CH1河道水流泥沙特性ppt课件

1、第一章：河道水流、泥沙基本特性第一章：河道水流、泥沙基本特性1.1 1.1 紊流的形成与猝发紊流的形成与猝发紊动切应力一、紊动切应力概念一、紊动切应力概念 由于涡漩混掺引起质点动量交换而产生脉动流由于涡漩混掺引起质点动量交换而产生脉动流速及相应紊动切应力，也称附加切应力。速及相应紊动切应力，也称附加切应力。表达形式表达形式1 1：式中，式中，uxuyuxuy是指空间某点瞬时是指空间某点瞬时uxux和和uyuy在某时段的时在某时段的时均值。均值。ux= ux+ uxux= ux+ ux； uy= uy+ uyuy= uy+ uy；式中，式中， uxux为瞬时值，为瞬时值，uxux为时均值，为时均

2、值， uxux为为X X方向的脉动流速方向的脉动流速紊动切应力表达形式表达形式2 2：影响影响mm的几个量在量测和确定上都存在不少困的几个量在量测和确定上都存在不少困难，在实际计算中，通常由切应力和时均流速难，在实际计算中，通常由切应力和时均流速分布反推分布反推mm值。值。紊动切应力表达式紊动切应力表达式在恒定二元均匀明流，水深为在恒定二元均匀明流，水深为h h，水力坡度为，水力坡度为J J，作用于底壁的切应力为：作用于底壁的切应力为：0=rhJ0=rhJ；根据理论与实测资料分析得到紊流切应力沿水根据理论与实测资料分析得到紊流切应力沿水深按直线分布：深按直线分布： =r(h-y)J= 0 (1

3、-y/h)=r(h-y)J= 0 (1-y/h)表达形式表达形式3 3：=l2(dux/dy)2普兰特根据动量传递原理或掺混长度理论得到。普兰特根据动量传递原理或掺混长度理论得到。1.2、 明渠水流的流速分布一、明渠水流流速分布一、明渠水流流速分布一、明渠水流流速分布一、明渠水流流速分布一、明渠水流流速分布一、明渠水流流速分布一、明渠水流流速分布一、明渠水流流速分布一、明渠水流流速分布一、明渠水流流速分布上式为：三种壁面的统一对数流速公式，（式中，上式为：三种壁面的统一对数流速公式，（式中，x为修正系数，其中糙壁为修正系数，其中糙壁x=1；光壁和过渡壁面光壁和过渡壁面x是是ks和和的函数。）的

4、函数。）卡门常数卡门常数爱因斯坦公式爱因斯坦公式8.5明渠水流的流速分布二、对数区流速分布二、对数区流速分布上式为：三种壁面的统一对数流速公式，（式中，上式为：三种壁面的统一对数流速公式，（式中，x为修正系数，其中糙壁为修正系数，其中糙壁x=1；光壁和过渡壁面光壁和过渡壁面x是是ks和和的函数。）的函数。）卡门常数卡门常数爱因斯坦公式爱因斯坦公式8.5 天然河流的阻力分为定床阻力和动床阻力，天然河流的阻力分为定床阻力和动床阻力，清水阻力和挟沙水流阻力：清水阻力和挟沙水流阻力： 河流是河道和水流两部分相互作用下的水流运河流是河道和水流两部分相互作用下的水流运动。河道由泥土、沙砾、卵石和顽石等组成

5、，统称动。河道由泥土、沙砾、卵石和顽石等组成，统称为泥沙。为泥沙。1、河道水流的两相性：水连续介质和沙非连、河道水流的两相性：水连续介质和沙非连续介质的颗粒群体）。续介质的颗粒群体）。（1重力、（重力、（2惯性力、（惯性力、（3阻力阻力2、河道水流的三维性：河道断面不规则，顺直段很、河道水流的三维性：河道断面不规则，顺直段很短，宽深比小，尤其是弯曲河流。短，宽深比小，尤其是弯曲河流。3、河道水流的非恒定性：来水来沙随时间变化；河、河道水流的非恒定性：来水来沙随时间变化；河床处于不断的变化中。床处于不断的变化中。4、河道水流的非均匀性：、河道水流的非均匀性：5、不平衡输沙；、不平衡输沙；1.3

6、河道水流基本特性河道水流基本特性 河道水流的流型：河道水流的雷诺数一般都比较大，其流河道水流的流型：河道水流的雷诺数一般都比较大，其流型一般居于阻力平方区。型一般居于阻力平方区。 河道水流的主流与副流：主流又称正流、元生流是水河道水流的主流与副流：主流又称正流、元生流是水流沿着河槽总方向的流动流沿着河槽总方向的流动 。 与主流相对应的有副流又称次生流）。如环流次生流：与主流相对应的有副流又称次生流）。如环流次生流：在比较顺直的河段中，当流量随时间变化剧烈时，常常产在比较顺直的河段中，当流量随时间变化剧烈时，常常产生微弱的环流。生微弱的环流。 分散流：河流涨水时，两岸水位低于断面中间水位，产生分

7、散流：河流涨水时，两岸水位低于断面中间水位，产生河底水流向两岸分散的两个环流，两岸淤积，中间冲刷。河底水流向两岸分散的两个环流，两岸淤积，中间冲刷。 集合流：河流退水时，产生的向河底集聚的两个微弱环流，集合流：河流退水时，产生的向河底集聚的两个微弱环流，两岸冲刷，中间淤积。两岸冲刷，中间淤积。 河湾水流：是河道中常见的水流现象，一种三元流动。实河湾水流：是河道中常见的水流现象，一种三元流动。实际是横向运动与纵向运动结合的螺旋流。际是横向运动与纵向运动结合的螺旋流。 不同情况下的环流结果不同情况下的环流结果河道水流的流速分布河道水流的流速分布卡曼卡曼-普兰特尔普兰特尔Th.von.Darman-

8、L.Prandtl对数对数流速分布公式流速分布公式 对数及反三角函数流速分布对数及反三角函数流速分布 指数公式指数公式 max11uuhnuky max12211212arctan1122aaaUunnarctanukaaaaa1muymUh几个概念简析粗糙高粗糙高KsKs：是天然壁面的当量粗糙高，它综合反映壁面粗：是天然壁面的当量粗糙高，它综合反映壁面粗糙程度、形式和分布等因素对水流的影响。不仅只反映槽糙程度、形式和分布等因素对水流的影响。不仅只反映槽壁的粗糙程度，同时还与粗糙的形式和分布状况有关。在壁的粗糙程度，同时还与粗糙的形式和分布状况有关。在河道和明渠中，粗糙程度、形式和分布都是不均

9、匀的，也河道和明渠中，粗糙程度、形式和分布都是不均匀的，也是随机的，是随机的，KsKs是反映这些因素的一个综合参数。是反映这些因素的一个综合参数。通常采用实测的方法来确定通常采用实测的方法来确定KsKs，即测出河槽的流速分布和，即测出河槽的流速分布和U U* *，再用槽壁流速公式反推粗糙高。，再用槽壁流速公式反推粗糙高。也有人用床沙情况来初估也有人用床沙情况来初估KsKs，如对于均匀床沙，采用，如对于均匀床沙，采用Ks=0.7dKs=0.7d，d d为床沙粒径；如对于非均匀床沙，采用为床沙粒径；如对于非均匀床沙，采用Ks=d65Ks=d65，d65d65为床沙组成中出现概率是为床沙组成中出现概

10、率是65%65%的粒径；不同的粒径；不同实验条件不同，仅供参考。实验条件不同，仅供参考。8.5槽壁流速公式槽壁流速公式: :几个概念简析摩阻流速摩阻流速U U* *： U U* *= =摩阻流速摩阻流速U U* *反映了水流的紊动情况，广泛应用在泥沙研究反映了水流的紊动情况，广泛应用在泥沙研究中。中。 U U* *与脉动强度的数值大小相当。与脉动强度的数值大小相当。00是起动拖曳力，即泥沙处于起动状态的床面剪切力。是起动拖曳力，即泥沙处于起动状态的床面剪切力。0=hJ=U0=hJ=U* *2 2gRJ=0常用计算的推导KsKs和糙率和糙率n n的计算：的计算： 例：先测得河流水深例：先测得河流

11、水深h,h,再测水流垂线上两点流速，如：从再测水流垂线上两点流速，如：从水面测得水面测得U0.2h=u1 ;U0.8h=u2U0.2h=u1 ;U0.8h=u2，由流速分布公式：，由流速分布公式：u1=5.75U*lg(24h/Ks)u2=5.75U*lg(6h/Ks)lghKs=0.778u1/u2-1.381-u1/u2h,u1,u2得得KsKs多测几点流速，计算多测几点流速，计算KsKs和和n n值，以供值，以供校核，或取平均。校核，或取平均。离水面的距离；离水面的距离；y1=h-0.2h=0.8hy1=h-0.2h=0.8h； y2=h-0.8h=0.2hy2=h-0.8h=0.2h；

12、常用计算的推导KsKs和糙率和糙率n n的计算：的计算： 例：先测得河流水深例：先测得河流水深h,h,再测水流垂线上两点流速，如：测再测水流垂线上两点流速，如：测得得U0.2h=u1 ;U0.8h=u2U0.2h=u1 ;U0.8h=u2，由流速分布公式：，由流速分布公式：c=18lg(12.27R/Ks)c=18lg(12.27R/Ks)n=nR1/618lg12.27RKs将实测的将实测的lg(h/Ks)lg(h/Ks)代入上式，令代入上式，令R=hR=h=5.57u1/u2-5.27u1/u2-1c=(u1/u2-1)h1/65.57(u1/u2+0.95)n多测几点流速，计算多测几点流

13、速，计算KsKs和和n n值，以供值，以供校核，或取平均。校核，或取平均。U UU U* *=c cg g作业或习题P16第一题；已知某河实测水深第一题；已知某河实测水深H=3.6米，三点法测得的流米，三点法测得的流速分别为速分别为U0.2=1.82m/s, U0.6=1.60m/s, U0.8=1.50m/s, 试求河床的粗糙高度试求河床的粗糙高度KS及曼宁糙率及曼宁糙率n。U=1nR2/3J1/2曼宁公式曼宁公式U*=gRJ;U UU U* *=c cg g1.4 河流泥沙的来源与几何特性河流泥沙的来源与几何特性 一、泥沙的来源一、泥沙的来源 泥沙：指所有在流体中运动或受水流、风力、波浪、

14、泥沙：指所有在流体中运动或受水流、风力、波浪、冰川及重力作用移动后沉积下来的固体颗粒碎屑冰川及重力作用移动后沉积下来的固体颗粒碎屑钱宁、钱宁、1983）。粒径大小可差数十）。粒径大小可差数十数万倍。粒径数万倍。粒径大小一般变化在大小一般变化在0.001100.0mm 。 主要来自岩石的风化，土壤侵蚀，火山喷发产生主要来自岩石的风化，土壤侵蚀，火山喷发产生的火山灰、生物骨骼、贝壳分解及人类各种生产活的火山灰、生物骨骼、贝壳分解及人类各种生产活动的废弃物。动的废弃物。 河流泥沙的来源可以分为两类：一类是来自流域降河流泥沙的来源可以分为两类：一类是来自流域降雨形成的地面径流对地表的冲蚀，通常称为水土

15、流雨形成的地面径流对地表的冲蚀，通常称为水土流失；另一类是从原河床沉积层冲刷起来的。河流泥失；另一类是从原河床沉积层冲刷起来的。河流泥沙在运动过程中与床沙相互交换，塑造了不断变化沙在运动过程中与床沙相互交换，塑造了不断变化的河床形态。的河床形态。 按导致土壤侵蚀的外营力种类划分按导致土壤侵蚀的外营力种类划分 在我国引起土壤侵蚀在我国引起土壤侵蚀的外营力种类主要有水的外营力种类主要有水力、风力、重力、水力力、风力、重力、水力和重力的综合作用力、和重力的综合作用力、温度温度( (由冻融作用而产生由冻融作用而产生的作用力的作用力) )作用力、冰川作用力、冰川作用力、化学作用力等，作用力、化学作用力等

16、，因此土壤侵蚀类型就有因此土壤侵蚀类型就有水力侵蚀、风力侵蚀、水力侵蚀、风力侵蚀、重力侵蚀、冻融侵蚀、重力侵蚀、冻融侵蚀、冰川侵蚀、混合侵蚀、冰川侵蚀、混合侵蚀、化学侵蚀和生物侵蚀等化学侵蚀和生物侵蚀等类型。类型。水力侵蚀类型水力侵蚀类型冰川侵蚀类型冰川侵蚀类型风力侵蚀类型风力侵蚀类型冻融侵蚀类型冻融侵蚀类型重力侵蚀类型重力侵蚀类型土土壤壤侵侵蚀蚀类类型型混合侵蚀类型混合侵蚀类型化学侵蚀类型化学侵蚀类型生物侵蚀类型生物侵蚀类型 水土流失水土流失soil Loss) 包括水和土的流失两个方包括水和土的流失两个方面。它与土壤侵蚀概念不同。从侵蚀作用面。它与土壤侵蚀概念不同。从侵蚀作用 力来看，力来

17、看，为水力侵蚀，水土流失量是指离开某一范围的地为水力侵蚀，水土流失量是指离开某一范围的地表物质总和，一般土壤侵蚀量大于水土流失量。表物质总和，一般土壤侵蚀量大于水土流失量。 土壤侵蚀与产沙土壤侵蚀与产沙sediment yield) 也是两个不同的概念，产沙是指侵蚀的土壤量能也是两个不同的概念，产沙是指侵蚀的土壤量能够到达流域出口的泥沙量。因而，产沙小于侵蚀够到达流域出口的泥沙量。因而，产沙小于侵蚀量，两者之间用泥沙输移比表示。如以长江上游量，两者之间用泥沙输移比表示。如以长江上游宜昌，宜昌，20世纪世纪80年代平均侵蚀量为年代平均侵蚀量为15.7亿吨，同亿吨，同期宜昌站输出沙量期宜昌站输出沙

18、量5.49亿吨亿吨 流域地表水土流失的严重程度是用侵蚀模数流域地表水土流失的严重程度是用侵蚀模数M来表示的，它表示流域上每平方公里地面来表示的，它表示流域上每平方公里地面每年冲蚀的泥沙量。黄土高原的每年冲蚀的泥沙量。黄土高原的M大于大于1000t/(km2.a)。相当于地面每年普遍被冲走。相当于地面每年普遍被冲走0.6mm以上厚的土层。陕北个别地区以上厚的土层。陕北个别地区M高达高达10000t/(km2.a)。我国南方流域。我国南方流域M一般一般100t/(km2.a)左右。左右。 河流中泥沙的含量随区域水土流失情况的不河流中泥沙的含量随区域水土流失情况的不同差异很大。黄河干支流河道实测最大

19、含沙同差异很大。黄河干支流河道实测最大含沙量达到量达到1500kg/m3，平均为，平均为300kg/m3，国，国内外主要河流的含沙量见表。内外主要河流的含沙量见表。土壤侵蚀的危害表现为：土壤侵蚀的危害表现为： （1水资源和土壤资源恶化。年流失耕地表层水资源和土壤资源恶化。年流失耕地表层土壤土壤1cm，流失的养分相当于，流失的养分相当于4000万万t的化肥量。的化肥量。 （2农田、耕地水沙为害。沟壑纵横切割造成农田、耕地水沙为害。沟壑纵横切割造成耕地大面积破坏。耕地大面积破坏。 （3对下游水系的危害。河床抬高，防洪能力对下游水系的危害。河床抬高，防洪能力下降，湖泊面积缩小，调蓄能力减小。下降，湖

20、泊面积缩小，调蓄能力减小。 （4流域内水库淤积、库容减少、水利设施效流域内水库淤积、库容减少、水利设施效率降低。率降低。 二、泥沙颗粒的大小二、泥沙颗粒的大小粒径粒径 1 1、等容粒径：体积相当的球体直径；粗颗粒、等容粒径：体积相当的球体直径；粗颗粒 2 2、平均粒径：算术平均和几何平均；、平均粒径：算术平均和几何平均； 2 2、筛分粒径：刚好能通过筛孔的粒径；停留在、筛分粒径：刚好能通过筛孔的粒径；停留在D1D1，通过通过D2D2的平均粒径；细颗粒的平均粒径；细颗粒 3 3、沉降粒径：粒径小于、沉降粒径：粒径小于0.1mm0.1mm。0.1mm0.1mm的细沙的细沙 泥沙颗粒分类：方法很多，

21、结果有差别。泥沙颗粒分类：方法很多，结果有差别。三、泥沙的群体特性三、泥沙的群体特性三、泥沙的群体特性三、泥沙的群体特性三、泥沙的群体特性三、泥沙的群体特性1.3 泥沙的重力特性和浑水性质泥沙的重力特性和浑水性质一、泥沙的容重一、泥沙的容重 容重：泥沙颗粒的重量与其实际体积之比，用容重：泥沙颗粒的重量与其实际体积之比，用 。 与泥沙与泥沙的矿物组成决定。一般分为胶体分散矿物、轻矿物和重矿的矿物组成决定。一般分为胶体分散矿物、轻矿物和重矿物。物。s1.5 泥沙的重力特性和浑水性质泥沙的重力特性和浑水性质s二、泥沙淤积物干容重二、泥沙淤积物干容重 （1泥沙淤积物干容重泥沙淤积物干容重specifi

22、c weight) 单位体积的沙样干燥后的重量。也称干密度单位体积的沙样干燥后的重量。也称干密度 。由于泥。由于泥沙颗粒存在孔隙，干容重一般小于个体颗粒的容重。在沙颗粒存在孔隙，干容重一般小于个体颗粒的容重。在分析河床冲淤变化时，泥沙冲淤的重量必须通过泥沙的分析河床冲淤变化时，泥沙冲淤的重量必须通过泥沙的干容重换算为泥沙冲淤体积。干容重换算为泥沙冲淤体积。 影响干容重的主要因素有粒径组成，淤积历时，埋藏的影响干容重的主要因素有粒径组成，淤积历时，埋藏的深度和环境等。深度和环境等。 （2干容重计算方法干容重计算方法su（3 3泥沙粒径对干容重的影响；泥沙粒径对干容重的影响；u（4 4干容重与淤积深度和淤积历时关系；干容重与淤积深度和淤积历时关系；u（5 5泥沙的水下休止角：静水中的泥沙由泥沙的水下休止角：静水中的泥沙由于摩