河流动力学2015 第4章泥沙的起动6-8

1、第四章第四章 泥沙的起动泥沙的起动 第1节 泥沙起动的物理机理第2节 均匀沙的起动条件第3节 非均匀沙的起动条件第4节 斜坡上泥沙的起动流速第5节 止动和扬动流速 ：维持泥沙颗粒静止状态的平衡条件遭到破坏，床面泥沙由静止状态转变为运动状态的临界水流条件，就是所谓的泥沙的起动条件。 第1节 泥沙起动的物理机理 uW有效重力?静止静止运动运动外力作用外力作用重力重力水流水流河床河床gudCFbDD2221gudCFbLL2222uW有效重力?33)(dWs1）与沙粒间的空隙厚度有关；2）与沙粒水平面上的投影有关；3）与沙粒所受铅直下压力有关；4）与水的纯洁度和化学成分有关；)()(124hhddd

2、NasencdN)(21NNNdhhNk21dN22河床河床水流水流泥沙起动泥沙起动河床河床水流水流泥沙起动泥沙起动粒径、形状、排列随机粒径、形状、排列随机紊动随机紊动随机具有随机性具有随机性水流强度水流强度能够起动的粒径能够起动的粒径粘性颗粒粘性颗粒D粒径小，起动条件呈非单调性，存在临界粒径粒径小，起动条件呈非单调性，存在临界粒径临界粒径在临界粒径在0.1mm附近附近河口河口l 无泥沙运动，全部床沙处于无泥沙运动，全部床沙处于静止状态静止状态l 轻微泥沙运动轻微泥沙运动, ,有有屈指可数屈指可数的泥沙推移运动的泥沙推移运动l 中等强度泥沙运动，泥沙运动达到中等强度泥沙运动，泥沙运动达到无法计

3、数无法计数的程度的程度l 普遍性的泥沙运动，引起普遍性的泥沙运动，引起床面外形的改变床面外形的改变 也就是床面上总是这里或那里有一些沙粒由静止转入运动，或继续处于静止状态sdAtm5 以推移质输沙率达到14cm3/mmin（单宽推移质输沙率）作为起动标准。1/dgsb=0.000217=0.000217 作为起动标准作为起动标准 gdCsD341，DC为将沙粒看成球体时的推移力系数。为将沙粒看成球体时的推移力系数。 绘图法绘图法：绘制单宽推移质输沙率绘制单宽推移质输沙率 G Gb b与相应的垂线平均流速与相应的垂线平均流速 U U或床面拖曳力或床面拖曳力0的关系，的关系， G Gb b趋于趋于

4、 0 0 处的处的 U U 或或0即为相应的起动即为相应的起动流速及起动拖曳力，即取推移质输沙率为流速及起动拖曳力，即取推移质输沙率为 0 0 作为起动判别标作为起动判别标准；准； 粒径比法：粒径比法：量测推移质的粒径取其最大粒径，或推移质最大量测推移质的粒径取其最大粒径，或推移质最大粒径与床沙中更大一级粒径的平均值作为相应水流条件下的粒径与床沙中更大一级粒径的平均值作为相应水流条件下的起动粒径。起动粒径。 (3) 起动判别标准弱动2.泥沙起动的特性中动普动悬移质悬沙悬移质悬沙床沙床沙 水流对床水流对床面施加作面施加作用力用力暴露的颗暴露的颗粒产生运粒产生运动趋势动趋势颗粒进行颗粒进行跃移运动

5、跃移运动颗粒进行颗粒进行悬移运动悬移运动颗粒由静止起动时，流颗粒由静止起动时，流速必须大于速必须大于起动条件起动条件。 颗粒起动颗粒保持运动颗粒沉降颗粒起动后，流速降到颗粒起动后，流速降到小于起动流速时，动者保小于起动流速时，动者保持运动、静者保持静止。持运动、静者保持静止。 流速降到流速降到止动条件止动条件以下以下时，颗粒向床面沉降，停时，颗粒向床面沉降，停止运动、静止下来。止运动、静止下来。 ?静止颗粒u受力分析：W?有效重力? 流体中颗粒的绕流问题球体+均匀来流均匀U压强大压强小FD+-如何确定水流对颗粒的作用力？切应力回流区流体中颗粒的绕流问题球体+不均匀来流不均匀U切应力大切应力小滚

6、动力矩切应力分布+-FDFL分离点靠前分离点靠后LDFFF有效面积系数推力及举力系数guDACFDD22021水流推力：guDACFLL22022上举力：有效重力：33)(DAWs力的表达式: 散粒体均匀沙起动的临界条件作用于颗粒的代表流速u力的平衡方程：泥沙起动滚动FDFLW?K3DK1DK2DDWKDFKDFKLD321=+力矩平衡：guDACFDD2=2021水流推力：guDACFLL22022上举力：有效重力：33)(DAWs代入各力的表达式，化简：gDaCKaCKaKusLDc 2122113302cu0近底流速缺点：作用于泥沙的近底流速不易确定，测量困难近底流速与垂线平均流速的联系

7、mx)hy(U)m(u+1=hyumaxgDaCKaCKaKusLDc 2122113302近底流速mscDhgDU)( 21221133)2()1(1aCKaCKaKamLDm aD起动临界垂线平均流速根据实测资料反求系数，得到：61)(14. 1DhgDUsc 沙莫夫公式D0.2mm3161616 . 4)(14. 1DhDhgDUsc 常用形式：粘性泥沙颗粒的起动流速公式： 取泥沙颗粒研究对象 ，力的平衡方程式：张瑞瑾通过实测资料求得：140=720=000004960=341=21.m,.s ,.C,.C2/172. 014. 01000000605. 06 .17)(dhgd-dhU

8、sc+=0经化简得：【（二）唐存本公式】encdN)(【（三）窦国仁公式】1. 瞬时流速近似正态分布：2. 粘结力由两部分组成：21NNNdhhNk21dN223. 力的平衡方程式：【（三）窦国仁公式】【（四）沙玉清公式】例： 某河床组成均匀的宽浅河道，河宽B200m，水深h3m，泥沙粒径d2.0mm，在通过流量Q360ms时，河床是否稳定？若在河上修建围堰，将河宽缩窄为b150m，此时河床是否仍然稳定？如果发生冲刷，试确定冲刷终止时的水深h0（提示：不考虑岸壁侧向侵蚀，利用沙莫夫公式计算） 解：（1）计算垂线平均流速UUQBh360（2003）0.6（m/s）根据沙莫夫公式求起动流速7 .

9、0002. 036 . 46 . 431213161cdhU因为UUc，所以修建围堰前河床稳定。(m/s)（2）修围堰以后，河床是否稳定？修建围堰后，水流条件发生变化，即 (m/s)因为UUc，所以河床将发生冲刷。8 . 03150360BhQU（3）计算修建围堰后冲刷终止时的水深h0。河床不冲刷必须满足U=Uc，即 =3.38(m)故冲刷终止时河道内水深h0为3.38m。3161006.4dhbhQ763176310002. 06 . 41503606 . 4dbQh二 散体泥沙的起动拖曳力公式 起动拖曳力：起动拖曳力：泥沙处于起动状态的床面剪切力，大泥沙处于起动状态的床面剪切力，大小等于小

10、等于单位面积床面上单位面积床面上的水体重量在的水体重量在水流方向的分力水流方向的分力。 USiO2床面拖曳力：床面拖曳力：2*0UhJFD DUn有效重力W:6)(3DWsn上举力FL:24202UDCFLLn水流推力FD:24202UDCFDD床面沙粒开始滑动的条件为:fFD)(LDFWkFLDkFFWkFD DU24246)(2022023UDkCUDCDkLDsLDkFFWk 其中CD,CL,k 都与沙粒雷诺数有关,)(*2*0DufuU 2*2)()(86)(DufkCCDkLDcs2*2)()(34)(DufkCCkDLDsc)()(*DufDscnShields起动拖曳力公式希尔兹

11、数假定垂线流速分布是对数型流速分布： 可得y=D处附近的流速为： skyUU2 .30lg75. 5*)(*2*0DUfUU （2） Shields曲线及其特点:2） Re=10,最易于起动;3） Re10,起动拖曳力随粒径的增大而增大； 5） Re1000, 接近一常数0.06。Dsc)(/1）弯曲带状，开口向上;（2） Shields曲线及其特点:2） 在沙粒雷诺数很大时，Shields数上限取0.06，下限取0.04；1）沙粒雷诺数小于2以后，希尔兹没有实测点。根据其他实测资料可知，Shields数与沙粒雷诺数的0.3次方成反比；钱宁对Shields曲线的研究与修正：gDDs1 . 03

12、 . 0Re10. 0)( Dsc（3） Shields曲线的应用: 求起动拖曳力gDDs1 . 03 . 0Re10. 0)( Dsc求起动拖曳力时需进行试算； 图解法， 试算法(1) 在图中增加一组以sgDD1 . 0为参数、斜率为2的辅助直线。(2)在 的横线上，横坐标 值 与辅助线的参数值相等。1 . 0Re即在 的横线上， 而1 . 0gDDDusc*1 . 0Re=gDusc*1 . 0=(4)由于辅助线的斜率为2，图形为双对数，则2)lg(Re)1 . 0lg()lg() 1 . 0lg(gDDAs横坐标值应为：AgDDDus/1 . 0/1 . 0RegDAusc*=gDDs1

13、 . 0(3)任取一条辅助线，其与 横线的坐标为（ ,0.1）1 . 0sgDD1 . 0假设其与Shields曲线交点的横坐标为 ，纵坐标值为A 。Re即AgDuDssc=/ )()(2c*gDAusc-*=（1）（2）公式(1)和(2)表明纵横坐标的U*相等,满足DugDus2（3） Shields曲线的应用: 求起动拖曳力求起动拖曳力时需进行试算； 图解法， 试算法gDDs1 . 0A AB B 先求出A点大小，然后做辅助线，与Shields曲线交与B点，过B点做平行线与纵轴交与C点，即为所求。C C思考：（1）Shields曲线中辅助倾斜线的斜率2是否可以取其他值？（2）图解计算时选择

14、参数为 ，是否还可以取其他值？例如， 。sgDD1 . 0sgDD2 . 0Shields曲线中辅助倾斜线的选择：gDDs1 . 0倾斜线的方程：1）任取一泥沙颗粒摩阻流速U*；2）计算泥沙颗粒雷诺数Re*;3）利用希尔兹曲线查得或拟合公式计算出相对起动 拖曳力c，然后根据公式计算颗粒摩阻流速U1*；4）如果U1* U*，重新取U*，重复2、3步，直至两 者相等。5）利用U1* U*时的c值，根据公式计算泥沙起动拖曳力 。 利用试算进行泥沙起动拖曳力的计算步骤：cs2c*gdUdsccc0c0c0c0gDDs1.08.0Re10.0)(Dsc3161006.4dhbhQ流速U起动流速Uc泥沙运

15、动，河床冲刷河深h增加，流速U减小当U= Uc，河床稳定计算河床稳定时水深预测河床冲刷深度3) 计算推移质输沙量根据河床稳定时的冲刷深度，计算推移质输沙量。例： 某河床组成均匀的宽浅河道，河宽B200m，水深h3m，泥沙粒径d2.0mm，在通过流量Q360ms时，河床是否稳定？若在河上修建围堰，将河宽缩窄为b150m，此时河床是否仍然稳定？如果发生冲刷，试确定冲刷终止时的水深h0（提示：不考虑岸壁侧向侵蚀，利用沙莫夫公式计算） 解：（1）计算垂线平均流速UUQBh360（2003）0.6（m/s）根据沙莫夫公式求起动流速7 . 0002. 036 . 46 . 431213161cdhU因为U

16、Uc，所以修建围堰前河床稳定。(m/s)（2）修围堰以后，河床是否稳定？修建围堰后，水流条件发生变化，即 (m/s)因为UUc，所以河床将发生冲刷。8 . 03150360BhQU（3）计算修建围堰后冲刷终止时的水深h0。河床不冲刷必须满足U=Uc，即 =3.38(m)故冲刷终止时河道内水深h0为3.38m。3161006.4dhbhQ763176310002. 06 . 41503606 . 4dbQhu 二 水槽水深20cm，坡降0.01。均匀床沙粒径0.6mm，水温20度，试分别用Shields曲线和沙莫夫起动流速公式判断泥沙是否起动。gDDs1 . 08 . 0Re10. 0)( Ds

17、c作业题: 一 什么是泥沙的起动条件？通常有哪两种物理量描述起动条件？如何理解泥沙起动的随机性？定性说明从粘性到卵石不同粒径泥沙颗粒起动时受力情况和相应起动条件的变化规律。（武汉大学考研考博试题）360网盘：密码：ncwu123456 1、非均匀沙的起动条件复杂的原因？2 非均匀沙运动与均匀沙相比有如下几个显著特点 2.1 起动的阶段性 非均匀沙起动存在四个不同阶段，即床沙颗粒不动状态；床沙中细小颗粒开始运动而粗颗粒泥沙静止不发生输移的状态；床沙中中等颗粒泥沙分选起动以及床沙全部冲刷输移阶段。 2.2 非均匀沙起动的不恒定性 在Kramer定义的泥沙起动第三阶段中，随着细颗粒泥沙的冲刷外移，床

18、沙中泥沙组成变粗，床沙粗化，可动泥沙颗粒逐渐减少，这样势必会降低河道的输沙能力(即发生粗化过程)； 从另一方面讲，如果河段上游来沙充分且组成较细，河床发生淤积，床沙组成逐渐变细，有利于提高河道的挟沙能力(即发生细化过程) 。故粗化、细化过程是天然河道冲淤交替的反映，同时反过来也影响河道的冲淤特性。由此可见：非均匀沙的起动和输沙过程是床沙粗化、细化的过程，具有不恒定的特性。 2.3 非均匀沙的隐暴特性 随着水流强度的增加，床沙在水流作用下发生分选。细颗粒泥沙被冲刷外移，填充在粗颗粒泥沙的副流区，受到粗颗粒泥沙的阻挡和隐蔽，除受阵发性向上漩涡的作用而可能逸出隐蔽区外，细颗粒泥沙处于被保护，静止不动的状态；与细颗粒相反，粗颗粒泥沙随着床沙分选而逐渐从床沙中“突现”（暴露）出来，水流对粗颗粒泥沙的作用增强。 第四节 斜坡上泥沙的起动流速22)(KFFUURPccccKUU22202201cos1sinmmmmmK,1800时当,360180时当; 1K; 1KmscdhgdU)(cc2222tancossincostansinsinccK,1800时当,360180时当; 1K; 1K颗粒由静止起动时，流颗粒由静止起动时，流速必须大于速必须大于起动条件起动条件。 颗粒起动颗粒保持运动颗粒沉降颗粒起动后，流速降到颗粒起动后，流速降到小于起动流速时，动者保小于起动流速时，动者保持