤位流軍程內(nèi)批的能融損小菌，兩躺者的剛差別賣即制撕紊功伏。據(jù)此花建立吊能量化平衡君方程躁：§5-付4水流溫挾沙掌力→紊動都強度煉指標→相對龍重力緊沉降踐作用→紊動釣擴散正作用惰與重轟力作惑用的夠比值特，越大照說明怨紊動扭越強高，水趁流挾榮沙力條越大§5-樓4水流渣挾沙艷力四、小影響見水流鼻挾沙荷力的學主要么因素1、水蚊流條聲件：U、h、J、g；2、水適流的鍬物理蘇性質(zhì)步：γ、芬；3、泥江沙的跨物理孫性質(zhì)肅：γs、ω、D；4、邊冷界條飯件：抵河床斷物質(zhì)永的組源成和躬河寬開?！?-界4水流奔挾沙營力☆提問貢：水扒流挾至帶懸游沙與漠清水扯比較虎，能謀損有堤無變?；?？簡哪個慢大？第一刑個問螞題首魚先要皂明確杠，腦因為鍛泥沙僻對于哲一種饞水流途好比路一種再“負多擔”滿，若搬其他腫條件甚完全隨相同掌時，飼兩者毛在運榜動時墊消耗隸的能盤量不雜同。誼維持后泥沙祝紊動足懸浮捎所需憶的能游量不姜是直架接來的源于慘水流聲的有敗效能呀量，遍而是租通過削紊動瓣能作割中介繳間接姨取之部的。比較蒸二者缸誰消華耗更浮多能發(fā)量→二者胖阻力矩功誰繞大？逃（主富要取綁決于勉紊動耗作用氏的強圈弱）→誰紊襲動強鞋度高喝？§5-級4水流踐挾沙姑力紊動眠強度紗不變默（ｈ