高含沙水流2012课件

第九章

高含沙水流运动静止床面泥沙起动推移质运动推移质、悬移质运动推、悬运动推、悬、中性悬浮质运动推、悬运动，紊动减弱推、悬运动，中性悬浮质运动加强，紊动减弱层移质的层流流态层移质、中性悬浮质的层流流态中性悬浮质运动水石流粘性泥石流高含沙水流（伪一相流）两相流一相流1234567钱宁所描绘的泥沙运动发展模式（1）钱宁所描绘的泥沙运动发展模式（2）推移质、悬移质运动推、悬运动推、悬、中性悬浮质运动454—>5阶段取决于流域中小于0.01mm的细粉沙及粘土的补给，如果含量较多，则向B方向发展，将出现中性悬浮质运动中性悬浮质：由于粘性颗粒形成一定的结构而产生的结构力，支持一定重量的泥沙悬浮而在水体中不沉降，这部分泥沙称为中性悬浮质。AB推、悬运动，紊动减弱层移质的层流流态层移质、中性悬浮质的层流流态中性悬浮质运动676—>7阶段，推移质运动的进一步加强，使得河床表面泥沙不再以跳跃滚动为主，而是以成层剥离为主，形成层移质运动。同时，因为悬移质运动加强，而其能量来源为水流的紊动动能，因此紊动动能逐渐减弱，反过来又遏制了悬移质运动最终使悬移质运动消亡。推、悬运动，中性悬浮质运动加强，紊动减弱钱宁所描绘的泥沙运动发展模式（3）层移质的层流流态层移质、中性悬浮质的层流流态中性悬浮质运动7阶段7，悬移质运动已经消亡。分为两种情况：1.细颗粒泥沙极多，流体已呈现非牛顿流体状态，全部泥沙转化为中性悬浮质，和水组成均匀液体，流体属于伪一相流2.细颗粒并不很多时，水流中较细的颗粒转化为中性悬浮质，较粗的泥沙颗粒继续以层移质形式运动。由于层移质从水流势能中获取能量，因此，只有在比较陡的坡降下才会出现，形成粘性泥石流3.流域中可补给的细颗粒泥沙极少时，粗颗粒泥沙基本不能形成非牛顿流体，全部泥沙转化为层移质运动，形成高浓度的水石流，由于液相中缺乏细颗粒泥沙来有效降低沉速，因此水石流要求的比降比泥石流高得多钱宁所描绘的泥沙运动发展模式（4）高含沙水流的特点：高含沙水流必须有一定的细粉沙和粘土为骨架，来自沙漠区的河流不可能形成高含沙水流泥沙含量增大后，泥沙沉速大幅降低，在高含沙水流中，砾石和粗沙可能以悬浮的状态运动，含沙量越高，水流中挟带的泥沙越粗一般高含沙水流为紊流型两相流，水和中性悬浮质组成的浆液构成液相，而推移质和悬移质组成固相第一节高含沙水流的基本特性一、流变特性及流变参数的确定流变特性:牛顿流体：清水、低含沙水流幂律流体：纸浆、面粉团屈服伪塑性流体宾汉流体：泥浆、血浆第一节高含沙水流的基本特性流变方程:表观粘度的表达式：(一)流变特性牛顿流体：宾汉流体：幂率流体：屈服伪塑性体：粒径小于0.01mm的粘性细颗粒含量粘性细颗粒电化学作用絮凝絮网粘性增加絮网的破坏和生成达到平衡宾汉流体的生成发展过程达到宾汉极限剪切力流体运动(二)流变特性的机理及其影响因素介质化学性质，固体颗粒条件对刚性系数的修正：假设：泥沙颗粒为刚性球体，粒间距较大，颗粒对周围介质流动的影响范围互不干扰因此适用于含沙量较低的情况运用了黄河郑州段以及官厅水库的8种泥沙进行试验研究(三)流变参数的确定爱因斯坦公式（1）钱宁、马惠民公式（2）考虑了薄膜水和絮网间的封闭自由水的影响考虑了薄膜水和絮网间的封闭自由水的影响，并分析了黄河干支流的54组泥沙沙样试验结果对刚性系数的修正：禇君达公式（3）费祥俊公式（4）宾汉极限剪切力的修正：费祥俊公式：其中：二、沉降特性及沉降速度群体沉速(一)粗颗粒均匀沙群体沉速二、沉降特性及沉降速度群体沉速当沉降处于紊流区时，m=1.4；过渡区时，m=1.4~3.5褚君达公式：理查森及扎基：m随Red变化关系，见表9-1.(二)含较多细颗粒非均匀沙群体沉速絮凝和网状结构群体沉速钱宁、万兆惠第1区，离散颗粒与离散絮团制约沉降区。第2区，离散颗粒在絮网结构体中沉降区。第3区，絮网结构体整体缓慢沉降区。含有细颗粒的高含沙水流中泥沙的沉降分区第1区第2区第3区0.05mm三、流动特性（一）流态“高强度紊流”比降大，流速高，雷诺数大，水流急，紊动充分发展【流态及流区】“复杂结构流”纵向流速和紊动强度沿垂线的分布：流核区：非流核区：流速与紊动强度沿垂线分布高含沙水流的分区阻力系数及有效雷诺数的关系进行分区：“层流流区，紊流光滑区，过渡区，紊流粗糙区”（二）分区紊动流变参数的影响絮网的结构的影响宾汉剪切力减小破坏絮网结构层流流区，紊流光滑区，过渡区,紊流粗糙区”（二）紊流区流速分布王明甫：高含沙宾汉体紊流：高含沙二维恒定均匀明流的流速分布公式流核区：非流核区：非流核区：流核区：（三）紊动特性（1）紊动强度沿垂线的分布（2）紊动频率及紊速的概率密度分布高斯正态分布流核区紊动强度近似为零；非流核区存在明显紊动；（四）阻力特性影响因素为：水流的粘度、紊动程度及河床边界条件第二节高含沙水流的泥沙运动及河床演变特点一泥沙运动特点及机理高含沙挟沙水流运动水流紊动扩散泥沙重力泥沙颗粒间的斥力絮网减小重力高强度紊流复杂结构流高含沙挟沙水流含沙量垂线分布高含沙挟沙水流含沙量分布公式:求微分方程含沙量分布公式：其中：宾汉流体摩阻流速；相对非流核区厚度；泥沙扩散修正系数；高含沙水流挟沙能力悬浮功与势能的关系【高含沙挟沙水流挟沙能力强的原因？】含沙量高含沙紊流高含沙复杂结构流”浆河“二、高含沙水流的河床演变特点？（一）高含沙水流的河床演变一般规律（1）在一定条件下可以保持很高挟沙能力，进行远距离输送而不淤积。节省输沙水量。长距离输运泥沙，并在合适位置放淤。高含沙水流在高效输沙中的应用【举例】：节省输沙水量目前，河道防洪减淤措施主要是利用干流水库调节加大出库流量，提高河道输沙能力以排沙入海的方案。在河流水量(尤其是汛期水量)日益减少的情况下,将有限的水资源用于排沙入海(据统计用于排沙入海的水量年均在200亿立米左右)并不是泥沙处理的上策70年代后，有研究者提出利用高含沙水流输沙减淤的方式，

因为输沙耗水量与含沙量大小有关：节省输沙水量高含沙水流在高效输沙中的应用【举例】：按照上式：例如：当含沙量S=30～50kg/m3

时,每吨泥沙输沙用水q=87.3～52.0m3/t,当含沙量提高到S=300～500kg/m3

的高含沙水流输沙,

q=7.83～4.30m3/t可见应用高含沙水流输沙可大大节约输沙用水【小浪底调水调沙】【小浪底调水调沙】我国西北地区引黄灌溉渠道中常常出现高含沙量水流在定常流量下长距离输送而不发生淤积长距离输运泥沙1969年引洛灌区中干渠输送含沙量为848kg/m3的高含沙浑水，引送距离40km,历时22.5小时，渠底坡度i=1/2000～1/2500;1976年引洛灌区中干渠，以含沙量716kg/m3

的浑水，输送到50km以外的滩地放淤，也未发现泥沙淤积；1974年宝鸡峡引渭干渠的高含沙输送例子,灌渠底坡仅为i=1/4000～1/5000,设计流量Q=20～30m3/s,可将含沙量400～500kg/m3

的高含沙浑水输送到100km以外。高含沙水流在高效输沙中的应用在天然河道中，也常发生类似现象：长距离输运泥沙如1977年8月7～10日,渭河下游Q=1300m3/s,水深为3～4m,水面比降J=0.05‰,最大含沙量达S=800kg/m3,流经距离约100km,河道含沙量过程无明显变化;高含沙水流在高效输沙中的应用高含沙水流在什么条件下能实现长距离输送？两种见解：高含沙水流均属伪一相流及具有非牛顿体的特性,高含沙水流具有较高的宾汉极限剪切力,足以支持泥沙颗粒不沉而实现远距离输送高含沙水流形成的窄深断面是输送高含沙水流的重要条件高含沙水流在高效输沙中的应用高含沙水流在什么条件下能实现长距离输送？观点1：高含沙水流均属伪一相流及具有非牛顿体的特性,高含沙水流具有较高的宾汉极限剪切力,足以支持泥沙颗粒不沉而实现远距离输送这一观点本身正确，但：

黄河中游侵蚀区产生的泥沙大多属于粗沙，即大于0.05mm粒径的泥沙占有相当大的比重，因此，多数情况下并不能形成伪一相流，而是非均质两相流，因此出现层流型高含沙水流的情况并不多，多数为紊流型高含沙水流高含沙水流在高效输沙中的应用观点2：高含沙水流形成的窄深断面是输送高含沙水流的重要条件该观点与黄河高含沙水流实际情况接近，但需要从三个方面进行详细考察高含沙水流输沙的不淤流速高含沙水流长距离输送的最小坡降水流断面形态对高含沙水流输送的影响高含沙水流在高效输沙中的应用高含沙水流在什么条件下能实现长距离输送？高含沙水流输沙的不淤流速问题前边提到，对于细沙和粘粒组成的高含沙水流，不存在挟沙力问题，但对于具有一定量粗颗粒泥沙的高含沙水流，粗颗粒可能产生落淤，因此存在不淤流速的问题高含沙水流下的不淤流速，或者说挟沙力问题，与一般含沙水流相比主要突出含沙量的影响高含沙水流在高效输沙中的应用含沙量增大细颗粒及粘粒占优的情形粘性增大的效果大于抑制紊动的效果基本不产生回淤情况较粗颗粒占一定比例的情形抑制紊动的效果大于粘性增大的效果要求更小的粒径或沉速，或者说，更大的不淤流速高含沙水流在高效输沙中的应用高含沙水流输沙的不淤流速问题清华大学费祥俊等根据大渠道以及天然河道数据，得出如下公式：不淤流速计算值与实测值比较高含沙水流在高效输沙中的应用高含沙水流输沙的不淤流速问题天然河道中不淤流速与含沙量关系由于上述原因,河流中含沙量愈高,泥沙淤积也愈严重,实际资料也表明黄河下游淤积主要是高含沙洪水条件下造成的。据统计1969～1989年黄河下游16次高含沙洪水所淤积的泥沙占同期下游总淤积量的82%。含沙量方面：高含沙水流在高效输沙中的应用高含沙水流输沙的不淤流速问题泥沙粒径方面：悬沙组成粗细是影响不淤流速的重要因素高含沙水流在高效输沙中的应用高含沙水流输沙的不淤流速问题上面提到西北地区灌渠及渭河下游长距离输沙不淤的实例,其重要原因是这些灌渠及河道的悬沙粒径细,远细于相同含沙量下黄河下游的悬沙粒径。就渭河来说,S=200,400,800kg/m3

时的悬沙上限粒径分别为d90=0.06,0.09及0.13mm,因而不淤流速也相应减少泥沙粒径方面：高含沙水流在高效输沙中的应用高含沙水流输沙的不淤流速问题高含沙水流长距离输送的最小坡降问题为维持高含沙水流输送的不淤流速,克服含沙水流的运动阻力,必须要有一定的水力坡降。对于非均质两相流,输送水力坡降有两部分组成,即悬移泥沙的浑水阻力坡度Je

及一少部分泥沙作推移运动的附加阻力坡度JS,在一般情况下Je

占的比重远大于JS

。高含沙水流在高效输沙中的应用在输沙平衡条件下,水流速度等于不淤流速,前者可写作将代入上式得到悬移泥沙的浑水阻力坡度：高含沙水流在高效输沙中的应用高含沙水流长距离输送的最小坡降问题而推移部分的附加阻力坡度Js则可以表示为：以上两部分水力坡降之和,即为高含沙水流长距离输送所需要的最小坡度浑水阻力坡度高含沙水流在高效输沙中的应用高含沙水流长距离输送的最小坡降问题高含沙水流输沙的能坡从右图可以看出：高含沙水流输沙的最小坡降除与输沙浓度有关以外,还和断面的水力半径R有关,在一定流量下后者与断面形态有密切关系,断面愈窄深,在同流量下水力半径也愈大,有利于减少输沙能坡高含沙水流在高效输沙中的应用高含沙水流长距离输送的最小坡降问题水流断面形态对高含沙水流输送的影响前面分析表明一定浓度高含沙水流,要求最低的纵坡J

随着断面水力半径增大而减小(如上图所示）,而一定流量下水力半径大小与断面形态有密切关系,这就表明水流断面形态对于高含沙水流输送要求的坡降有直接关系。引入一个断面形态参数式中p为断面湿周,表明M值越大断面形状越宽浅,如黄河下游游荡性河段断面参数M值远大于弯曲性河段的M值,显然一定断面的参数M值还和流量大小有关,由流量连续原理或高含沙水流在高效输沙中的应用点绘Q~Q/M的关系曲线得：高含沙水流在高效输沙中的应用水流断面形态对高含沙水流输送的影响艾山以下黄河纵比降为J=0.1‰,则由右图可得输送不同浓度含沙水流不淤要求的水力半径R,再由此计算相应的不淤流速及需要的输沙流量Q结果表明,艾山段河道虽然具有相对窄深式断面,但因比降太缓,输送S=200，300,及400kg/m3

高含沙水流需要的流量分别为Q=4730,8800及17500m3/s,超过近年来汛期实际流量,故艾山以下河道能通过的高含沙水流不过略大于S=200kg/m3河道输送高含沙水流的能力必须将其断面形态与河段纵坡降结合考虑高含沙水流在高效输沙中的应用水流断面形态对高含沙水流输送的影响（2）“淤滩刷槽，大冲大淤”强烈的淤滩刷槽高含沙水流通过河道阻力增大，水位上涨漫滩—滩地淤积主槽—强烈冲刷高滩深槽——横断面窄深多来多排高含沙水流的含沙量越高横断面越窄深输沙能力越强（3）高含沙洪水中的异常特殊现象高含沙水流的特殊现象高含沙水流：含沙量>200kg/m3，实测最大1650kg/m3；具有“滚波”、“浆河”、“揭河底”等特殊流动现象和“大冲大淤”、“多来多排”等输沙特性高含沙水流经常发展成一系列滚波高含沙水流的基本现象特殊流动现象：“揭河底”河床被成块掀起冲走，河床瞬间冲深10米左右，黄河及其支流特有的现象2002年7月5日龙门站发生的“揭河底”照片高含沙水流的基本现象特殊流动现象：层流流核层流状态：只有靠近边界才有流速梯度，中部为流核，整体匀速运动野外明渠流核层流有流核湍流无流核水槽流态实验：随流速增大，层流转变为湍流高含沙水流的两种极端模式以细粉砂及粘土等细颗粒为主的高含沙水流以粗颗粒为主的高含沙水流高含沙水流的两种极端模式以细粉砂及粘土等细颗粒为主的高含沙水流1.非牛顿流体的特征显著（宾汉体）泥沙颗粒间迅速形成结构，粘性急剧增加，颗粒沉降过程中不再发生分选，而是作为整体缓慢下沉，较单颗粒小上千倍，水流形成均质浆液例如，根据万兆惠等的研究，中径为0.00015mm的沙样来说，当含沙量大于90kg/m3后，即形成均质浆液。高含沙水流的两种极端模式以细粉砂及粘土等细颗粒为主的高含沙水流2.通过理论分析及实验可知，当泥沙中最粗粒径小于下式时，只要水流有足够的坡降或压差，能够克服边壁阻力，即可维持运动，不存在一般意义上的挟沙能力的问题。高含沙水流的两种极端模式以粗颗粒为主的高含沙水流在含沙量不是很大的情况下，近似保持牛顿流体的性质，即使含沙量很高，宾汉极限剪切力的绝对值也不大。粗颗粒泥沙在沉降过程中存在分选，整个水流属于二相挟沙水流的范畴。随着含沙量的增大，紊动强度不断减弱，最后紊流转化为层流，含沙量在垂线的分布变得十分均匀。浆河现象解释泥沙组成越粗，出现浆河时的含沙量（即水流所能挟带的极限含沙量）也越大。从宾汉极限剪切力的角度考虑，泥沙组成中的细颗粒含量越高，宾汉极限剪切力也越大，在同样的水流条件下，较低的含沙量即有可能出现浆河现象。高含沙水流对河道及河床演变的影响浆河现象解释在实际河流中，当含沙量超过某一极限值后，在洪峰忽然降落、流速迅速减小的情况下，有时水流已不能保持流动状态，整体停滞不前。例如1963