第次课第章含沙量沿垂线分布课件

,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,*,*,第次课第章含沙量沿垂线分布,6.2,含沙量沿垂线分布,c,、挟沙水流的流速分布符合,Karman-Prandtl,对数流速分布规律，并取卡门常数,k=0.4,；,b,、泥沙紊动扩散系数,s,相等水流动量交换系数,m,（动量扩散系数、动量传递系数）；,1,、,Rouse,方程的推导,（,6-16,）,、基本假设,6.2.1,罗斯公式,（,6-10,）,2,水流切应力沿水深变化关系为,b,、紊动切应力的表达式,a,、,m,的表达式, 动量交换系数沿水深分布规律,（,6-10,）,（,a,）,紊动切应力仿照粘滞切应力的表达式可写为,（,6-17,）,（,6-18,）,y,y,h-y,1,、,Rouse,方程的推导,3,（,6-18,）,得,m,沿水深的变化规律如下：,对上式求导，可得,c,、流速梯度的表达式,由以上两式得,1,、,Rouse,方程的推导, 动量交换系数沿水深分布规律,（,6-19,）,（,6-16,）,（,3-38,）,4,从河底高度为,a,处到,y,范围内积分，,Sa,代表参考点,y=a,处的时均含沙量（一般取,a,0.05h,）,分离变量，得, 含沙量沿水深分布方程,（,6-10,）,1,、,Rouse,方程的推导,（,6-20,）,y,y,5,从河底高度为,a,处到,y,范围内积分，,Sa,代表参考点,y=a,处的时均含沙量, 含沙量沿水深分布方程,1,、,Rouse,方程的推导,指数,z,称为悬浮指标,上式即为二维恒定均匀流平衡情况下，相对含沙量沿水深分布方程式，一般又称为,Rouse,方程。,(6-21,）,6,a,、,z,包含了泥沙粒径和水力条件等因素，是反映泥沙沿垂线分布均匀程度的无因次参数；,悬浮指标 的物理意义,b,、,z,实质上代表重力作用（,）与紊动扩散作用（,U,*,）的对比关系。,、悬浮指标,Z,6.2.1,罗斯公式,7,Einstein,建议，将,z5,作为泥沙是否进入悬浮状态的临界判别值。,z5,，推移质；,z5,，为悬移质。,(,第,9,次课结束,),d,、泥沙悬浮高度可以看作是,z,的函数。当,z5,时，悬移质相对含沙量接近于,0,，说明以悬浮形式运动的泥沙数量甚微。,c,、如图,6-3,所示，,z,值越大，表示重力作用相对于紊动扩散作用越强，泥沙分布越不均匀；,z,值越小，表示重力作用相对于紊动扩散作用越弱，泥沙分布越均匀。,、悬浮指标,Z,6.2.1,罗斯公式,8,1,、对公式结构的检验,6.2,含沙量沿垂线分布,6.2.2,公式的验证,悬移质含沙量沿垂线分布的室内实验结果,（,1,）公式结构,(6-21,）,9,1,、对公式结构的检验,6.2,含沙量沿垂线分布,6.2.2,公式的验证,（,2,）悬浮指标,Z,图,6-5,含沙量沿垂线分布公式中指数的实测值,Z1,与理论值的对比,(6-21,）,10,6.2,含沙量沿垂线分布,d,、按照,Rouse,方程计算，水面含沙量总是,0,，床面含沙量总是，这自然不符合实际。,c,、实测的悬浮指标一般较理论计算的偏小，说明实际的含沙量分布较理论计算的更均匀，,Z,值越大，差别越大。,b,、如果泥沙颗粒较粗，含沙量较大，计算结果与实测资料偏离较大；,1,、对公式结构的检验,6.2.2,公式的验证,（,3,）,Rouse,公式存在的问题,(6-21,）,11,c,、挟沙水流流速分布采用对数流速分布，,0.4,。,b,、,沿水深不变；（忽略了含沙量沿垂线的不均匀性对沉速的影响）,a,、泥沙交换系数与动量交换系数相等 ；（没有考虑两种交换性质上的差异）,(4),、,Rouse,方程存在问题的原因,6.2,含沙量沿垂线分布,1,、对公式结构的检验,6.2.2,公式的验证,(6-21,）,12,泥沙扩散系数修正为,（,1,）范诺尼的改进,-,针对实测悬浮指标较理论计算值偏小的改进,6.2.2,公式的验证,2,、,Rouse,公式的改进,泥沙交换系数与动量交换系数沿垂线分布,为大于,1,的比例常数，随泥沙的粗细而变化。,13,悬浮指标改写为,泥沙扩散系数修正为,6.2.2,公式的验证,2,、,Rouse,公式的改进,(6-22,）,修正后的含沙量沿水深分布方程为,（,1,）范诺尼的改进,-,针对实测悬浮指标较理论计算值偏小的改进,14,上式中的,z,为,Rouse,公式中的悬浮指标,对于天然河流可由谢鉴衡给出的下面的关系式决定,对于形态规则的渠道，可,z,1,由图,6-5,中的曲线确定；,（,2,）谢鉴衡的改进,-,改进后的悬浮指标,z,1,的取值问题,6.2.2,公式的验证,2,、,Rouse,公式的改进,(6-22,）,15,（,3,）针对水面含沙量总是零的改进,6.2.2,公式的验证,2,、,Rouse,公式的改进,如果在推导含沙量沿垂线分布方程时，采用其它适当的流速分布公式，可以避免含沙量在水面总是零的缺点。,当含沙量很高时（数十公斤），应考虑含沙量对沉速的影响。,含沙量不大时，沉速可取清水中的沉速值；,(4),悬浮指标中,的改进,16,根据实测资料，可以采用对数流速分布规律描述挟沙水流的流速分布，但卡门常数有了变化，浑水的卡门系数较清水的小，,k,值随含沙量增大而减小，,k,值减小，流速梯度增大，即挟沙水流的流速分布不如清水中均匀，如图所示。,（,5,）针对浮指标中卡门系数,k,值的改进,6.2.2,公式的验证,2,、,Rouse,公式的改进,清水与浑水水流中流速分布的对比,17,表示将悬沙组成中各粒径级的,求和,是沉速为,的泥沙以重量百分比计的垂线平均含沙量，,可由钱宁实验曲线确定挟沙水流的卡门常数,（,5,）针对浮指标中卡门系数,k,值的改进,6.2.2,公式的验证,2,、,Rouse,公式的改进,悬移质存在对卡门常数,k,值的影响,纵坐标,18,U,*,取与沙粒阻力相应的摩阻流速 ，其计算可按爱因斯坦动床阻力计算方法求得。,a,、当床面平整无沙波时,b,、当床面有沙波存在时,（,6,）针对浮指标中水流剪切流速值,U,*,的修正,6.2.2,公式的验证,2,、,Rouse,公式的改进,19,靠近河底处参考点的含沙量称为临底含沙量，参考点高度的选取,Rouse,给出的是相对含沙量，要求出任意点的绝对含沙量，必须知道参考点的含沙量。,6.2.2,公式的验证,3,、,Rouse,公式的应用,a,、可由,y=a,处实测含沙量确定，此时一般取,a=0.05h,。,b,、爱因斯坦认为泥沙运动强度不大时，可取,a,等于床沙粒径的,2,倍，即,a=2D,，该处的含沙量根据推移质输沙率确定。,（,1,）参考点高度的选取和临底含沙量的确定,20,对于非均匀沙，应将悬移质按粒径大小分为若干组，再按各组代表粒径的相应沉速计算各组的含沙量分布，最后将各组相同水深的含沙量分别加起来，得到总的含沙量分布情况。,6.2.2,公式的验证,3,、,Rouse,公式的应用,（,2,）非均匀沙的含沙量沿垂线分布计算,21,1,、在理论上，应用含沙量沿水深分布方程，可以确定水下任一点（ ）处的相对含沙量 ；,2,、同时给定水下任意两点处的含沙量，也可由含沙量沿水深分布方程推求它们的相互位置。,含沙量沿垂线分布方程的应用,22,3,、从河道中引水总是希望在满足引水量的前提下，能尽量多引表层较清的水，少引含沙量大的浑水，那么取水口底部高程的确定就非常重要，它与取水口允许引入的最大含沙量有关，可以应用含沙量沿垂线分布方程来确定。,含沙量沿垂线分布方程的应用,23,4,、对排沙底孔来说，总希望尽量合理地确定排沙底孔的高程，尽可能少排水、多排沙，以防止闸坝前的淤积。这种情况下，排沙底孔底板高程的确定，除要满足结构和工程总体要求外，还要考虑坝前泥沙淤积、推移质泥沙的运动和悬移质泥沙沿垂线分布问题。,含沙量沿垂线分布方程的应用,24,例、某宽浅河道实测水深,h=8.0m,，平均流速,U=1.12m/s,，糙率系数,n=0.025,，悬移质平均粒径,D=0.1mm,，经修正后的卡门系数,=0.295,，水温,t=20,（ ），若临底处（,a=0.05h,）的含沙量,Sa=12kg/m,3,，问,（,2,） 如果在岸边开引渠，要求引水渠中沿水深最大含沙量不能超过河道临底含沙量的,12,，试确定引水渠底的位置？,（,1,） 距河底,4m,处的含沙量为多少？,25,、计算河道比降,、求沉速，采用张瑞瑾统一沉速公式,解,：,（,1,）,求距河底,4m,处的含沙量,26,、计算距河底,4m,处的含沙量,、计算悬浮指标,、计算摩阻流速,27,即引水渠渠底位置应设在比河道河底高,7.76m,处，才能满足引水渠中沿水深最大含沙量不超过大河临底含沙量的,12,的要求。,（,2,） 确定引水渠渠底位置,28,（设水温为,20,，取 ，卡门系数,k=0.4,，河水容重,9800N/m,3,，密度,1000kg/m,3,， 泥沙沉速按张瑞瑾统一沉速公式计算。）,、计算上述河流中一半水深处的动量交换系数值；,例、长江中游某河段实测平均水深,h,25m,、水力坡降,J,0.8 /000,（,/000,表示万分率）、平均流速,U,1.5m/s,。黄河某河段的一组实测值则为,h,1.6m,、,J,2 0/000,、,U,1.5m/s,。设泥沙颗粒的粒径分别为,D,0.01,、,1.0mm,，要求,、计算各河流中的悬浮指标值，并判断,0.01,、,1.0mm,颗粒的泥沙是否能够在相应的河流里起悬（以,z,5,作为泥沙是否进入悬浮状态的临界判别值）。,29,解,:,黄河,长江,、两条河流均为宽浅型，因此河流的床面剪切应力计算式中，水力半径,R,可用水深,h,代替。,30,黄河,长江,两条河流在一半水深处的动量交换系数分别为,一半水深处,动量交换系数,31,由 计算各河流中、不同粒径的悬浮指标见下表,、,泥沙沉速按张瑞瑾公式计算,32,