泥沙的推移运动.pptx

4泥沙的推移运动泥沙的推移运动河流动力学概论河流动力学概论1第4章 推移质运动本章本章主要主要内容内容21 泥沙的起动；泥沙的起动；泥沙起动条件、临界状态的判断、泥沙起动条件、临界状态的判断、泥沙起动临界条件起动流速、起动拖曳力计算方法泥沙起动临界条件起动流速、起动拖曳力计算方法及公式及公式2 沙波运动；沙波运动；沙波概念、断面形状及要素，沙波的沙波概念、断面形状及要素，沙波的类型、运动、发展消亡过程、床面形态判别。类型、运动、发展消亡过程、床面形态判别。3 动床阻力；动床阻力；河床阻力的分解及计算方法、沙粒阻河床阻力的分解及计算方法、沙粒阻力、沙波阻力、阻力综合系数力、沙波阻力、阻力综合系数4 推移质泥沙输沙率推移质泥沙输沙率；计算方法及代表性计算公式；计算方法及代表性计算公式4-1泥沙的起动泥沙的起动一、一、泥沙泥沙起动的概念起动的概念1 定义定义设想在具有一定泥沙组成的床面设想在具有一定泥沙组成的床面上，逐渐增加水流强度，直到使床面泥沙上，逐渐增加水流强度，直到使床面泥沙(简称床沙简称床沙)由静止转入运动，这种现象称为由静止转入运动，这种现象称为泥沙的泥沙的起动起动.相应相应的临界水流条件的临界水流条件称为泥沙称为泥沙的起动条件。的起动条件。42 2、泥沙的起动条件：泥沙颗粒由静止状态转、泥沙的起动条件：泥沙颗粒由静止状态转为运动状态时的临界水流条件，称为运动状态时的临界水流条件，称起动的起动的条件条件。起动条件可以用起动条件可以用流速、拖曳力和功率流速、拖曳力和功率来表来表示。示。起动流速起动流速：当用水流垂线平均流速来表示起：当用水流垂线平均流速来表示起动条件时，该流速称为临界起动流速。动条件时，该流速称为临界起动流速。起动拖曳力起动拖曳力：当用水流剪切力：当用水流剪切力(拖曳力拖曳力)表示表示起动条件时，该剪切力称为起动拖曳力。起动条件时，该剪切力称为起动拖曳力。3泥沙的起动泥沙的起动研究的重要性研究的重要性泥沙的起动条件是泥沙的基本水力特性之一，同泥沙的起动条件是泥沙的基本水力特性之一，同时时，它又是河床冲刷的临界条件，它又是河床冲刷的临界条件，4泥沙的起动泥沙的起动问题复杂性问题复杂性泥沙的起动是一个非常复杂的问题，不仅决定于泥沙的起动是一个非常复杂的问题，不仅决定于水流对泥沙的作用力，也与泥沙颗粒本身的性质和水流对泥沙的作用力，也与泥沙颗粒本身的性质和床面组成的均匀程度密切相关。床面组成的均匀程度密切相关。5研究方法研究方法随机方法随机方法与与统计方法统计方法4-1 泥 沙 的 起 动 无 粘 性 均 匀 沙 起 动 流 速 公 式第四章 推移质运动二、二、泥沙起动的泥沙起动的特点特点（1）初始位置的随机性初始位置的随机性泥沙可能处于床面任一位置，其大小、形状泥沙可能处于床面任一位置，其大小、形状、方位、方位和和与其它颗粒的相对位置都是随机的。与其它颗粒的相对位置都是随机的。（2）运动状态的随机性运动状态的随机性泥沙可能作滑动、滚动泥沙可能作滑动、滚动和和跃移运动。跃移运动。（3）受作用力的随机性受作用力的随机性水流本身具有脉动，脉动本身就是随机的，水流本身具有脉动，脉动本身就是随机的，水流水流的的脉脉动性致使其作用在床面某一位置上颗粒上的力也完全动性致使其作用在床面某一位置上颗粒上的力也完全是随机的。是随机的。（4）沙粒组成的非均匀性）沙粒组成的非均匀性泥沙组成的非均匀性，无明显的临界粒径。泥沙组成的非均匀性，无明显的临界粒径。4-1 泥 沙 的 起 动 无 粘 性 均 匀 沙 起 动 流 速 公 式第四章 推移质运动2.2.1.3ye起动的随机性起动的随机性确定起动条件的困难性，目前还无一致确定起动条件的困难性，目前还无一致的起动标准的起动标准克雷默（克雷默（H.Kramer）的定性标准）的定性标准三、三、泥沙起动临界状态的判别泥沙起动临界状态的判别(2)亚林亚林(Yalin)的颗粒数标准的颗粒数标准(3)窦国仁的概率标准窦国仁的概率标准输沙率标准输沙率标准2.2.1.3ye目前实验室目前实验室通用的标准是第（通用的标准是第（2）种情形）种情形，即将部分床面上有很少量即将部分床面上有很少量的泥沙在运动作为起动标准。的泥沙在运动作为起动标准。缺点缺点：定性不定量，不同的人，即使是同一人在不同的情况，判断：定性不定量，不同的人，即使是同一人在不同的情况，判断的结果差异较大。的结果差异较大。克雷默的定性标准：克雷默的定性标准：他将推移质运动划分为四个阶段：他将推移质运动划分为四个阶段：（1）静止）静止无泥沙运动，全部床沙处于静止状态；无泥沙运动，全部床沙处于静止状态；（2）弱动）弱动轻微的泥沙运动，有屈指可数的泥沙在推移轻微的泥沙运动，有屈指可数的泥沙在推移运动；运动；（3）中动）中动中等强度的泥沙运动，推移质泥沙运动已达中等强度的泥沙运动，推移质泥沙运动已达到无法计数的程度；到无法计数的程度；（4）普动）普动普遮性的泥沙运动，引起床面外形的改变。普遮性的泥沙运动，引起床面外形的改变。三、三、泥沙起动临界状态的判别泥沙起动临界状态的判别yeu起动的判断标准起动的判断标准亚林亚林(Yalin)的颗粒数标准：的颗粒数标准：缺点缺点：颗粒难以数清；颗粒难以数清；作为一个标准，作为一个标准，应为一常数应为一常数,但当两组粒径相差但当两组粒径相差10倍倍D2=10D1，为使，为使为相同的值，则需很大的为相同的值，则需很大的A或或t。m t时间内从床面面积A内冲刷外移的沙粒颗数4-1 泥 沙 的 起 动 无 粘 性 均 匀 沙 起 动 流 速 公 式第四章 推移质运动2.2.1.3yeu起动的判断标准起动的判断标准窦国仁的概率标准：窦国仁的概率标准：缺点缺点：需要知道起动底流速。：需要知道起动底流速。4-1 泥 沙 的 起 动 无 粘 性 均 匀 沙 起 动 流 速 公 式第四章 推移质运动2.2.1.3一u起动的判断标准起动的判断标准输沙率标准：输沙率标准：目前常用目前常用目测和输沙率目测和输沙率。理论上应该理论上应该FF=0作为标准，但无法判断，故取作为标准，但无法判断，故取FF=0.024-1 泥 沙 的 起 动 无 粘 性 均 匀 沙 起 动 流 速 公 式第四章 推移质运动12四、无粘性（散粒体）均匀沙的起动流速公式四、无粘性（散粒体）均匀沙的起动流速公式建立泥沙起动公式的一般步骤：建立泥沙起动公式的一般步骤：第一步，确定作用力的表达式；第一步，确定作用力的表达式；第二步，根据起动模式，确定起动临界条件下第二步，根据起动模式，确定起动临界条件下 力的平衡方程式；力的平衡方程式；第三步，推导泥沙起动公式的一般结构形式；第三步，推导泥沙起动公式的一般结构形式；第四步，通过实验确定公式中的待定系数，得第四步，通过实验确定公式中的待定系数，得 出泥沙起动条件的计算公式。出泥沙起动条件的计算公式。4-1 泥 沙 的 起 动 无 粘 性 均 匀 沙 起 动 流 速 公 式第四章 推移质运动（1）泥沙泥沙受受力力分析分析就位于水平床面上的泥沙而言就位于水平床面上的泥沙而言，促成促成泥沙起动的力泥沙起动的力有有：上上举力，推移力，脉动压力举力，推移力，脉动压力。泥沙泥沙赖以抗拒起动赖以抗拒起动的力有：的力有：重力，重力，粘结力粘结力泥沙泥沙的起动与否取决于这两类力的的起动与否取决于这两类力的矛盾统一状态矛盾统一状态。4-1 泥 沙 的 起 动 无 粘 性 均 匀 沙 起 动 流 速 公 式第四章 推移质运动14粘结力粘结力 当泥沙粒径很细，颗粒间的空隙非常小，沙粒表面包裹着一层薄膜水，当两颗泥沙相接触时，薄膜水形成公共水膜。这样颗粒间会由于分子的引力产生一种力，这种力称为粘结力。2.2.2.14-1 泥 沙 的 起 动 无 粘 性 均 匀 沙 起 动 流 速 公 式xe第四章 推移质运动有效重力W 拖曳力FD上举力FLu泥沙受力分析泥沙受力分析2.2.2.2yeu受力计算受力计算有效重力有效重力W 4-1 泥 沙 的 起 动 无 粘 性 均 匀 沙 起 动 流 速 公 式第四章 推移质运动2.2.2.2yeu受力计算受力计算拖曳力拖曳力FD4-1 泥 沙 的 起 动 无 粘 性 均 匀 沙 起 动 流 速 公 式第四章 推移质运动2.2.2.2xeu受力计算受力计算上举力上举力FL4-1 泥 沙 的 起 动 无 粘 性 均 匀 沙 起 动 流 速 公 式第四章 推移质运动床面泥沙受力床面泥沙受力：推移力推移力：上举力上举力：重力重力：4-1 泥 沙 的 起 动 无 粘 性 均 匀 沙 起 动 流 速 公 式第四章 推移质运动20 当泥沙颗粒以滚动形式起动 当泥沙颗粒以滑动形式起动当泥沙颗粒以滑动形式起动2.2.2.3xeu起动起动底流底流uoc公式的推导公式的推导4-1 泥 沙 的 起 动 无 粘 性 均 匀 沙 起 动 流 速 公 式第四章 推移质运动滚动模式滚动模式滑移滑移模式模式如泥沙颗粒沿着床面滑动的，则起动临界状态下力的平衡方程式为：式中，f床面摩擦系数，4-1 泥 沙 的 起 动 无 粘 性 均 匀 沙 起 动 流 速 公 式第四章 推移质运动通常不用通常不用底流底流uoc作为起动流速，作为起动流速，而用垂线平均流速而用垂线平均流速Uc作为起动作为起动流速流速。uocUc？2.2.2.4yeu起动垂线平均流速起动垂线平均流速(起动流速起动流速Uc)公式的推导公式的推导代入指数流速分布公式代入指数流速分布公式(图图)4-1 泥 沙 的 起 动 无 粘 性 均 匀 沙 起 动 流 速 公 式第四章 推移质运动2.2.2.4yeu起动垂线平均流速起动垂线平均流速(起动流速起动流速Uc)公式的推导公式的推导u0c作用位置的确定作用位置的确定y0cy0caD4-1 泥 沙 的 起 动 无 粘 性 均 匀 沙 起 动 流 速 公 式第四章 推移质运动2.2.2.4xeu起动垂线平均流速起动垂线平均流速(起动流速起动流速Uc)公式的推导公式的推导Uc的确定的确定4-1 泥 沙 的 起 动 无 粘 性 均 匀 沙 起 动 流 速 公 式第四章 推移质运动2.2.2.4xeu起动垂线平均流速起动垂线平均流速(起动流速起动流速Uc)公式的推导公式的推导Uc的确定的确定下一步任务是如何确定下一步任务是如何确定hh4-1 泥 沙 的 起 动 无 粘 性 均 匀 沙 起 动 流 速 公 式第四章 推移质运动28爱因斯坦提出如下对数流速分布公式爱因斯坦提出如下对数流速分布公式为河床的粗糙度，均匀沙，为河床的粗糙度，均匀沙，；非均匀非均匀沙，沙，；为考虑水流粘滞性影响的校正系数，为河为考虑水流粘滞性影响的校正系数，为河床相对粗糙度床相对粗糙度 的函数，的函数，近壁层流层厚度，近壁层流层厚度，；为水的运动粘滞系数。为水的运动粘滞系数。（2）代入对数流速分布公式：）代入对数流速分布公式：29校正系数与河床相对粗糙度的关系校正系数与河床相对粗糙度的关系当当 床面粗糙区（绕流紊流区），床面粗糙区（绕流紊流区），；当当 ，床面光滑区，床面光滑区，；当当 床面过渡区，床面过渡区，。30摩阻流速摩阻流速、摩阻流速与水流条件的关系、摩阻流速与水流条件的关系无因次谢才系数无因次谢才系数 则则、水流作用于泥沙颗粒的流速（近底流速、水流作用于泥沙颗粒的流速（近底流速、有效作用流速）与摩阻流速的关系有效作用流速）与摩阻流速的关系假定作用点假定作用点 ，绕流处于紊流区，绕流处于紊流区 。由爱因斯坦对数流速分布公式得，由爱因斯坦对数流速分布公式得，作用于泥沙颗粒的流速大约为作用于泥沙颗粒的流速大约为 。泥沙的悬浮、起动与水流紊动密切相关，脉动强度的泥沙的悬浮、起动与水流紊动密切相关，脉动强度的数值与摩阻流速相当，反映了水流的紊动情况。数值与摩阻流速相当，反映了水流的紊动情况。Einstein统一平均流速公式：统一平均流速公式：2.2.3.2起动时起动时u*计算计算起动时，起动时，y=aKsEinstein统一流速公式：统一流速公式：2.2.2.4二u多家多家起动流速起动流速公式公式沙莫夫公式沙莫夫公式沙莫夫试验获得h1.44，m1/6岗恰洛夫公式岗恰洛夫公式刚恰洛夫采样对数流速公式，试验得到4-1 泥 沙 的 起 动 无 粘 性 均 匀 沙 起 动 流 速 公 式第四章 推移质运动（3）巴芬顿巴芬顿(Buffington)(1998)：（天然沙）（天然沙）4-1 泥 沙 的 起 动 无 粘 性 均 匀 沙 起 动 流 速 公 式第四章 推移质运动巴芬顿巴芬顿采样对数流速公式，对于紊流区，天然沙试验得到36例：对于例：对于D=0.5mmD=0.5mm粒径的泥沙颗粒，分别采用沙莫夫粒径的泥沙颗粒，分别采用沙莫夫公式和岗恰洛夫公式计算水深为公式和岗恰洛夫公式计算水深为1m1m时的起动流速值。时的起动流速值。解：沙莫夫公式计算如下解：沙莫夫公式计算如下 岗恰洛夫公式计算如下岗恰洛夫公式计算如下37五、无粘性均匀沙的的起动拖曳力五、无粘性均匀沙的的起动拖曳力、基本观点、基本观点细颗粒泥沙的起动受到了近壁层流层（边细颗粒泥沙的起动受到了近壁层流层（边界层）的影响，近壁层流层对细颗粒泥沙界层）的影响，近壁层流层对细颗粒泥沙起到了隐蔽作用，使之起动变得困难。起到了隐蔽作用，使之起动变得困难。根据这一观点，可以建立另一种类型的起根据这一观点，可以建立另一种类型的起动公式，即起动拖曳力公式。动公式，即起动拖曳力公式。4-1 泥 沙 的 起 动 无 粘 性 均 匀 沙 起 动 拖 曳 力第四章 推移质运动、shieldsshields起动拖曳力公式的建立起动拖曳力公式的建立 起动拖曳力起动拖曳力 起动拖曳力是指泥沙处于起动状态时的床面起动拖曳力是指泥沙处于起动状态时的床面剪切力。剪切力。其值等于泥沙起动时，单位面积床面上水柱重量其值等于泥沙起动时，单位面积床面上水柱重量在水流方向的分力，即在水流方向的分力，即 4-1 泥 沙 的 起 动 无 粘 性 均 匀 沙 起 动 拖 曳 力第四章 推移质运动39 希尔兹（希尔兹（A.ShieldsA.Shields）起动拖曳力公式）起动拖曳力公式、ShieldShield数（临界相对拖曳力）的建立数（临界相对拖曳力）的建立 有效作用流速有效作用流速 代入临界起动流速公式中代入临界起动流速公式中并取平方，得并取平方，得40于是，可得于是，可得 令令 称为称为ShieldShield数，又称临界相对拖曳力。数，又称临界相对拖曳力。41、ShieldsShields起动拖曳力公式起动拖曳力公式a a、反映床面颗粒周围绕流情况的沙粒雷诺数、反映床面颗粒周围绕流情况的沙粒雷诺数b b、对于较细颗粒的泥沙，校正系数和绕流阻力系数是沙粒雷诺、对于较细颗粒的泥沙，校正系数和绕流阻力系数是沙粒雷诺数的函数数的函数c c、ShieldShield数是沙粒雷诺数的函数数是沙粒雷诺数的函数 即：(4-17)43、ShieldsShields曲线曲线 原原shieldsshields曲线（图曲线（图2-42-4中的希尔兹紊流曲线）及其特点中的希尔兹紊流曲线）及其特点44、曲线为马鞍形，在、曲线为马鞍形，在 附近，亦即近壁层附近，亦即近壁层流层厚度与床沙粒径接近时，泥沙最容易起动，流层厚度与床沙粒径接近时，泥沙最容易起动，此时有此时有 此即曲线的最低点。此即曲线的最低点。45、床面处于光滑区时，需要更大的拖曳力才能使其运动。、床面处于光滑区时，需要更大的拖曳力才能使其运动。在在 时，也即时，也即 ，希尔兹曲线成为一条斜，希尔兹曲线成为一条斜率为率为-1-1的直线，该直线的方程为的直线，该直线的方程为 此时起动拖曳力与泥沙粒径无关。此时起动拖曳力与泥沙粒径无关。46、时，即时，即 时，近壁层流层（边界层）不时，近壁层流层（边界层）不起隐蔽作用，随着粒径的加大，泥沙重力作用增强，起起隐蔽作用，随着粒径的加大，泥沙重力作用增强，起动拖曳力相应加大。在动拖曳力相应加大。在 以后，以后，ShieldsShields曲线曲线近似水平，近似水平，ShieldsShields数接近常数。数接近常数。47 Shields Shields曲线的修正曲线的修正a a、钱宁对原希尔兹曲线的修正、钱宁对原希尔兹曲线的修正、在、在 以后，临界相对拖曳力与沙粒雷诺数以后，临界相对拖曳力与沙粒雷诺数的的0.30.3次方成反比。次方成反比。、在沙粒雷诺数很大时，希尔兹取、在沙粒雷诺数很大时，希尔兹取 ，但其他人，但其他人的资料表明，此值只能作为上限，下限约为的资料表明，此值只能作为上限，下限约为0.040.04。48b b、层流时的临界相对拖曳力、层流时的临界相对拖曳力层流中的泥沙起动规律和紊流条件下的泥沙起动不同。层层流中的泥沙起动规律和紊流条件下的泥沙起动不同。层流中泥沙起动要求的拖曳力一般较紊流中大。流中泥沙起动要求的拖曳力一般较紊流中大。但对于紊流光滑区来说，由于存在近壁层流层，边壁附近但对于紊流光滑区来说，由于存在近壁层流层，边壁附近的流态和层流比较接近，这时层流和紊流条件下的试验点的流态和层流比较接近，这时层流和紊流条件下的试验点据就聚集在一起，以据就聚集在一起，以 为其渐近线。为其渐近线。49、运用、运用ShieldsShields曲线求起动拖曳力的计算步骤曲线求起动拖曳力的计算步骤 求参数求参数 ；在的辅助尺子上找到这一点，通过这一点作与其它辅助线在的辅助尺子上找到这一点，通过这一点作与其它辅助线平行的直线，交希尔兹曲线于一点；平行的直线，交希尔兹曲线于一点；查到该交点的纵坐标值，即可求出临界起动拖曳力，并得查到该交点的纵坐标值，即可求出临界起动拖曳力，并得到临界摩阻流速。到临界摩阻流速。50例例 泥沙粒径为泥沙粒径为D D5.0mm5.0mm，求其临界起动，求其临界起动ShieldsShields数、数、临界起动剪切应力和临界起动剪切流速临界起动剪切应力和临界起动剪切流速(水温水温2020）。）。解：根据解：根据ShieldsShields曲线图，采用辅助线法计算。曲线图，采用辅助线法计算。、辅助线参数值可计算如下：、辅助线参数值可计算如下：、据此查得、据此查得D D5.0mm5.0mm的颗粒在的颗粒在ShieldsShields曲线上的对应曲线上的对应点读图得到临界起动点读图得到临界起动ShieldsShields数为数为、临界起动剪切应力为、临界起动剪切应力为临界起动剪切流速为临界起动剪切流速为51六 泥沙起动的其它问题（1）粘性颗粒的起动（2）无粘性非均匀沙的起动（3）砾石及卵石的起动（4）斜坡上的起动条件（5）泥沙的止动及扬动条件4-1 泥 沙 的 起 动 六、与 泥 沙 起 动 有 关 的 几 个 问 题第四章 推移质运动（1 1）、粘性泥沙的起动流速公式）、粘性泥沙的起动流速公式实际观测资料表明，对于含粘性的细颗粒泥沙，实际观测资料表明，对于含粘性的细颗粒泥沙，其起动流速反而增大，而且粒径越细，起动流速其起动流速反而增大，而且粒径越细，起动流速越大。越大。用用ShieldsShields曲线无法解释粒径越细，起动流速（起曲线无法解释粒径越细，起动流速（起动拖曳力）越大的现象。动拖曳力）越大的现象。对此现象，许多研究者经大量研究后，认为细颗对此现象，许多研究者经大量研究后，认为细颗粒泥沙随着粒径减小，起动流速增大，是由于细粒泥沙随着粒径减小，起动流速增大，是由于细颗粒泥沙间粘结力作用的结果。颗粒泥沙间粘结力作用的结果。4-1 泥 沙 的 起 动 六、与 泥 沙 起 动 有 关 的 几 个 问 题第四章 推移质运动54、考虑粘结力时临界起动条件下的动力平衡方程、考虑粘结力时临界起动条件下的动力平衡方程如泥沙起动按滚动模式考虑，则表达颗粒临界起如泥沙起动按滚动模式考虑，则表达颗粒临界起动条件的动力平衡方程式为动条件的动力平衡方程式为 为粘结力，为粘结力，为粘结力力臂。为粘结力力臂。55、关于粘结力形成原因的不同观点、关于粘结力形成原因的不同观点1 1、张瑞瑾观点、张瑞瑾观点 张瑞瑾认为细颗粒之间的粘结力主要是因张瑞瑾认为细颗粒之间的粘结力主要是因为存在于颗粒之间的束缚水（吸附水膜）不为存在于颗粒之间的束缚水（吸附水膜）不传递静水压力所引起的。传递静水压力所引起的。562 2、唐存本观点、唐存本观点 认为存在于细颗粒泥沙之间的粘结力，主认为存在于细颗粒泥沙之间的粘结力，主要是由于沙粒表面于粘结水之间的分子引要是由于沙粒表面于粘结水之间的分子引力造成的。力造成的。3 3、窦国仁观点、窦国仁观点 认为粘结力应由水对床面颗粒的下压力及认为粘结力应由水对床面颗粒的下压力及颗粒间的分子引力两部分组成。颗粒间的分子引力两部分组成。57、粘性细颗粒泥沙起动流速公式、粘性细颗粒泥沙起动流速公式1、窦国仁公式 公式单位 制。式中：2、张瑞瑾公式 公式单位 制。583 3、唐存本公式、唐存本公式 C为粘结力系数，为粘结力系数，。594 4、沙玉清公式、沙玉清公式 对天然沙，上式可简化为对天然沙，上式可简化为 公式单位除公式单位除D D、以以mmmm计，其它量的单位为计，其它量的单位为kgkg、m m、s s制。制。式中：式中：为薄膜水厚度，取为薄膜水厚度，取0.0001mm0.0001mm；e e为孔隙率，其稳定值为为孔隙率，其稳定值为0.40.4。60、粘性细颗粒泥沙起动流速计算公式比较、粘性细颗粒泥沙起动流速计算公式比较1 1、公式计算结果与试验数据的比较、公式计算结果与试验数据的比较、由图、由图2-72-7可看出，对于较细颗粒泥沙各家公式计算结可看出，对于较细颗粒泥沙各家公式计算结果与试验资料比较接近；对于粗颗粒泥沙（果与试验资料比较接近；对于粗颗粒泥沙（D5mmD5mm），），则相差较大，尚难判断哪一个公式更可靠。则相差较大，尚难判断哪一个公式更可靠。（2-29）窦国仁公式（2-30）张瑞瑾公式（2-31）唐存本公式（2-32）沙玉清沙玉清公式 61、从图、从图2-72-7还可看出，在水深还可看出，在水深h h15cm15cm情况下，粒径情况下，粒径约约0.17mm0.17mm的泥沙起动流速最小。的泥沙起动流速最小。当当D0.17mmD0.17mm时，重力作用占主导地位，粒径越大，时，重力作用占主导地位，粒径越大，起动流速亦愈大；起动流速亦愈大；当当D0.17mmD1Fr1，床面，床面再一次出现起伏形状，称为沙浪。再一次出现起伏形状，称为沙浪。沙浪纵剖面对称。此时，床面上有大量泥沙作强度甚沙浪纵剖面对称。此时，床面上有大量泥沙作强度甚大的成层运动。沙浪的运动方向，与水流方向一致的大的成层运动。沙浪的运动方向，与水流方向一致的叫顺行沙浪，和水流方向相反的，叫逆行沙浪。叫顺行沙浪，和水流方向相反的，叫逆行沙浪。逆行沙波形成原因：因为这种沙波起伏很大，水流在逆行沙波形成原因：因为这种沙波起伏很大，水流在经过沙波的迎流面时，好像上坡一样，负担较大，把经过沙波的迎流面时，好像上坡一样，负担较大，把一部分泥沙卸了下来；而越过波峰下行时，又有余力一部分泥沙卸了下来；而越过波峰下行时，又有余力冲走一部分泥沙。这样每一颗泥沙虽然顺着水流方向冲走一部分泥沙。这样每一颗泥沙虽然顺着水流方向运动，但沙波作为一个整体却是徐徐向上游后退，故运动，但沙波作为一个整体却是徐徐向上游后退，故称为逆行沙波。称为逆行沙波。91g)g)、碎波、碎波 逆行沙浪继续发展，将会使水面波动超过河底的起伏，逆行沙浪继续发展，将会使水面波动超过河底的起伏，甚至水面波的波谷会低于河底沙浪的波峰，使得水面甚至水面波的波谷会低于河底沙浪的波峰，使得水面失去稳定而发生破碎。失去稳定而发生破碎。h)h)、急滩和深潭、急滩和深潭 当当 ，床面出现急滩和深潭相间的特殊形态。，床面出现急滩和深潭相间的特殊形态。急滩处为急流，强烈冲刷；深潭处为缓流，严重淤积。急滩处为急流，强烈冲刷；深潭处为缓流，严重淤积。这种床面形态只有在陡峻的山区河流中才可能发生。这种床面形态只有在陡峻的山区河流中才可能发生。上述几种床面形态，在冲积河流中出现的主要是沙纹上述几种床面形态，在冲积河流中出现的主要是沙纹和沙垄。和沙垄。92研究沙波运动（床面形态）的意义研究沙波运动（床面形态）的意义1 1、沙波运动是推移质运动的主要形式，直接与推移质、沙波运动是推移质运动的主要形式，直接与推移质输沙率有关，通过实测沙波尺度与运动速度，可估输沙率有关，通过实测沙波尺度与运动速度，可估算推移质输沙率；算推移质输沙率；2 2、天然河流中沙波的发生、发展及其形态变化，对河、天然河流中沙波的发生、发展及其形态变化，对河道阻力损失的影响是很大的，这是由于在沙峰下游道阻力损失的影响是很大的，这是由于在沙峰下游往往形成平轴漩涡，从而助长紊动，大的沙波是形往往形成平轴漩涡，从而助长紊动，大的沙波是形成大尺度紊动的根源之一，而大尺度紊动将直接影成大尺度紊动的根源之一，而大尺度紊动将直接影响水流的阻力损失。响水流的阻力损失。3 3、天然河流中的沙波运动对河道演变的影响是直接的，、天然河流中的沙波运动对河道演变的影响是直接的，如果将天然河道中的泥沙成型淤积体（如边滩、心如果将天然河道中的泥沙成型淤积体（如边滩、心滩等）看成大尺度沙波，则沙波运动对河道的演变滩等）看成大尺度沙波，则沙波运动对河道的演变有决定性的影响。有决定性的影响。综上所述，沙波运动对河道水流结构、河道阻力、综上所述，沙波运动对河道水流结构、河道阻力、泥沙运动及河床演变均有重要影响，研究沙波运动，泥沙运动及河床演变均有重要影响，研究沙波运动，掌握其运动规律是十分重要的。掌握其运动规律是十分重要的。七、沙波形成机理（两种观点）七、沙波形成机理（两种观点）一种认为沙波形成与河床水流脉动有关。一种认为沙波形成与河床水流脉动有关。由于河底流速的脉动，在瞬时流速大的地方，由于河底流速的脉动，在瞬时流速大的地方，泥沙被掀起，在瞬时流速小的地方，掀起的泥沙被掀起，在瞬时流速小的地方，掀起的泥沙又沉积下来，从而形成沙波的雏形。这泥沙又沉积下来，从而形成沙波的雏形。这种雏形的沙波形态，进一步加剧水流的脉动，种雏形的沙波形态，进一步加剧水流的脉动，从而形成沙波。从而形成沙波。4-2 沙波运动 第四章 推移质运动94 第二种观点认为沙波与交界面失去稳定形第二种观点认为沙波与交界面失去稳定形成波动有关。成波动有关。水流底部推移质泥沙所在流层和上层水流水流底部推移质泥沙所在流层和上层水流含沙量不同，可以看成两层密度不同流体含沙量不同，可以看成两层密度不同流体做相对运动，当相对运动达到一定程度，做相对运动，当相对运动达到一定程度，交界面就会失去稳定而产生波动从而形成交界面就会失去稳定而产生波动从而形成沙波。沙波。这与水面风成波，沙漠中风成沙丘等现象这与水面风成波，沙漠中风成沙丘等现象类似。类似。2.3.3.14-2 沙波运动 xe第四章 推移质运动波长：波长：，波高：波高：，运行速度运行速度：沙坝整体运行速度沙坝整体运行速度ur八、理论研究成果八、理论研究成果（1）沙波的尺度和运行速度）沙波的尺度和运行速度目前理论研究较困难，多数通过试验获得经验公式。亚林研究：亚林研究：张瑞瑾据实测资料和试验研究：张瑞瑾据实测资料和试验研究：长办对长江的研究成果：长办对长江的研究成果：2.3.3.2（2）、）、床面形态的判别床面形态的判别决定河床形态的无量纲力学参数决定河床形态的无量纲力学参数（1）希尔兹数希尔兹数（Shields数）数）-描述泥沙起动的重要指标描述泥沙起动的重要指标 （2）沙粒雷诺数（沙粒雷诺数（Re*）-决定沙纹运动的重要力学参数决定沙纹运动的重要力学参数 （3）弗汝德数（弗汝德数（Fr）-决定水流流态的重要参数决定水流流态的重要参数 刘心宽河床形态判别法其主要方法是，认为粘性底层的波动是形成沙纹的原因。当水流对泥沙冲刷力和泥沙对水流的阻力相对时，泥沙开始起动，并形成沙纹。4-3动床阻力动床阻力在天然冲程河流中，河床上会不断发生冲淤变化和沙波消长，边岸可能发生冲刷，主流方向和主槽位置也不是固定不变的，无论无论是沿程阻力还是局部阻力都处于变化之中，是沿程阻力还是局部阻力都处于变化之中，因此，它的阻力与定床阻力不同，称之为动床因此，它的阻力与定床阻力不同，称之为动床阻力阻力。其综合糙率系数将不再是一个常数。在进行水力计算，确定流速、水深、比降等水力要素时，必须考虑边界可动性造成的影响。4-3 冲击河流的阻力第四章 推移质运动2.4.04-3 冲击河流的阻力ye第四章 推移质运动u研究河道阻力的意义研究河道阻力的意义是影响河道泄流能力的关键参数；是决定输沙能力的重要参数；是研究局部建筑物(桥墩、码头、丁坝等)对水流影响的主要参数。101一、河道阻力的划分一、河道阻力的划分 孤立的特大粗糙，如孤石、小岛。潜滩等孤立的特大粗糙，如孤石、小岛。潜滩等河湾、河谷的突然扩宽等河湾、河谷的突然扩宽等局部阻力局部阻力河流的平面形态特征河流的平面形态特征冲积河冲积河流阻力流阻力河岸、边壁阻力河岸、边壁阻力沙波阻力沙波阻力河底的床面阻力河底的床面阻力 沿程阻力沿程阻力 沙粒阻力沙粒阻力4-3 冲击河流的阻力第四章 推移质运动1022 2、定床阻力与动床阻力，沙粒阻力与沙波、定床阻力与动床阻力，沙粒阻力与沙波阻力阻力定床阻力：定床阻力：固定边壁表面摩擦阻力，它不固定边壁表面摩擦阻力，它不随水流条件而变化。随水流条件而变化。动床阻力：动床阻力：冲积河流由可动的泥沙组成，常冲积河流由可动的泥沙组成，常有沙纹、沙垄、沙浪等沙波形态出现，边有沙纹、沙垄、沙浪等沙波形态出现，边界和阻力是在不停地发生变化，与定床阻界和阻力是在不停地发生变化，与定床阻力有较大差别。力有较大差别。4-3 冲击河流的阻力第四章 推移质运动一般来说，一般来说，动床阻力由沙粒阻力和沙波阻力两部动床阻力由沙粒阻力和沙波阻力两部分组成分组成：（1）沙粒阻力）沙粒阻力也称表面阻力，是沙波迎水坡面土泥沙颗粒产也称表面阻力，是沙波迎水坡面土泥沙颗粒产生的阻力。由于动床的沙粒在水流作用下是可生的阻力。由于动床的沙粒在水流作用下是可动的，因此动床沙粒阻力也与定床沙粒阻力不动的，因此动床沙粒阻力也与定床沙粒阻力不同。同。（2）沙波阻力）沙波阻力也称形态阻力，是沙波背后水流分离，形成漩也称形态阻力，是沙波背后水流分离，形成漩涡而产生的阻力，这部分阻力是定床阻力所没涡而产生的阻力，这部分阻力是定床阻力所没有的，它随着沙波的形态和尺度而改变。有的，它随着沙波的形态和尺度而改变。4-3 冲击河流的阻力第四章 推移质运动由于泥沙运动和沙波形态随水流情况而变化，由于泥沙运动和沙波形态随水流情况而变化，因此，动床阻力是随着水流条件而变化的。因此，动床阻力是随着水流条件而变化的。104二、床面阻力和河岸阻力的划分二、床面阻力和河岸阻力的划分 河流的沿程阻力由床面阻力和河岸阻力两部分组成（图2-11）。图中凡是底标为b的量均为相应于河底的物理量，底标为w的量均为相应于河岸的物理量。105 在单位距离内，由于周界对水流的摩擦作在单位距离内，由于周界对水流的摩擦作用，水流承受的阻力为用，水流承受的阻力为 ，水流的阻力包括河底阻力和河岸阻力两部水流的阻力包括河底阻力和河岸阻力两部分，根据阻力叠加原理，分，根据阻力叠加原理，（4-404-40）由水力学知，全河床周界上的平均剪力由水力学知，全河床周界上的平均剪力 因此（因此（4-404-40）式可改写为）式可改写为 姜国干能坡分割法姜国干能坡分割法 如果把水力半径看成是整个过水断面几何形如果把水力半径看成是整个过水断面几何形态的表征值，不因不同的阻力单元而异，则态的表征值，不因不同的阻力单元而异，则能坡必须分成两部分，一部分能坡必须分成两部分，一部分 与河床阻力与河床阻力相应，另一部分相应，另一部分 与河岸阻力相应，这时河与河岸阻力相应，这时河岸阻力和河床阻力的表达式分别为岸阻力和河床阻力的表达式分别为 4-3 冲 击 河 流 的 阻 力 二、床 面 阻 力 和 河 岸 阻 力 的 划 分第四章 推移质运动能坡分割法能坡分割法 (按能坡划分)二、河床阻力划分及计算二、河床阻力划分及计算2.4.1.14-3 冲 击 河 流 的 阻 力 二、床 面 阻 力 和 河 岸 阻 力 的 划 分ye第四章 推移质运动能坡分割法能坡分割法物理意义：物理意义：能量消耗一部分传递到Jw，一部分传递到Jb2.4.1.1xe水力半径分割法水力半径分割法 (按水力半径划分)物理意义：物理意义：能量来自哪个区域就消耗在哪个区域4-3 冲 击 河 流 的 阻 力 二、床 面 阻 力 和 河 岸 阻 力 的 划 分第四章 推移质运动二、河床阻力划分及计算二、河床阻力划分及计算109EinsteinEinstein的水力半径分割法的水力半径分割法 EinsteinEinstein把把能能坡坡J J看看成成不不变变，、而而只只把把水水力力半半径径按按不不同同阻阻力力单单元元 河河底底、河河岸岸（边边壁壁）分分开开，这这时时河河岸岸阻阻力和河床阻力的表达式分别为力和河床阻力的表达式分别为 相应于河底及和河岸阻力的水力半径定义为相应于河底及和河岸阻力的水力半径定义为 其中其中 将将 表达式代入式（表达式代入式（4-404-40）得，）得，物理意义：能量来自哪个区域就消耗在哪个区域物理意义：能量来自哪个区域就消耗在哪个区域2.4.1.2xe2阻力方程组阻力方程组9个方程个方程,10个未知数个未知数,需另寻求需另寻求1个个方程。方程。下面就下面就河岸糙率河岸糙率、河床糙率河床糙率与与综综合糙率合糙率的关系寻求另的关系寻求另1方程。方程。4-3 冲 击 河 流 的 阻 力 二、床 面 阻 力 和 河 岸 阻 力 的 划 分第四章 推移质运动2.4.1.3ye3综合糙率的推导综合糙率的推导4-3 冲 击 河 流 的 阻 力 二、床 面 阻 力 和 河 岸 阻 力 的 划 分第四章 推移质运动2.4.1.3ye3综合糙率的推导综合糙率的推导4-3 冲 击 河 流 的 阻 力 二、床 面 阻 力 和 河 岸 阻 力 的 划 分第四章 推移质运动2.4.1.3ye3综合糙率的推导综合糙率的推导4-3 冲 击 河 流 的 阻 力 二、床 面 阻 力 和 河 岸 阻 力 的 划 分第四章 推移质运动2.4.1.3一3综合糙率的推导综合糙率的推导采用采用Einstein公式的较多，因为有人从能耗最小原理、数学领域的合理性导公式的较多，因为有人从能耗最小原理、数学领域的合理性导出的公式与出的公式与Einstein公式一样。公式一样。4-3 冲 击 河 流 的 阻 力 二、床 面 阻 力 和 河 岸 阻 力 的 划 分第四章 推移质运动1154 有关说明 上述计算公式都是在河底、河岸糙率相差较大，且宽深比较小的情况下采用的。如果河底、河岸糙率相差不大，就不必分开考虑，用一般阻力公式即可。如果宽深比很大，河岸阻力可忽略不计，那就不仅不必分开考虑，而且可用平均水深代替一般阻力公式中的水力半径，即令R=h。4-3 冲 击 河 流 的 阻 力 二、床 面 阻 力 和 河 岸 阻 力 的 划 分第四章 推移质运动 综合阻力综合阻力系数系数计算经验公式计算经验公式李昌华、刘建民综合阻力系数关系式：当 时为卵石河流（AB段）：当 时为粗沙河流(0.43mm=D50=2.1mm)（BC段）：当 时为细沙河流(0.05mm=D50=0.31mm)（CE段）：当 时细沙河流(0.05mm=D502(低强度输沙)，各公式接近，也较符合实际；2(高强度输沙)，各公式分散，谁优谁劣，无定论178因此在计算输沙率时，对流速资料的可靠性及处理方法必须十分注意。这说明输沙率对流速是十分敏感的。推移质输沙率公式的一个共同特点是输沙率大约与流速的四次方成正比。、推移质输沙率公式的共性推移质输沙率需要说明以下几个问题4-4.6.34-4 推移质输沙率 （六）、推移质输沙率公式的比较第四章 推移质运动u应用注意应用注意179在采用公式时，要注意它的适用范围，并应在类似河流中验证后再应用。现有的推移质输沙率公式很多。有人总结了自1941年