[讲义]《河流动力学》大学教材课件-床面形态与水流阻力.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第三章,床面形态与水流阻力,序 言,冲击河流的床面形态是其流动边界可动性所引起的特有现象,。（边界可动性的控制因素：水流的水动力学条件和泥沙颗粒自身的运动特性）这种情况下，河床的床面不是固体平面壁而是由松散颗粒组成。床面形态与河流的流动结构、水流阻力、泥沙输运等问题有密切的内在联系。,3-1,床面形态与水流条件、泥沙特性的关系,理论上建立床面形态发展变化的方程式尚未完善，对其研究主要从,试验,、,观测,手段入手。,在冲击河流中，从平面形态上看，有时出现二维的床面形态，可以是垂直于水流方向，如图,3-2,顺直沙纹；也可以是平行于水流方向的沙脊，如图,3-3,所示。,3-1,床面形态与水流条件、泥沙特性的关系,3-1,床面形态与水流条件、泥沙特性的关系,3-1,床面形态与水流条件、泥沙特性的关系,一、水流流态与动床床面形态,断面比能,E,S,随水深的变化与流态有直接联系，用,Froude,表达。明渠水流有三种流态：,缓流、临界流、急流。,3-1,床面形态与水流条件、泥沙特性的关系,二、动床床面形态分类,1.,低能态流区,沙纹、沙垄,2.,过渡区,平整床面,从沙垄到逆行沙垄的过渡,3.,高能态流区,平整床面；逆行沙垄；急滩与深潭,3-1,床面形态与水流条件、泥沙特性的关系,说明：,床面形态一方面与,水流的流态,有密切关系，另一方面取决于,床沙的物理性质,，特别是其,粒径,。,床面形态,的出现与推移质泥沙的输运过程密切相关，可以说是,泥沙输运的表现形式,。,冲击河流床面形态的分类与特性表如下：,床面形态,形状,尺寸,运动特征,成因,沙纹,迎水面长而直；背水面短而陡,波高,0.52cm,波长,115cm,泥沙粒径,0.6mm,迎水面冲刷；背水面淤积，向下游运动的速度,水流流速,近壁流层的不稳定性,沙垄,与沙纹,相似,波长数百米至千米,波高,13m,迎水面冲刷；背水面淤积，向下游运动的速度,沙,，床面泥沙开始运动。,只要泥沙存在持续的运动，河段内必然在某些地方产生淤积，另一地方产生冲刷（即表现在河床就会有起伏）。,在水流不变的条件下，床面高低起伏渐渐显得有规律。,3-1,床面形态与水流条件、泥沙特性的关系,2,、,沙纹,主要特点：,大小与水流尺度无关,尺寸：,大江大河的滩地面出现与小河滩出现的沙纹，尺寸大小差不多。,：,3050cm h,：,34cm,3-1,床面形态与水流条件、泥沙特性的关系,2,、,沙纹,形状,：,纵剖面外形不对称，,迎水坡长而平缓，背水坡短而陡,，其坡度近似等于沙粒的水下休止角的正切。,3-1,床面形态与水流条件、泥沙特性的关系,2,、,沙纹,平面形态：,较有规则，,大致波峰线与水流垂直,，有的波峰线排列平行或呈鱼鳞状，但总有一定规律性。,3-1,床面形态与水流条件、泥沙特性的关系,2,、,沙纹,运动特性,：“迎冲背淤”,沙纹形成后，流线在波峰处产生分离，背水坡形成一个横向漩涡，产生了形状阻力使流速减小，泥沙在此沉积。由于冲刷和堆积交替出现，使沙纹沿水流方向缓慢移动，并且保持形态基本不变。,Fr=0.150.3,3-1,床面形态与水流条件、泥沙特性的关系,3,、,沙垄,随水流流速,，沙纹,沙垄,尺寸：,与水流尺度有关，其大小可以相差悬殊,河型不同，沙垄尺寸也异,。,代表性河流的沙垄尺寸,河名,h,（,m,）,（,m,）,u,（,m/,天）,伏尔加,0.71.5,2040,0.4,密西西比,24,100145,712,长江,（南京段）,0.94.8,40457,3.513,黄河,（花园口）,0.52,501300,90120,3-1,床面形态与水流条件、泥沙特性的关系,3,、,沙垄,形状：,带状,（弯道凸岸）,新月形,（宽浅河槽）,犬牙交错形,（周期性展宽河床）,3-1,床面形态与水流条件、泥沙特性的关系,3,、,沙垄,运动特点：,“迎冲背淤”,水流流速分布不均匀，在迎水坡,，波峰处达最大值，越过后,，产生分离，波谷处形成横向漩涡（其强度较沙纹大），,出现反向（负值）。,Fr=0.50.8,3-1,床面形态与水流条件、泥沙特性的关系,3,、,沙垄,运动特点：,“迎冲背淤”,沉积物具有明显的分选性,：较粗颗粒因自重沉积于谷底，次粗的随漩涡上移落在背水坡斜面上，较细的停留在顶部或成为悬移质或随漩涡流带入下一个沙垄。,3-1,床面形态与水流条件、泥沙特性的关系,3,、,沙垄,研究意义,在河床地貌中可单独成为一个形态单元，具有自身的形成机理和相应的沉积物特征。可借助于此恢复历史时期河道的外形、平面位置，对分析河床的演变有重要意义。,3-1,床面形态与水流条件、泥沙特性的关系,4,、,过渡,动平整：,水流,，沙垄发展到最后也要走向消亡,。,波峰处水流把较多的泥沙悬浮起来成为悬移质，峰顶后的漩涡区所占的空间位置、范围也扩大。此时进入漩涡区的泥沙落在沙谷下淤地段，久而久之沙谷、沙峰逐渐夷平。最后出现,床面平坦而泥沙群集移动的现象。,3-1,床面形态与水流条件、泥沙特性的关系,5,、,逆行沙垄,产生：,至,Fr,1,时，床面再次产生起伏。,多见于水浅流急处。,3-1,床面形态与水流条件、泥沙特性的关系,5,、,逆行沙垄,水流特点：,“迎淤背冲”,在迎水坡挟带不了的泥沙堆积下来，而在背水坡水流顺坡而下，可担负更多的负荷量，水流挟沙能力,，致使沙波的波峰逆水流移动。,3-1,床面形态与水流条件、泥沙特性的关系,6,、,急滩和深潭,（平原河流中少见）,产生：,沙波进一步发育，水面波开始破碎，靠近河底的流速在一刹那,0,，一部分水体因,突然,，在沙波消失时，水体突然下泄促进下一河段沙波消失。当,持续,时床面起伏变得与山区河流一样。,3-1床面形态与水流条件、泥沙特性的关系,6,、,急滩和深潭,（平原河流中少见）,水流特点：,急滩：急流，利于冲刷；,深潭：缓流，利于淤积。,3-2,床面形态的判别准则及特性研究,一、,沙波运动的判别参数,：,根据水流作用在床面上的剪切应力与床沙水下重力的比值推导而得出,Shields,数。,3-2,床面形态的判别准则及特性研究,一、,沙波运动的判别参数,：,愈大，泥沙的可动性愈强，可作为床沙运动状况的一个重要指标。,Shields,数决定了推移质运动的强度，因此又被称为,水流强度、剪切强度,等。,3-2,床面形态的判别准则及特性研究,二、低水流能态区的判别：,平整,沙纹,沙垄区,泥沙颗粒超过某一粒径不会形成沙纹。,由实验知,Re,11.7,即泥沙粒径超过粘性底层的厚度，床面不再是水力光滑之后，就不再形成沙纹。一般来说，,泥沙粒径超过,0.6mm,后，将由平整床面直接过渡到沙垄。,3-2,床面形态的判别准则及特性研究,三、高水流能态区的判别：,沙垄,平整（过渡区）,逆行沙垄区,3-3,水流阻力和断面平均流速,一、水流阻力,阻力问题即,水位,/,流量,关系问题。同一,Q,、,J,下，阻力越大，,U,越小，故水深越大，水位越高；反之亦然。,3-3,水流阻力和断面平均流速,一、水流阻力,1,、产生,人工：固壁的摩擦力；,天然：还包括边界、床面形态引起的形,态阻力及水流推动推移质、消耗,能量产生的阻力。,3-3,水流阻力和断面平均流速,2,、影响河床阻力的主要因素：,河槽的沿程阻力,取决于河床表面状况（床沙组成及床面形态）、岸壁状况及水温变化引起的阻力变化等。特殊情况下还要分析冰棱作用、险工作用对综合阻力的影响。,河势或边界突变引起的局部阻力,3-3,水流阻力和断面平均流速,3,、动床条件下水流阻力的分解,推动泥沙颗粒运动的力,床面形态引起的压差阻力,阻力由不同原因引起，对总阻力的划分、分解，有助于更准确、严格地对各阻力成分进行分析、表达和计算。,3-3,水流阻力和断面平均流速,4,、冲击河流阻力的分类：,沿程阻力,河底的床面阻力（,bed resistance,）,a),沙粒阻力grain resistance,）,泥颗粗糙度对水流产生的表面阻力。,b),沙波阻力,（,form drag/loss,）,沙波背水坡的分离漩涡导致的迎水坡和背水坡的压力差。,3-3,水流阻力和断面平均流速,沿程阻力,河岸、边壁阻力（,wall resistance,）,因河岸（滩地）、植被、护坡等产生的水流阻力。,3-3,水流阻力和断面平均流速,局部阻力,河道形态阻力：如主流线的摆动、河弯河谷的突然扩宽等导致的水流附加阻力。,工程附加阻力（导流堤、护岸、码头、桥渡等）或源于个别特大粗糙的阻力（孤石、小岛、潜滩等）。,3-3,水流阻力和断面平均流速,5,、床面形态与阻力损失的关系（几个阶段）,增加段,：,在低水流能态下（,Fr,1,），随水流强度由弱变强，泥沙输运从无到有，床面从平整开始，出现沙纹、再发展成沙垄，,阻力系数越来越大,，,n,可增大一倍左右。,3-3,水流阻力和断面平均流速,跌落段,：,当水流强度,，由低水流能态转化为高水流能态（,Fr,1,）时，床面出现,动平整,。此时输沙率继续增大，因沙垄夷平，流动阻力反而跌到最低点，,n,最小值,。,3-3,水流阻力和断面平均流速,再增加：,随水流强度继续增加，达到急流流态之后（,Fr,1,），,n,又缓慢,。,3-3,水流阻力和断面平均流速,二、断面平均流速,U,的常用公式,1,、,Chezy,公式,2,、,Manning,公式,3,、,Darcy-Weisbach,公式,3-4,综合糙率的计算,综合糙率,n,是河道水流阻力的一种量度。对于河床类型为砾石、卵石、卵石夹砂的河道，可忽略床面沙波的消长对阻力的影响。此时水位流量关系可沿用,Manning,公式，即,用边界糙率,n,代表沿程阻力。,但考虑,n,时，,必须把边界中的河岸和床面区分开来计算，然后再组合为综合糙率。,3-4,综合糙率的计算,一、综合糙率,据阻力迭加原理，河床总湿周上的阻力包括河岸、河底两部分，计算式如下：,0,P=,w,P,w,+,b,P,b,0,=RJ,其中计算,w,和,b,的表达方法有两种：,3-4,综合糙率的计算,1,、水力半径分割法,Einstein,公式（,1,）,河岸,n,w,凭经验确定,式中,河底 （张友龄式）,3-4,综合糙率的计算,适用,：假设一段边界上产生的紊动只能影响附近的水流而非传播到全断面，即无贯穿整个断面的大尺度紊动。对于河道边界粗糙突起不太大或平原宽浅河流、岸壁区、河床区水流速度相同的水流，假设合理。,提问：公式如何推导而来？,3-4,综合糙率的计算,2,、能坡分割法 姜国干,公式（,2,）,对比两公式得知：其他条件相同的情况下，公式（,2,）突出了较大的粗糙所产生的紊动对阻力的影响。,3-4,综合糙率的计算,二、综合糙率系数的处理方法,无论用水力半径分割法还是能坡分割法，只要设,U=U,w,=Ub,即可得综合的,Darcy-Weisbach,阻力系数表达式：,相应于,N,组断面分区的情况，可得：,3-5,沙粒阻力和沙波阻力,一、概念,1,、,沙粒阻力,动床条件下，起源于可动边界上的颗粒粗糙和肤面摩擦的阻力。,它直接与推移质颗粒运动、沙波消长有关，是水流与颗粒本身直接作用的结果。,3-5,沙粒阻力和沙波阻力,一、概念,2,、,沙波阻力,又称形态阻力或压差阻力，起因于沙波背水面流动边界层的分离，对应较大尺度的紊动（与沙波的尺度相仿）。,3-5,沙粒阻力和沙波阻力,二、计算方法,在水流作用于床面的全部剪切力,0,中，只有一部分,b,直接作用于颗粒上，引发推移质的运动和床面形态的变化（形成沙波）即“,沙粒阻力,”。,沙波阻力引起时均能量消耗，对推移质运动无关，但转化为紊动动能支持了悬移质的运动。,3-5,沙粒阻力和沙波阻力,二、计算方法,在床沙有运动但没有沙波（动平整床面）的情况下，沙粒阻力等于全部阻力。床面上有沙波时，由沙粒阻力和沙波阻力共同构成全部阻力。,3-5,沙粒阻力和沙波阻力,1,、,Einstein,法,Einstein,水流参数,的定义式：,3-5,沙粒阻力和沙波阻力,参数,是,Shields,数的倒数。当,介于,1.650,时，水流处于低能态区，床面形态以沙垄为主；当,1.6,时，水流处于过渡区至高能态区，沙垄将夷平或出现逆行沙垄,。,2,、,Engelund,法,3-5,沙粒阻力和沙波阻力,三、综合阻力系数法,在动床情况下，综合阻力系数的值随床面形态和泥沙运动强度的变化而有规律的变化。,随着床面平整,出现沙波,动平整,再度出现沙波的过程,，,综合糙率,n,或综合糙率系数,f,值出现了小,大,小,大的变化过程,，有较强的规律性。,3-5,沙粒阻力和沙波阻力,控制沙波发展变化过程的是相对流速,U/U,c,当,U/U,c,1,时,，床面尚未形成沙波，水流阻力仅与床沙的代表粒径有关（沙粒阻力）；,当,U/U,c,1,时,，粗沙河流的沙波处于发展阶段阻力随水流强度增大而增大；而细沙河流与之相反。,