第6章_悬移质泥沙运动2014

1、6 悬移质泥沙运动悬移质泥沙运动 (suspend load)河流动力学河流动力学1第六章第六章 悬移质运动悬移质运动1、悬移质悬浮机理、悬移质悬浮机理2、床沙质与冲泻质概念；、床沙质与冲泻质概念；3、悬沙含沙量垂线分布；、悬沙含沙量垂线分布；4、悬移质输沙率；、悬移质输沙率；5、水流挟沙能力；、水流挟沙能力；6-1 悬移质泥沙概念悬移质泥沙概念一、一、 悬移质泥沙运动的一般特点悬移质泥沙运动的一般特点 （1）河流蚀山造原的过程中，悬移质至少在数量上起着更）河流蚀山造原的过程中，悬移质至少在数量上起着更为重要的作用。为重要的作用。例：寸滩站年均悬沙输沙量例：寸滩站年均悬沙输沙量4.6亿吨，底沙

2、亿吨，底沙600万吨，悬沙占万吨，悬沙占98.7%； 嘉陵江北碚站年均悬沙量嘉陵江北碚站年均悬沙量1.18亿吨，底沙亿吨，底沙58万吨，悬沙万吨，悬沙99.3% （2）天然河流中床沙、推移质和悬移质泥沙中，悬移质泥）天然河流中床沙、推移质和悬移质泥沙中，悬移质泥沙最细，非均匀性最大。沙最细，非均匀性最大。 （3）与推移质泥沙运动规律不同，悬移质泥沙在水中悬浮）与推移质泥沙运动规律不同，悬移质泥沙在水中悬浮前进，时而上浮，时而下沉，留下只有统计学机遇性质而前进，时而上浮，时而下沉，留下只有统计学机遇性质而无力学必然规律的迹线。无力学必然规律的迹线。 （4）推移质泥沙运动的间断性强，而悬移质泥沙运

3、动的持）推移质泥沙运动的间断性强，而悬移质泥沙运动的持续性一般是相当大的续性一般是相当大的，作为，作为连续介质连续介质。第六章第六章 悬移质运动悬移质运动3.0u二、研究的目的意义二、研究的目的意义引水排沙工程引水排沙工程：需了解含沙量沿水深的分布；库区淤积及淹没库区淤积及淹没：需知道悬移质输沙量；河床演变分析河床演变分析：需了解输沙率及含沙量沿程变化；u三、泥沙悬浮的条件三、泥沙悬浮的条件（1）床面附近的漩涡尺度大于泥沙粒径；）床面附近的漩涡尺度大于泥沙粒径；（2）漩涡的向上分速大于泥沙的沉速。）漩涡的向上分速大于泥沙的沉速。（3）悬移质在紊动水流中，既因承受重力作用而下沉，悬移质在紊动水流

4、中，既因承受重力作用而下沉，又因承受紊动扩散作用而上升。又因承受紊动扩散作用而上升。6-1 悬移质泥沙一些基本概念悬移质泥沙一些基本概念5四、天然河道含沙量沿水深分布现象四、天然河道含沙量沿水深分布现象、一般情况下，天然河道受重力作用影、一般情况下，天然河道受重力作用影响，悬移质含沙量沿水深分布都是上细响，悬移质含沙量沿水深分布都是上细下粗，上稀下浓，存在着自下而上逐渐下粗，上稀下浓，存在着自下而上逐渐减小的含沙量梯度，含沙量沿水深分布减小的含沙量梯度，含沙量沿水深分布具有不均匀性。具有不均匀性。含沙含沙量沿量沿水深水深分布分布图图6-1 悬移质泥沙悬移质泥沙一些基本概念6、河道水流属于紊流，

5、其各流层间、河道水流属于紊流，其各流层间存在着强烈的混掺现象，向上的涡存在着强烈的混掺现象，向上的涡体自然会使泥沙向上悬浮。体自然会使泥沙向上悬浮。、但就恒定流时均情况而言，根据、但就恒定流时均情况而言，根据脉动水流的连续性，流层间混掺的脉动水流的连续性，流层间混掺的上浮水体与下沉水体是相等的，为上浮水体与下沉水体是相等的，为什么泥沙还会上浮呢？什么泥沙还会上浮呢？ 6-1 悬移质泥沙悬移质泥沙一些基本概念3.2.0.5u重力作用重力作用泥沙比水重而向下沉降，使得水流含沙量在河底较大，水面较小，泥沙比水重而向下沉降，使得水流含沙量在河底较大，水面较小，悬沙呈现上稀下浓的非均匀分布。悬沙呈现上稀

6、下浓的非均匀分布。u紊动作用紊动作用紊动作用紊动作用使悬沙由含沙量高的下层向含沙量低的上层传送。因为：使悬沙由含沙量高的下层向含沙量低的上层传送。因为：穿过水平面的浑水量平衡，而下浓上稀，向上水体挟带的泥沙大于穿过水平面的浑水量平衡，而下浓上稀，向上水体挟带的泥沙大于向下水体挟带的泥沙。向下水体挟带的泥沙。u紊动扩散作用紊动扩散作用紊流作用同分子布朗运动引起的某物质从浓度高的地方向浓度低的紊流作用同分子布朗运动引起的某物质从浓度高的地方向浓度低的地方不断迁移的分子扩散现象一样，因次称为。地方不断迁移的分子扩散现象一样，因次称为。重力作用重力作用使含沙量沿水深分布趋向使含沙量沿水深分布趋向不均匀

7、化不均匀化；紊动作用紊动作用使含沙量沿水深分布趋向使含沙量沿水深分布趋向均匀化均匀化。6-1 悬移质泥沙悬移质泥沙一些基本概念原因：原因：3.2.0.6紊动扩散作用使泥沙上浮，重力作用使泥沙下沉，含沙紊动扩散作用使泥沙上浮，重力作用使泥沙下沉，含沙量沿水深部分由此二者相对作用的对比关系决定。量沿水深部分由此二者相对作用的对比关系决定。重力作用占优势，泥沙下沉，河床淤积；紊动扩散作用重力作用占优势，泥沙下沉，河床淤积；紊动扩散作用占优势，泥沙上浮，河床冲刷；二者作用相当时，河床占优势，泥沙上浮，河床冲刷；二者作用相当时，河床不冲不淤不冲不淤,处于平衡状态处于平衡状态. 紊动扩散作用上浮的沙量和重

8、力作用下沉的沙量在垂线上任紊动扩散作用上浮的沙量和重力作用下沉的沙量在垂线上任一位置都相等，含沙量沿水深分布达到了平衡状态。一位置都相等，含沙量沿水深分布达到了平衡状态。悬移质上升之所以成为可能，是与含沙量具有上稀下浓的悬移质上升之所以成为可能，是与含沙量具有上稀下浓的沿垂线梯度分不开的。沿垂线梯度分不开的。在冲刷、淤积的过程中，沿垂线的含沙量梯度起着重要的在冲刷、淤积的过程中，沿垂线的含沙量梯度起着重要的调节作用调节作用6-1 悬移质泥沙悬移质泥沙一些基本概念 1、概念；按造床作用对泥沙的分类、概念；按造床作用对泥沙的分类 床沙质（床沙质（bed material load)：悬移质中较粗部

9、分悬移质中较粗部分的泥沙，在床沙中大量存在，参与塑造河床作用。的泥沙，在床沙中大量存在，参与塑造河床作用。 冲泻质（冲泻质（wash load）：）：悬移质中较细部分的泥沙，床悬移质中较细部分的泥沙，床沙中较少存在，不参与造床。沙中较少存在，不参与造床。 2、特性；、特性； 与水力条件的关系；与水力条件的关系；床沙质与水力条件密切相关床沙质与水力条件密切相关；冲泻质与水力条件关系不密切，一般是不饱和的。；冲泻质与水力条件关系不密切，一般是不饱和的。 在一定条件下可相互转化。在一定条件下可相互转化。 3、划分方法；、划分方法；6.2 床沙质与冲泻质床沙质与冲泻质床床沙沙质质和和冲冲泻泻质质床沙质

10、与水力条件密切相关；冲泻质与水力条件关系不密切床沙质与水力条件密切相关；冲泻质与水力条件关系不密切方法一：方法一：用床沙用床沙的的d5或或d10方法二：方法二：公切线公切线法法床床沙沙质质和和冲冲泻泻质质划划分分一、泥沙紊动扩散一、泥沙紊动扩散 基于泥沙颗粒在紊流中随机运动来求解泥沙浓度基于泥沙颗粒在紊流中随机运动来求解泥沙浓度垂向分布，称为扩散理论垂向分布，称为扩散理论。这一理论的基础是液。这一理论的基础是液体的体的紊动扩散理论紊动扩散理论，它是通过把泥沙或液体微团，它是通过把泥沙或液体微团的运动与分子热运动相比拟而得出来的，其基本的运动与分子热运动相比拟而得出来的，其基本方法都是用梯度型扩

11、散（如方法都是用梯度型扩散（如Fick扩散定律）来描扩散定律）来描述颗粒随机运动的宏观结果。述颗粒随机运动的宏观结果。6-3 悬移质含沙量垂线分布悬移质含沙量垂线分布 菲克定律菲克定律，是描述气体扩散现象的宏观规律，这是生理，是描述气体扩散现象的宏观规律，这是生理学家菲克（学家菲克（FickFick）于）于18551855年发现的。年发现的。 早在早在18551855年，菲克就提出了：年，菲克就提出了：在单位时间内通过垂直于扩在单位时间内通过垂直于扩散方向的单位截面积的扩散物质流量（称为扩散通量散方向的单位截面积的扩散物质流量（称为扩散通量, ,用用J J表示）与该截面处的浓度梯度成正比，表示

12、）与该截面处的浓度梯度成正比，也就是说，浓度梯也就是说，浓度梯度越大，扩散通量越大。这就是菲克第一定律。度越大，扩散通量越大。这就是菲克第一定律。D D称为扩散系数称为扩散系数(m2/s)(m2/s)，C C为扩散物质的体积浓度为扩散物质的体积浓度( (原子数原子数/m/m或或kg/m)kg/m)，dC/dxdC/dx为浓度梯度，为浓度梯度，“”号表示扩散方向为浓度梯度的反方向，即扩散组元号表示扩散方向为浓度梯度的反方向，即扩散组元由高浓度区向低浓度区扩散由高浓度区向低浓度区扩散 15 重力作用与紊动扩散作用表达重力作用与紊动扩散作用表达、重力作用、重力作用 重力作用的强弱可用悬移质的沉速重力

13、作用的强弱可用悬移质的沉速 代表，代表，沉速愈大，则重力作用愈强；沉速愈大，则重力作用愈强； 单位时间单位水平截面在重力作用引起的单位时间单位水平截面在重力作用引起的下沉的泥沙量为下沉的泥沙量为 。 S 一些基本概念(二二 )、紊动扩散作用紊动扩散作用 紊动扩散理论可以简单概括为：如果某一物理量紊动扩散理论可以简单概括为：如果某一物理量m在呈在呈紊动状态，可作为连续介质看待的流体中分布不匀，具紊动状态，可作为连续介质看待的流体中分布不匀，具有沿任一方向有沿任一方向n的浓度梯度的浓度梯度 ，则这一物理量将通过，则这一物理量将通过紊动作用由高浓度区向低浓度区扩散，其扩散强度紊动作用由高浓度区向低浓

14、度区扩散，其扩散强度为为 ，此处，此处 为扩散系数，亦称传递系数。为扩散系数，亦称传递系数。nm nmn n 、水流的、水流的紊动强度紊动强度，用紊动扩散系数，用紊动扩散系数 表示，也可用垂向脉动流速表示，也可用垂向脉动流速 表示；表示； 、悬移质含沙量沿垂线分布的不均匀性，、悬移质含沙量沿垂线分布的不均匀性，用垂线用垂线含沙量梯度含沙量梯度 表示。表示。 单位时间单位水平截面上，由于紊动扩散单位时间单位水平截面上，由于紊动扩散作用引起的上浮的泥沙量可表示为作用引起的上浮的泥沙量可表示为 ，也可表示为也可表示为 。y vyS ySy (二二 )、紊动扩散作用紊动扩散作用3.2.1.3u二维恒定

15、均匀流平衡输沙扩散方程二维恒定均匀流平衡输沙扩散方程021)(dySdSdySdSggSyyy输沙平衡质量扩散悬沙扩散系数时均含沙量；令Sg1dySdgy2021)(dySdSdySdSggSyyy输沙平衡质量扩散悬沙扩散系数时均含沙量；单位时间单位水平面积内的泥沙下沉量：单位时间单位水平面积内的泥沙上升量：悬悬移质泥沙运动方程：二元水体泥沙质量守恒移质泥沙运动方程：二元水体泥沙质量守恒连续介连续介质质写出在时间写出在时间 内进入或离开这个水体上内进入或离开这个水体上下左右四面的染色物质的体积。当研究泥下左右四面的染色物质的体积。当研究泥沙的扩散时，由于泥沙比水重，沙粒还将沙的扩散时，由于泥沙

16、比水重，沙粒还将以速度以速度下沉。下沉。()()()()tvttvtvtvtvtggvtU SV SxySSxytxyttxxyySy 二元水体泥沙质量守恒二元水体泥沙质量守恒连续介质连续介质 对于紊动水流，流速和浓度均具对于紊动水流，流速和浓度均具有脉动，可将流速和含沙浓度的有脉动，可将流速和含沙浓度的瞬时瞬时值分解成时均值和脉动值值分解成时均值和脉动值，即：，即： Ut=U+u ，Vt=V+v， vt=Sv+sv (6-3)式中大写字符为时均值，小写字符为式中大写字符为时均值，小写字符为脉动值，脉动值，取长时间平均取长时间平均, 脉动值的长时间平均为零。脉动值的长时间平均为零。 3.2.1

17、.4u二元均匀流不平衡输沙扩散方程二元均匀流不平衡输沙扩散方程 ySyvSxSuxSutS整理得：代入上式得又,xSSuySvSxyySySyxSxxSutSxSSuySvSyxxy：扩散方程式二元均匀流不平衡输沙代入上式得又为书写方便取消平均符)(, 对流项 扩散项 沉降项当悬移质含沙量的垂线分布达到平衡状当悬移质含沙量的垂线分布达到平衡状态时，泥沙扩散问题成为一个均匀，恒态时，泥沙扩散问题成为一个均匀，恒定的问题，泥沙扩散方程中对距离和定的问题，泥沙扩散方程中对距离和对时间的偏微分均等于零：对时间的偏微分均等于零：0t0 x0)(dydSvySvdydy二维恒定均匀紊动扩散方程二维恒定均匀

18、紊动扩散方程为为:yS vyS v 0输沙平衡输沙平衡假定泥沙扩散系数与动量交换系数泥沙扩散系数与动量交换系数m相等，相等，即：即： y=m= k uyhyh*代入扩散方程得：代入扩散方程得： ku yhyhdSvdySv*0式中：SvSvahyyahaZZku*称为称为悬浮指数悬浮指数，也常称，也常称Rouse数。它实际数。它实际上代表了重力作用上代表了重力作用与紊动扩散作用与紊动扩散作用u*的的对比关系。对比关系。 令时，令时，vva，积分可得：，积分可得： 一、劳斯（Rouse）公式 1）劳斯（劳斯（Rouse）假设）假设 劳斯（劳斯（Rouse）在建立二维均匀明槽流的平）在建立二维均匀

19、明槽流的平衡情况下悬移质含沙量沿垂线的分布公式衡情况下悬移质含沙量沿垂线的分布公式时，做了两个重要假设：时，做了两个重要假设： （1）沉速）沉速沿水深定值；沿水深定值； （2）泥沙紊动扩散系数泥沙紊动扩散系数 （ ）等于相应）等于相应的动量紊动扩散系数的动量紊动扩散系数 （3）流速分布采用对数公式）流速分布采用对数公式y sy m 6 - 3 含 沙 量 垂 线 分 布 律 一、扩散理论 悬浮指标的数值越大，表明重力作用在与悬浮指标的数值越大，表明重力作用在与紊动扩散作用的对比中越强，悬移质含沙紊动扩散作用的对比中越强，悬移质含沙量在垂线上的分布越不均匀；反之，值量在垂线上的分布越不均匀；反之

20、，值越小，悬移质分布越均匀。越小，悬移质分布越均匀。 Z5，判断河床床面泥沙是否起悬的指标（，判断河床床面泥沙是否起悬的指标（推移质与悬移质划分标准）；推移质与悬移质划分标准）；Z0.01，床沙质与冲泻质的区分临界，床沙质与冲泻质的区分临界。Fig3-40 . 5* UZ 01. 0* UZ 3.2.1.8u悬浮指标悬浮指标 z 的物理意义的物理意义*Uz物理意义：物理意义：表征重力作用与紊动扩散作用的相对大小，表征重力作用与紊动扩散作用的相对大小，反映了含沙量沿水深分布的均匀程度；反映了含沙量沿水深分布的均匀程度；z 越大，表明重力越大，表明重力作用相对越强，分布越不均匀，作用相对越强，分布

21、越不均匀， z 越小，表明紊动扩散作越小，表明紊动扩散作用相对越强，分布越均匀用相对越强，分布越均匀(图图3-4)z的另一功用：的另一功用：可作为推移质进入悬浮状态的判别标准。可作为推移质进入悬浮状态的判别标准。 z 5后后(图图3-4) ，悬沙较少，可将，悬沙较少，可将z5作为推、悬的临界判别值。作为推、悬的临界判别值。6-3 含沙量垂线分布律 一、扩散理论3.2.1.9u对公式的检验对公式的检验*Uz检验内容检验内容： 公式的结构是否合理？ 悬浮指标 ？检验结果检验结果： 公式结构合理、正确公式结构合理、正确(图3-5)。 z的理论值与实测值的理论值与实测值z1有一定差异有一定差异：z 较

22、小时，实测值与理论值相差不大；z 较大时，实测值小于理论值，且随z的增大，差距也越大(图3-7)。6-3 含沙量垂线分布律 一、扩散理论Fig3-5&6公式结构合理公式结构合理Fig3-7z 较小时，实测值与理论值相差不大；较小时，实测值与理论值相差不大；z 较大时，实测值小较大时，实测值小于理论值，且随于理论值，且随z的增大，差距也越大的增大，差距也越大Fig3-81) 1(Vanoli*1zamyahayyhSSUzz建议：Fig3-9清水时：=0.4浑水时：Gs，河床发生冲刷Gs*=Gs，河床不冲不淤Gs*Gs，河床发生淤积3.3.0.1u 悬移质实际输沙率悬移质实际输沙率GS

23、6 - 4 悬 移 质 输 沙 率 基本概念u求解方法求解方法方法一：积分法方法一：积分法根据前面介绍的理论方法，可以求出悬移质含沙量Sv及流速U沿垂线的分布，据此可计算得出单位时间内，河道过水面中高程y处单位时间、单位断面面积上通过的悬移质沙量为USv，将其沿垂线积分即可得出全水深上的悬移质单宽输沙率。方法二：乘积法方法二：乘积法更为简便的方法是求解得出断面平均含沙量和平均流速，则两者之积乘以过水断面面积就是全断面的悬移质输沙率。 6 - 4 悬 移 质 输 沙 率 基本概念3.3.0.3u悬移质单宽输沙率悬移质单宽输沙率gShaVshasdyuSuSdyghhassudyuSdyqgSQG

24、S0*hSdySham单位宽度内的悬移质输沙率。u悬沙水流挟沙力悬沙水流挟沙力S*(饱和含沙量、临界含沙量饱和含沙量、临界含沙量)河流处于不冲不淤临界状态下，单位水体所能挟带的悬移质中床沙质数量(重量)的平均值。u垂线平均含沙量垂线平均含沙量Sm注意注意S*与与Sm的区别：的区别：S*为沿垂线以单宽流量为权的加权平为沿垂线以单宽流量为权的加权平均均Sm则为以水深为权的加权平均；则为以水深为权的加权平均； 6 - 4 悬 移 质 输 沙 率 基本概念3.3.1.1u基本思路基本思路*UzahayyhSSuSdygzahas采用含沙量沿水深分布的Rouse公式和单宽悬移质输沙率定义，并采用推移质输

25、沙率计算临底含沙量。6-4 悬移质输沙率 一、Einstein公式一、一、 Einstein公式公式3.3.1.2u 公式推导公式推导zahasahayyhSSuSdyg ，dyahayyhSyUgyUuzahas2 .30lg75. 52 .30lg75. 5*：采用对数流速分布公式 ddhAAaSUghaAhyzAzAzzaslg12 .30lg1)1 (75. 5/111*，令6-4 悬移质输沙率 一、Einstein公式3.3.1.2u 公式推导公式推导 ddhAAaSUgzAzAzzaslg12 .30lg1)1 (75. 5111*dAAIdAAIIIhaSUddhAAaSUgzA

26、zzzAzzazAzAzzasln1)1 (216. 01)1 (216. 02 .30lg303. 26 .11ln1434. 012 .30lg)1 (75. 511211121*111* 216. 06 .11434. 075. 5216. 0303. 26 .1175. 5lg303. 2lnln434. 0lg注意：6-4 悬移质输沙率 一、Einstein公式3.3.1.3uI1、I2的计算的计算I1、I2仅是A、z，可通过数值积分计算，也可通过已绘制的图形查取。dAAIdAAIIIhaSUgzAzzzAzzasln1)1 (216. 01)1 (216. 02 .30lg303.

27、 26 .1111211121* 6-4 悬移质输沙率 一、Einstein公式3.3.1.4u临底含沙量的计算临底含沙量的计算sabbbsbbsbbbassbbsbaUSgiDaUuaUgiuagiSgigiDiDi*6 .116 .111)2,(水槽试验床面层内的平均含沙量沙率该粒径的悬移质单宽输沙率该粒径的推移质单宽输则：所占的百分比悬移质某粒径所占的百分比推移质某粒径设：Einstein认为包括近河底区的泥沙分布应是连续的，床面层顶部的泥沙浓度应是悬移质的临底含沙量Sa 。6-4 悬移质输沙率 一、Einstein公式3.3.1.4u临底含沙量的计算临底含沙量的计算Nisisbisib

28、bbbsssassabbggIPIggIPIgiIIhgigiIIhaUSgiaUSgi121212121*2 .30lg303. 22 .30lg303. 26 .116 .11或者写为：6-4 悬移质输沙率 一、Einstein公式代表性公式 爱因斯坦公式(Einstein) )2 .30lg(75. 5*0shvsskyUUdyUSg 21*2 .30lg303. 26 .11IIkhaSUgsvass 6-4 悬移质输沙率 五、公式的选用6-5 水流挟沙力水流挟沙力 定义定义 是指在一定水流、泥沙及边界条件下，是指在一定水流、泥沙及边界条件下，水流所能挟带的包括推移质和悬移质在内水流所

29、能挟带的包括推移质和悬移质在内的全部沙量。的全部沙量。6-5 水流挟沙力 基本概念3.5.0u总输沙率总输沙率在一定水流与河床组成条件下，河床处于不冲不淤的平衡状态时，单位时间内通过河段下泄的推移质和悬移质泥沙总量(水流输沙能力水流输沙能力、水流挟沙力水流挟沙力)。u床沙质总输沙率床沙质总输沙率推移质输沙率推移质输沙率与悬移质中床沙质输沙率悬移质中床沙质输沙率之和。u全沙总输沙率全沙总输沙率(总输沙率总输沙率)推移质输沙率推移质输沙率与悬移质输沙率悬移质输沙率(包含冲泄质冲泄质)之和。 例：江西章水：gb:gs=1:2 长江重庆段： gb:gs=1:16606-5 水流挟沙力 基本概念3.5.

30、1.16-5 水流挟沙力 一、床沙质总输沙率uEinstein公式公式NiTiTbbTibbssbbggIPIgigIPIgigigi12121)1()(床沙质挟沙力：床沙质挟沙力：悬移质挟沙力：推移质挟沙力：对于所有粒径组：对于某粒径组：NiTiTbbTibbssbbggIPIgigIPIgigigi12121)1()(床沙质挟沙力：床沙质挟沙力：悬移质挟沙力：推移质挟沙力：对于所有粒径组：对于某粒径组：思路思路：推移质输沙率悬移质输沙率3.5.1.2u拜格诺(Bagnold)公式公式UUegggUgUegbsssbTsssbssb020001. 0tg01. 0tg床沙质挟沙力：悬移质挟沙

31、力：推移质挟沙力：思路思路：推移质输沙率悬移质输沙率6-5 水流挟沙力 一、床沙质总输沙率3.5.1.3u恩格隆汉森(Engelund-Hansen)公式公式5 . 1500505022025003505 . 2)(05. 0881)(1 . 0DgDDUgUgUghJfDgDgfsssTesssTTTe即：无量纲输沙率与无量纲床面剪切力的2.5次方成正比6-5 水流挟沙力 一、床沙质总输沙率3.5.1.3u恩格隆汉森(Engelund-Hansen)公式公式沉降粒经沉降粒经D50：公式中的D50不是床沙的直接中值粒经，而是对应的沉降粒经，其相关关系见表3-1。5 . 150050502)(0

32、5. 0DgDDUgsssT公式检验公式检验：实验资料相关性较好(图3-16)，也适用于沙浪阶段，且结构简单、使用方便，是目前公认为较好的公式。6-5 水流挟沙力 一、床沙质总输沙率Fig3-16u基本思路基本思路 ：在平原河流，悬移质输沙为主，推移质输沙：在平原河流，悬移质输沙为主，推移质输沙可忽略。可忽略。先根据实测资料分析而得，然后提出悬移质具有先根据实测资料分析而得，然后提出悬移质具有制紊作用制紊作用的观点，的观点，采用采用定理进行理论推导。定理进行理论推导。四、张瑞瑾公式（四、张瑞瑾公式（武水公式）6-5 水流挟沙力 二、张瑞瑾公式（半经验半理论）（半经验半理论）2、张瑞谨公式：基于

33、张瑞谨公式：基于 “制紊假说制紊假说”提出提出紊动减弱的原因：紊动减弱的原因：3.3.2.3u公式的理论推导公式的理论推导制紊作用制紊作用：悬移质的存在将使水流的紊动减弱、水流阻力减小。张瑞瑾发现张瑞瑾发现：挟沙水流 S 越大，糙率n越小，能耗就越小。存在制紊作用的原因存在制紊作用的原因： 水流与泥沙比重不同，运动不同步，发生相对运动而互相牵制 水流挟沙增加粘性，对紊动不利。 近底是产生紊动漩涡的地方，但含沙量大，对涡体的形成与运动具有制约作用。制紊功制紊功：由悬移质的制紊作用产生的功清水能耗E浑水能耗ES。6-5 水流挟沙力 二、张瑞瑾公式3.3.2.3u公式的理论推导公式的理论推导AUJE

34、的能耗：清水单位长度单位时间)1 (sVssVsJSJSJAUEEE制紊功：sVssVsAUJSAUJSE)1 (：浑水同样条件下的能耗VsVsVsVssVssVssVssVsSFAESAEFSAEFSAFEJSJSJAVEEEAVJSAVJSEAVJE43210, 0),(),( )1()1(：根据量刚分析的定理或根据影响因素：制紊功：浑水同样条件下的能耗的能耗：清水单位长度单位时间0),(),( 21VsVsSAEFSAFE或根据影响因素：6-5 水流挟沙力 二、张瑞瑾公式3.3.2.3u公式的理论推导公式的理论推导)1 (sVssVsJSJSJAUEEE制紊功：VsSFAE4定理：)()

35、()1()1(001114ssVsVssVVssVssVVVVVJJUCSJSJSJAUSACJSJSJAUESCSFESES于是可以假定：，一般情况有：)()()1()1(001114ssVsVssVVssVssVVVVVJJUCSJSJSJAUSACJSJSJAUESCSFESES于是可以假定：，一般情况有：)()()1()1(001114ssVsVssVVssVssVVVVVJJUCSJSJSJAUSACJSJSJAUESCSFESES于是可以假定：，一般情况有：6-5 水流挟沙力 二、张瑞瑾公式3.3.2.3u公式的理论推导公式的理论推导)()()1()1(001114ssVsVssV

36、VssVssVVVVVJJUCSJSJSJAUSACJSJSJAUESCSFESES于是可以假定：，一般情况有(8:0)(0,)()()(8241)(241241gRUCCSSCffffSffSgRUffCSgURffJJgURfJgURfJsVVssVsVssVssss则可假定而(8,0)(0,)()()(8241)(241241gRUCCSSCffffSffSgRUffCSgURffJJgURfJgURfJsVVssVsVssVssss则可假定而(8,0)(0,)()()(8241)(241241gRUCCSSC

37、ffffSffSgRUffCSgURffJJgURfJgURfJsVVssVsVssVssss则可假定而(8:0)(0,)()()(8241)(241241gRUCCSSCffffSffSgRUffCSgURffJJgURfJgURfJsVVssVsVssVssss则可假定而： 6-5 水流挟沙力 二、张瑞瑾公式3.3.2.3u公式的理论推导公式的理论推(8:0)(0,)()()(8241)(241241gRUCCSSCffffSffSgRUffCSgURffJJgURfJgURfJsVVssVsVssVssss则可假定而：mssssVsgR

38、UKSmCCKgRUCCSS3*112131121)(8)(8令mssssVsgRUKSmCCKgRUCCSS3*112131121)(8)(8令 6-5 水流挟沙力 二、张瑞瑾公式3.3.2.4u综合因子综合因子 的物理意义的物理意义gRU3*22223SUgRUUgRUUgRUUgRUgRU紊动作用作用的相对大小：表征紊动作用与重力大小：表征重力作用的相对紊动作用大小：弗汝德数，表征水流*22223SUgRUUgRUUgRUUgRUgRU紊动作用作用的相对大小：表征紊动作用与重力大小：表征重力作用的相对紊动作用大小：弗汝德数，表征水流*22223SUgRUUgRUUgRUUgRUgRU紊动

39、作用作用的相对大小：表征紊动作用与重力大小：表征重力作用的相对紊动作用大小：弗汝德数，表征水流*22223SUgRUUgRUUgRUUgRUgRU紊动作用作用的相对大小：表征紊动作用与重力大小：表征重力作用的相对紊动作用大小：弗汝德数，表征水流 6-5 水流挟沙力 二、张瑞瑾公式3.3.2.5u公式的应用公式的应用mssssVsgRUKSmCCKgRUCCSS3*112131121)(8)(8令公式结构简单，有一定的理论和实测资料支持，国内应用较广泛。公式结构简单，有一定的理论和实测资料支持，国内应用较广泛。实际应用中注意实际应用中注意k、m的具体拟合。的具体拟合。 6-5 水流挟沙力 二、张

40、瑞瑾公式ghUL3图中图中k值给出了上下包络线，这值给出了上下包络线，这是因为天然河流中悬移质运动是因为天然河流中悬移质运动往往并非处于平衡状态，而是往往并非处于平衡状态，而是存在冲刷或淤积。存在冲刷或淤积。3.3.4.1 6-5 水流挟沙力 四、经验公式u基本思路基本思路利用具体河道的实测输沙率资料，依据定理等手段建立输沙率与水流、泥沙参数(U、R、D.)的相关结构，经数值分析获得具体系数和指数等。一般仅适合具体河道或具体河段。五五 经验公式经验公式挟沙力关系的基本表达式挟沙力关系的基本表达式 影响水流挟沙力的四个主要因素包括： 水流条件水流条件，包括：流速U，水深h，比降J和重力作用g； 水流的物理性质水流的物理性质，包括：容重、粘性。 泥沙的物理性质泥沙的物理性质，包括：容重 ，沉速 、粒径D 边