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第五讲 泥沙运动的基本概念 黄尔 2012年4月 3 泥沙运动的基本概念 5.1 床面泥沙颗粒的受力情况 5.2 泥沙的运动形式 5.3 划分推移质及悬移质的意义 5.4 床沙质与冲泻质 5.1 床面泥沙颗粒的受力情况 拖曳力与上举力 水流流过泥沙的肤面摩擦力及背水面涡辊造成的前后压差阻力的合力称为拖曳力。 流过泥沙颗粒顶部流速高于底部水流流速产生的向上的压力差称为上举力 u0为作用在沙粒上的流速 作用流速 作用流速（有效流速）距床面的距离应与泥沙粒径成正比，但具体数值尚未统一。 0.5d、0.35d、u0取断面平均流速、u0直接用摩阻流速 关于拖曳力和上举力 处理方法各异，差异较大，应该测压力分布，计算合力的分量。 拖曳力系数与沉降的阻力系数规律相似 作用力 ？作用流速？ 脉动服从正态分布。 上举力与拖曳力的相对重要性：对于相嵌的泥沙上举力更重要。但由于起动公式都是用实验确定综合系数，所以不是实质性问题。 重力和粘结力 水下重量： 粘结力： 原状粘土的粘性力影响因素很多，难以表达。主要研究水中新淤泥沙的粘结力。 一种看法：源于薄膜水单向穿压特性，属于附加压力 另一种：主要来至分子引力。 粒间离散力 很多泥沙与水流存在相对运动时，粒间的绕流流态将使颗粒间相互产生影响，表现为颗粒承受一个与水流相垂直的力，称为粒间离散力。 也可以看成颗粒间碰撞动量交换产生的力。 有助于河床稳定 渗透压力 当河水与地下水相互补给、在河床内部出现渗流时，床面泥沙还将承受渗透压力。 地下水内渗时，会减小床沙稳定。 当河水外渗时，会增加床沙稳定。 由于渗透压力数值较小，一般可忽略。 5.2 泥沙颗粒的运动形式 推移质：床面附近运动的泥沙 接触质：运动中与河床保持接触 跃移质：跳跃前进的泥沙 层移质：河床表面泥沙成层运动 悬移质：随漩涡悬浮在水中，并随水流前进的泥沙称为悬移质。 推移质与悬移质的相对重要性 水流强度较弱时，以推移质为主 随着流速的增大，悬移质的重要性将超过推移质。 平原河流中、推移质沙量往往不足总沙量的5%。高坝大库的库容损失主要受悬移质影响。 山区天然航道整治、取水工程、防洪工程、低坝(闸)枢纽等工程泥沙问题主要受推移质运动影响。 5.3 划分推移质及悬移质的意义 5.3.1 泥沙运动的连续性 悬移质——床面层——层移层——床沙 各种运动形式的相互交换 5.3.2推移质与悬移质在物理本质上的区别 一、运动规律不同： 二、能量来源不同 推移质的运动要加大水流的能量损失。 悬移质随漩涡前进，不直接消耗水流的能量，维持悬浮的能量来至紊动动能。紊动动能是水流已经消耗的能量的一部分，是最后转化成热能的过渡形式。 三、对于河床的作用不同 悬移质增加了浑水的容重，加大了水体的静水压力 推移质增加河床表面的压力，加大了河床的稳定性。 5.3.3 划分推移质和悬移质的实际意义 弯道环流对推移质和悬移质的影响不一样。 在发生沉积的环境中，两者的淤积部位不同。 山区河流的河床变形主要受推移质的影响。 …… 5.4床沙质和冲泻质 按泥沙的相对粗细及来源的不同，可分为床沙质和冲泻质。 钱宁将“质”这个字专用于水流中运动的泥沙。组成河床的泥沙叫“床沙”。 5.4.1问题的提出 爱因斯坦等发现床沙中粗的颗粒多于细的颗粒，运动的泥沙中则相反。运动泥沙中较细的一部分在床沙中没有或很少，这部分细颗粒与床沙似乎没有交换。 水流中粗颗粒泥沙的含量与流量相关，而细颗粒则不明显。 粗颗粒泥沙可以看成是来至上游河床，称“床沙质”，细颗粒泥沙来至流域，在本河段很少停留，一泻千里，叫“冲泻质”。 5.4.2床沙质及冲泻质运动规律的同一性 山区河流河床由块石或卵石组成，水流中的细颗粒泥沙与床沙基本不交换，相当于定床输沙。 对于全部泥沙都能起动的冲积河流而言，床沙质与冲泻质的运动规律是一致的。 流量——输沙率关系 冲积河流的水流挟沙能力，是指在一定河床组成下，水流能挟带的泥沙。 实验表明：当来沙量变化时，对于冲泻质基本能继续下泄。对于床沙质则下泄沙量变化幅度较小。因此，床沙质的流量——输沙率关系要明确得多。 在多沙河流中，即使是床沙质也存在“多来多排”现象。 河床的粗化或细化，可以使河道挟沙能力随之减小或增大。 划分冲泻质和床沙质的标准 床沙中最细的5%看成冲泻质。 将床沙和悬移质级配曲线上下叠绘，用公切线与横坐标的交点确定为临界粒径。 山区河流，卵石是床沙质，沙以下就是冲泻质。中下游沙质河床，沙是床沙质，粉砂以下属于冲泻质。…… 用公式判断： 划分冲泻质和床沙质的意义 计算方法不同 在研究枢纽下游来沙量变化时，更加明确。（冲泻质将突然减少，床沙质由于有床沙补给，将逐渐减小） 影响河床演变的主要是床沙质。 结束！ * *