泥沙运动力学

1、泥沙运动力学水力学基础持续介质：流体是由持续散布的流体质点组成的介质。粘性力：由于存在内摩擦，一层流体对相对运动的另一层流体产生阻力。牛顿内摩擦定律：牛顿流体粘性切应力与流体切边率成正比关系。拉格朗日法：着眼于流体质点，跟从流体质点一路运动，记录流体质点在运动进程中各类物 理量随所到位置和时刻的转变和规律。欧拉法：着眼于空间点，把流体物理量表示为时空位置和时刻的函数。流体无力量在不同时 刻的时空散布。迹线：流体质点在空间运动时所刻画出来的曲线叫做轨迹。流线：流线是如此的曲线 于某一固按时刻，该曲线上各点的速度方向与该点的切线方向一 致。理想流体：不可紧缩的、没有粘滞性称为理想流体。持续方程：d

2、 P+ PV 讨=0不可紧缩流体：密度为常数，那么和时刻无关。那么V v = 0可紧缩定常流：变量与时刻无关。那么雷诺数：Re=惯性力/粘性力弗洛伊德数：Fr=惯性力/重力q 2伯努利方程：4厂+兀 + p = const由于有粘滞力因此总能量必然是慢慢减少的。泥沙特性泥沙来源泥沙：在流体中运动或受水流，风力，波浪，冰川和重力作用移动后沉积下来的固体颗粒碎 屑。泥沙的来源：岩石的风化是泥沙的重要的来源。它包括机械的分离和化学的分解两个方面。泥沙矿质的组成：长石，石英，云母石，高岭土，氧化铁泥沙特性有泥沙颗粒的特性和泥沙群体的特性两种。泥沙颗粒的特性要紧有：重度，单位体积泥沙颗粒的重量，以千克/

3、米3表示，其数 值随泥沙的岩性不同而异，矿物成份主若是石英和长石，泥沙的重度一样约2650千克/米3。 粒径，泥沙颗粒大小的一种量度，有不同方式表示。经常使用的有等容粒径即体积与泥沙 颗粒相等的球体的直径；筛径,即用具有不同孔径的标准筛，对泥沙进行分筛求出的粒径；沉 降粒径，即依照粒径与沉降速度的关系算出的粒径等。沉速，指泥沙颗粒在无边界静水内 的沉降速度，以米/秒或毫米/秒表示。它也可作为泥沙颗粒大小的一种量度，故又称泥沙的 水力粗度。沉速综合反映颗粒和水的特性，因此是泥沙运动的一个重要参数。细粒泥沙表 面的物理化学性质，要紧决定于颗粒表面双电层和吸附水膜的性质。细颗粒泥沙的絮凝（见） 和分

4、散等现象都与双电层和吸附水膜的结构有关。泥沙群体的特性，泥沙老是由无数大小不同、形状不同和矿质不同的颗粒混合而成，呈 群体形式存在。这种泥沙群体要紧的统计特性有：粒径散布，一样颗粒大小不同较大，很 离散，经常使用泥沙颗粒级配曲线表示（图1）。泥沙颗粒粒径的算术平均值称算术平均粒 径。中值粒径，即在泥沙颗粒级配曲线上与纵坐标50%相应的粒径，在全数沙群中，大 于或小于这一粒径的泥沙在重量上恰好相等。用中值粒径归纳泥沙群体的粒径能较小受极端 值（最大及最小粒径）的阻碍。泥沙群体的干容重和孔隙率，干容重指单位体积泥沙群体 内干燥泥沙的重量，以吨/米3计。孔隙率指单位体积泥沙群体内间隙所占的体积。均匀

5、 沙的群体沉速，当大小相同的沙粒群体的含沙量大于2%左右时，颗粒将彼此连累，混为一 体，全数颗粒以同一速度下沉，这种沉速称为均匀沙的群体沉速。细颗粒泥沙表面的物理化学作用泥沙颗粒愈细，单位体积泥沙颗粒所具有的表面面积（比表面积）愈大。这时，颗粒表 面的物理化学作用常对它的冲洗，输移和沉积起着十分重要的作用。泥沙颗粒在含有电解质的水中，使得泥沙表面带有必然符号的电荷。一样泥沙颗粒表面总有 负电荷。由于电荷在静电的吸引作用下，异号离子散布在颗粒周围的水中。颗粒表面的电荷不仅吸引异号离子，也吸引水分子。在泥沙表面负电荷的作用下，使靠近颗粒表面的水分子失去了自由活动的能力而整齐 的，紧密的排列起来，形

6、成了黏结水3。有壮大的黏滞性，弹性，抗剪强度。如此这些水 也就失去了传递静水压力的能力。围绕在黏结水外面的水分子尽管受到静电引力的作用，可是由于距离颗粒表面的距离远 了，因此强度也小了，那么水分子所失去的活力的能力也小了，这部份水称为是黏滞水。黏滞水和黏结水总称束缚水。束缚水之外的水体确实是自由水。黏结水和它所含有的离子与颗粒表面组成了双电层的内层，吸附层。黏滞水和它所含有的离子组成了双电层的外层，扩散层。决定双电层厚度和电动电位转变的因素有1.泥沙颗粒的矿物质2.水的化学成份。当水中电解质的离子浓度增大时，反离子向固相表面挤缩，更多的离子从扩散层转移到 吸附层，双电层的厚度减少，扩散层的电位

7、也降落。相反那么不同。絮凝和分散吸引力的强弱与扩散层的厚薄有紧密的关系。增强泥沙颗粒的沉降，就要增强絮凝，那么就要增强水中电解质的离子浓度。但有一个 临界值。浑水的性质泥沙的沉速沉速的概念：一个孤立的圆球，在无穷静止的水体中作等速沉降运动。受到重力和阻力作用。绕流：流体绕过置于无穷流体中的物体的流动，或物体在无穷流体中运动绕流阻力：If = d+f流体绕过固体时，流体对固体的作使劲。总阻力FD包括流体的摩擦阻力D和压差阻力Fp。流体的摩擦阻力D是指物体表面切应力在来流方向的总和。又称肤面阻力。压差阻力Fp是由物体表面上的压力所引发的合力在来流方向上的分量。压差阻力取决于物 体表面形状，故又称为

8、形状阻力。单颗粒泥沙的沉降速度泥沙下降的三种状态：滞性状态Red，过渡状态0.5R i000（沙粒雷诺数Red）沉速公式：3 = 梧 jLL gd Red=3d/V沙粒雷诺数很小的时候。=过渡区的泥沙沉降速度：由上式能够看出:如温度不变,当粒径增大时，属于滞性阻力作用的阻碍会慢慢减小并当粒径d 趋于临界值后，滞性因素的作用能够忽略不计，这时只有紊动阻力的因素起着决定作用。当粒 径d减小时，两种阻力的作用关系与上述情形正好相反。群体泥沙的沉降速度阻碍泥沙沉降速度的因子河流与河口的不同动力机制不同，即受到径流的阻碍，也受到潮汐的作用。河口受到潮汐的阻碍，会有盐水入侵的阻碍。会增进絮凝有利于沉降。颗

9、粒形状对沉速的阻碍d0.01-0.02mm为临界值边界条件对沉速的阻碍含沙浓度对沉降的阻碍含沙量高：粗颗粒1.向上补充水流，W变小引发水流紊动，W变小变大，浮力变大，W变小 m细颗粒1.2.3.絮凝，W变大粘滞系数变大，W变大水流紊动对沉降的阻碍絮凝和分散对沉降的阻碍含沙量阻碍下的沉速3s/%=(1-Sv)m上式中指数m与沙粒雷诺数(Red=%d/v)有关介质阻碍下的沉速/%=(V/Vm)形状阻碍下的沉速 ws/w0=1-Sv/21- Sv2/(1+(rs-r)/r*Sv)悬移质运动悬移质的产生主若是由于水流的紊动，带起了在作跃移质的泥沙。悬移质的概念：悬浮在水流中随水流运动的泥沙颗粒。天然河

10、流多数属紊流，其中存在着许多尺度不等、具有不同运动速度和旋 转方向的涡体。从床面上掀起的泥沙颗粒进入主流区后，若是碰到向上的紊动涡体，就会被 带入更高层的水流中去，并随水流一路运动，成为悬移质。推移质及悬移质的相对重要性流速较低时，泥沙大体以滑动，转动或跃移的形式运动，运动的范围仅限于河床表层以上 相当于1-3倍泥沙粒径的区域内，这一区域称为床面层。流速加大后，一部份泥沙进入主流区以悬移的形式运动，一部份泥沙那么仍在床面层内以 推移的形式运动。随着流速的继续加大，悬移质的相对重要性日趋超过推移质。流速超过某一限度后，河床表层一下的层移运动开始显现。推移质运动和悬移质运动的不同运动规律的不同。能

11、量来源的不同。悬移质运动：水流紊动的动能推移质运动：水流的能量对河床作用的不同。.悬移质增加了水流的单位容重，加大了水体的静水压力，使的河床稳固性下降.悬移质阻碍了河床颗粒间的水体。推移质直接阻碍了河床颗粒本身。床沙质与冲泻质的区别床沙质：粗颗粒泥沙能够看成直接自上游河床，是从床沙中带起进入运动的泥沙。冲泻质：细颗粒泥沙从流域面上冲洗外移以后，在来到河段以前，沿程很少在河槽中停留，大体是一泻千里，维持本来面目。冲泻质要紧以细沙为主，因此要紧以悬移的形式 运动。悬移质对水流结构的阻碍悬移质能够在水流上部的主流区提供更多的能量。挟沙水流的流速梯度较大，消耗的能量比较多。悬移质限制了紊动，主若是使紊动尺度减少。挟沙水流的主流区的流速散布遵循对手公式，卡门数变小了。扩散理论高浓度向低浓度扩散与梯度，浓度有关等于浓度梯度与扩散系数的乘积二度恒定均匀流不冲不淤相对平稳情形下时均含沙量沿垂线散布的方程式：H-Rouse公式(h -1)S =Sha 1az KU*水流挟沙力在必然的水流及边界条件下，能够通过河段下泄的沙量称为水流的挟沙力。水流的挟沙包括 推移质和悬移质在内的所有沙量。阻碍挟沙力的因素水流条件：流速，水深，比降，重力作用水的物理性质：容重，黏性泥沙的物理性质：容重，沉速，粒径边界条件：河床物质，河宽 由于悬移质占输