川大水力学教学课件16河渠挟沙水流理论基础

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2011/2/25,#,#,1,第十六章,河渠挟沙水流理论基础,16-1,泥沙特性,16-2,泥沙在静水中的沉降速度,16-3,泥沙的临界推移力与起动流速,16-4,推移质输沙率,16-5,悬移质运动,16-6,悬移质含沙量沿垂线分布,16-7,水流挟沙能力,16-8,冲积河流和挟沙水流的阻力变化,16-9,泥沙连续性方程式,返回目录,#1第十六章 河渠挟沙水流理论基础16-1 泥沙特,1,#,2,第十六章 河渠挟沙水流理论基础,天然河流和无衬砌的渠道，在水面以下的河床部分和水面以上的河岸部分都是由泥沙组成的，水流中也挟带着泥沙。挟带泥沙改变了原来的水流结构，使流速分布和能量损失与清水水流有差异。,在水流作用下，泥沙要运动。运动的方式可能是沿着河床运动，也可能是分布在水流中作上下左右运动。,本章的目的在于探求水流与泥沙相互作用的力学机理和运动规律。,#2第十六章 河渠挟沙水流理论基础 天,2,#,3,16-1,泥沙的特性,一 泥沙的粒径及级配曲线,泥沙的常用表示方法,等容粒径。与泥沙颗粒的体积相等的球体直径称为等容粒径。,筛孔粒径。以泥沙颗粒刚能通过的筛孔大小作为粒径，称为筛孔粒径。,沉速粒径。标准筛最小的空径为,0.623,毫米。与泥沙比重相同，在相同液体中沉降时，具有相同沉速的圆球直径。,大颗粒泥沙的粒径可用算术平均或重量计算法：,#316-1泥沙的特性一 泥沙的粒径及级配曲线泥沙的,3,川大水力学教学课件16河渠挟沙水流理论基础,4,川大水力学教学课件16河渠挟沙水流理论基础,5,#,6,（）几何平均粒径，用下式表示：,或,#6（）几何平均粒径，用下式表示：或,6,#,7,二 泥沙的容重及干容重,泥沙的容重,系指沙粒的重量与沙粒体积的比值，其值在,26000,牛顿米,至,27000,牛顿米,之间，在应用上一般可取起平均值,26500,牛顿米,。,淤积泥沙的干容重,系指沙样在,100,105,的温度下烤干后的重量与沙粒的孔隙体积之和的比值，由于孔隙随泥沙的级配及淤积久暂而变化，,所以变化的幅度较大，可由,300,牛顿米,至,17000,牛顿米,。,#7二 泥沙的容重及干容重泥沙的容重系指沙粒的重量与沙,7,#,8,三 河流泥沙的分类及运动形式,按照泥沙的运动状态，可以分为推移质（底沙）,和悬移质两类。,从河床的演变来看泥沙可分为造床泥沙与非造床泥沙。,1.,细颗粒泥沙的运动。细的泥沙在比较小的流速时就,开始运动。,2.,粗颗粒泥沙的运动。当流速逐渐增大，粗颗粒就开,始运动。,3.,沙纹与沙垄。,#8三 河流泥沙的分类及运动形式 按照泥沙的运动,8,#,9,水流的脉动，使作用在河床上的作用力也为脉动量。,河床原来是平整的，由于水流的脉动，使瞬时流,速较大地点发生冲刷，而在速度较小的地方淤积，河床就失去平整。,在非均匀沙组成的河床上，细沙先冲走，亦开始,使河床失去平整。,河床失去平整以后，少量泥沙聚集在床面的某些,部位，形成小丘，在小丘后面形成旋涡。,#9水流的脉动，使作用在河床上的作用力也为脉动量。,9,#,10,泥沙沿着迎水面运动，到达小丘顶点后，落入背,水面的旋涡中，在那里沉积下来，床面就形成了高低不平的沙纹，沙纹的迎水面不断冲刷，背水面逐渐淤积而延伸，使整个沙纹向前移动。如下图,#10 泥沙沿着迎水面运动，到达小丘顶点后，落入,10,#,11,河床形成沙纹,以后，水面因河床的起伏而波动，仍保持（如图,a,）。,如继续增大流,速，但,Fr,仍小于,1,，沙纹的长与高将增大，终于使水面的波峰出现降落，而波谷处的水面隆起（如图,b,）。,#11 河床形成沙纹以后，水面因河床的起伏而波动,11,#,12,如流速加大至沙垄,顶附近水流的垂直脉动,流速大于泥沙的趁奖速,度，则泥沙到达沙垄顶,以后，就转入悬浮状态，河床又恢复平整（如图,c,）。,4.,立波与逆行沙垄。在,水深较浅的地方，河床的起伏使水面做相应的起伏（如图,d,）。,沙纹，沙垄，立波，逆行沙垄等河床形态统称沙波。,#12 如流速加大至沙垄 4.立波与逆行沙垄。在,12,#,13,16-2,泥沙的静水中的沉降速度,如下图所示为球体在液体中沉降的三种状态。,（,a,）为球体做层流沉降时，流线紧贴球体，只受表面阻力的作用,（,c,）为球体做紊流沉降时，边界层分离，球的后部产生旋涡，阻力主要是形状阻力,（,b,）表示球体过渡状态沉降，这时表面阻力与形状阻力都应同时考虑,#1316-2 泥沙的静水中的沉降速度如下图所示为球,13,#,14,球体在静止液体中沉降的普通公式,一 层流沉降,二 紊流沉降,三 过渡区沉降,#14球体在静止液体中沉降的普通公式一 层流沉降二 紊,14,#,15,（,1,）球体做层流沉降时 与,d,2,成正比，与 成反比,（,2,）球体在过渡区沉降时 与,d,成正比，与 成反比,综上所述：,（,3,）球体做紊流沉降时 与 成正比，与 成反比。,#15（1）球体做层流沉降时 与d2成正比，与,15,#,16,由实验得出的 值，见下图。,#16由实验得出的 值，见下图。,16,#,17,16-3,泥沙的临界推移力与启动流速,泥沙的启动标准：,第一，河床上的局部地方，屈指可数的泥沙已运动到无法估计的程度；,第二，河床上平均粒径的泥沙已运动到无法估计的程度；,第三，各种大小的泥沙都已投入运动，床面形态发生改变，称为普通移动。,#1716-3 泥沙的临界推移力与启动流速泥沙的启动,17,#,18,右图为河床沙,粒的受力情况。主要有水流的水平推力，垂直上举力和泥沙在水中的重量三种。,系数,K,中包括有：,均与泥沙形状和组成有关。,#18 右图为河床沙粒的受力情况。主要有水流的水,18,#,19,希尔兹将上式改写为：,点绘实验成果如下图,:,#19希尔兹将上式改写为：点绘实验成果如下图:,19,#,20,16-4,推移质输沙率,推移质输沙率的影响因数个归纳为下面四类：,一 从河底切力出发,流速直线分布如图,法国杜勃埃提出的输沙率公式：,二 以流速为主要参数,列维公式,#2016-4 推移质输沙率推移质输沙率的影响因数个,20,#,21,三 应用功率原理,根据功率原理与无量纲数表达,的爱克斯和怀特,1973,年提出的公式,四 应用纪律概念,根据统计法则建立的推移质输,沙率公式参阅爱因斯坦著，,“,明渠水流的挟沙能力,”,。此处略。,#21三 应用功率原理 根据功率原理与无量纲数表达的爱,21,#,22,16-5,悬移质运动,泥沙从河底起来以后，如果遇到具有足够强度和尺度的,紊动旋涡就会悬浮起来。紊流旋涡的强度和尺度和水力条件有关，泥沙开始悬浮和悬浮的沙量也与水力条件有关。,常用的含沙浓度表示方法有下列三种：,体积百分比,重量百分比,混合表达式,#2216-5 悬移质运动 泥沙从河底起来以后，,22,#,23,三者的关系为：,#23三者的关系为：,23,#,24,16-6,悬移质含沙量沿垂线分布,二元稳定均匀流情况下悬移质含沙量沿垂线分布的,基本微分公式：,相对含沙量与相对水深的关系,#2416-6 悬移质含沙量沿垂线分布 二元稳定,24,#,25,当,0.0004 0.002,当,0.002 0.008,时,16-7,水流挟沙能力,1.,从能量平衡的概念出发，应用量纲分析的方法，,v,为断面平均流速；,M,为系数；,m,为指数。,2.,根据黄河干流及无定河，渭河，伊洛河的实测资料得,3.,扎马林公式,#25当 0.0004 0.002当,25,#,26,16-8,冲击河流的挟沙水流的阻力变化,一 河床形态改变对阻力的影响,左下图为水流阻力系数与流速的关系。,右下图为实测成果绘出的水流阻力，,Fr,和,d/R,间的关系,#2616-8 冲击河流的挟沙水流的阻力变化一 河床,26,#,27,二 含沙量对水流阻力的影响,左图为范诺尼的矩形水槽实验成果,下图是从能量观点出发绘制的,#27二 含沙量对水流阻力的影响左图为范诺尼的矩形水槽,27,#,28,左下图为南京水利科学研究所的钢板水槽实验资料，,右下图为长江，黄河实测资料,#28左下图为南京水利科学研究所的钢板水槽实验资料，右,28,#,29,16-9,泥沙连续性方程式,或,利用这个方程式，在已知水面曲线的情况下，就可分时段和河段算出淤积在坝上游的淤积量和坝下游的冲刷量。,#2916-9 泥沙连续性方程式或利用这个方程式，,29,