講義《河流動(dòng)力學(xué)》大學(xué)教材課件懸移質(zhì)運(yùn)動(dòng)和水流挾沙力

第五章懸移質(zhì)運(yùn)動(dòng)和水流挾沙力§5-1懸移質(zhì)概述

＊懸浮是泥沙運(yùn)動(dòng)的主要方式之一。就我國的情況說，沖積平原中諸多河流所挾帶的泥沙懸移質(zhì)占主要或絕大部分﹤多沙河﹥。在一部分山區(qū)和丘陵地區(qū)的河流中，它也占重要位置，這是由地形（質(zhì)）、水文等條件使然的?！?-1懸移質(zhì)概述一、如何懸?。恐亓ψ饔谩嗌晨咕軕腋〉闹饕蛩匚蓜?dòng)作用——促使泥沙懸浮泥沙在懸浮過程中所遵循的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，在本質(zhì)上歸結(jié)于這兩種作用的矛盾統(tǒng)一關(guān)系?！?-1懸移質(zhì)概述

★紊動(dòng)作用如何抗拒重力作用托起泥沙？在挾帶懸移質(zhì)的水流中，含沙量沿垂線分布不均勻：愈接近底部含沙量愈大，愈接近表面含沙量↓，即沿垂線向存在含沙量的梯度。在一個(gè)較長(zhǎng)時(shí)段中，由于紊動(dòng)作用上浮的泥沙量多于由于紊動(dòng)作用下沉的泥沙總量，即在垂向上紊動(dòng)起著上托泥沙的作用。故含沙量沿垂線的梯度是重力作用與垂向上的紊動(dòng)作用的產(chǎn)物?！?-1懸移質(zhì)概述★懸浮機(jī)理：

紊動(dòng)水流上、下流層存在強(qiáng)烈的摻混作用。盡管由于連續(xù)定律知：通過單位截面的向上水體等于向下水體的體積，但因含沙濃度上稀下濃，等體積的向上水體可以比向下水體攜帶更多的泥沙量，產(chǎn)生促使泥沙向上運(yùn)動(dòng)的懸浮作用以抗拒重力作用，從而導(dǎo)致泥沙的懸浮。§5-1懸移質(zhì)概述紊動(dòng)擴(kuò)散作用：由于紊動(dòng)擴(kuò)散將懸移質(zhì)從高濃度區(qū)向低濃度區(qū)擴(kuò)散的作用。重力＞紊擴(kuò)作用，泥沙下沉，表現(xiàn)為淤積；重力＜紊擴(kuò)作用，泥沙懸移，表現(xiàn)為沖刷；重力＝紊擴(kuò)作用，平衡（S↑），不沖不淤。懸移質(zhì)運(yùn)動(dòng)過程——重力與紊動(dòng)擴(kuò)散作用抗衡的過程?！?-1懸移質(zhì)概述

★影響懸浮的因子？

⑴泥沙粒徑、重率、ω重力作用

⑵水流的紊動(dòng)強(qiáng)度υ′

紊動(dòng)擴(kuò)散作用含沙濃度梯度ds/dy

提問：若ω一定，則υ′越大，ds/dy越小時(shí)含沙量垂向分布變化？答案：趨向均勻（動(dòng)態(tài)平衡）§5-1懸移質(zhì)概述問：細(xì)沙在靜水中能否懸浮？答：顆粒極細(xì)的泥沙，雖然重力較水大，但所受的重力作用十分微弱，即便放在在靜止的水中，也可以借助分子的擴(kuò)散作用與重力作用相抗衡，從而發(fā)生懸浮現(xiàn)象。這是懸移質(zhì)存在的一種特殊狀態(tài)。§5-1懸移質(zhì)概述二、床沙質(zhì)和沖瀉質(zhì)﹤僅限于懸移質(zhì)﹥懸移質(zhì)的組成很不均勻，因?yàn)樵谝欢ㄋ鳁l件下，粒徑超過一定限度的泥沙不可能懸浮。對(duì)于粗粒徑有確定的界限，而細(xì)的沒有明顯的極限粒徑。水流的不穩(wěn)定性及河床形式的不規(guī)則性都對(duì)之有影響。

§5-1懸移質(zhì)概述二、床沙質(zhì)和沖瀉質(zhì)﹤僅限于懸移質(zhì)﹥

1、概念

⑴床沙質(zhì)懸移質(zhì)中較粗的一小部分泥沙，在河床中大量存在。

⑵沖瀉質(zhì)懸移質(zhì)中較細(xì)的一大部分泥沙，在河床中少有或沒有?！?-1懸移質(zhì)概述二、床沙質(zhì)和沖瀉質(zhì)﹤僅限于懸移質(zhì)﹥

2、區(qū)別

⑴床沙質(zhì)有充分的供給來源，使這部分懸移質(zhì)有維持飽和的機(jī)會(huì)，其飽和含量可以從水流條件與河床組成條件的相互關(guān)系中確定。

⑵沖瀉質(zhì)則不同，主要依賴水流從上游帶來，在本河段中得不到充分供給（若上游來量超過本河段水流所挾帶的限度則發(fā)生淤積，反之不可能取得應(yīng)有的補(bǔ)充），即沖瀉質(zhì)可能是不飽和的，其數(shù)量從上游沖蝕條件與本河段的水流相互關(guān)系中探索?！?-1懸移質(zhì)概述二、床沙質(zhì)和沖瀉質(zhì)﹤僅限于懸移質(zhì)﹥

3、聯(lián)系

⑴同屬于懸移質(zhì)，二者在懸浮運(yùn)動(dòng)的過程中，對(duì)水流紊動(dòng)有一定影響，而水流紊動(dòng)又直接關(guān)系著含沙量的多少，二者相對(duì)含量的大小相互聯(lián)系、制約。

⑵在一定條件下可以相互轉(zhuǎn)化。由于水流與河床在時(shí)間上的不恒定性和在空間上的不均勻性，沖刷和淤積的現(xiàn)象不斷發(fā)生。一定規(guī)模的沖刷現(xiàn)象，通過自然選擇過程，使河床逐漸粗化；相反一定規(guī)模的淤積現(xiàn)象，則促使河床細(xì)化。

§5-鳳1懸移觸質(zhì)概碼述※說明檢：推狐移質(zhì)喪是河至床組霜成中薪大量壓存在染的，街即在酷河床奧組成堡中大棉量存斥在的笛這一蒸部分歌懸移潮質(zhì)（單床沙兔質(zhì)）惹和整蛋個(gè)推嘗移質(zhì)個(gè)的運(yùn)挖動(dòng)狀旗態(tài)與機(jī)河床西變化滲發(fā)展苗息息投相關(guān)杜。在地考慮窮河道滅演變蚊過程蓋時(shí)常鎖把二跟者作絹為重劫要分拳析對(duì)膝象?！?-榜2懸移若質(zhì)含啦沙量副的垂蟲線分宮布﹡泥沙丘的重漠力沉霞降使勇得含檔沙水濤流中隔沿垂祖線形綢成上覆清下師渾的腔濃度我分布扁。紊流嫩中沿階水深漂不同門高度邪處各口層水宴體之泰間存數(shù)在水岔團(tuán)的躲紊動(dòng)窮交換籌，同淹時(shí)引做起各痰水層籠間泥必沙的織交換殿，但鋪上清赴下渾挺的濃能度分淺布使毫得向身上運(yùn)色動(dòng)的泡水團(tuán)蔥所挾喪帶的舟泥沙核量大納于向紙下運(yùn)輪動(dòng)水心團(tuán)所找挾帶歷的沙罪量，故紊井動(dòng)交揭換的熄結(jié)果監(jiān)使泥鋤沙向烈上運(yùn)輝動(dòng)；啊又因躬泥沙軌比水饅重而穿勢(shì)必研往下按沉降犧。當(dāng)因醉紊動(dòng)趨作用辨而上途移的散沙量?jī)辞『脼V等于查因重憐力作賀用而班下沉單的沙俱量時(shí)館，含潔沙量幫沿垂襖線分匹布達(dá)乓到平污衡狀葵態(tài)。本節(jié)安講述僵平衡爭(zhēng)后的狠含沙幣量垂夾線分羽布規(guī)過律?！?-各2懸移載質(zhì)含街沙量加的垂睬線分沿布一、吹擴(kuò)吉散定咳律（Fi什ck牲d閱if啊fu維si睬on約L胡aw）含沙印量分乞布理知論——擴(kuò)散獄理論察、重衰力理餐論、背混合邪理論架、隨掌機(jī)理蝕論。擴(kuò)散濱定律——當(dāng)空須間不占同部歪位存編在某害種物巖質(zhì)的棵濃度孝差異慕時(shí)，環(huán)此物雖質(zhì)將全從濃功度高囑的一航方向倆濃度室低的旦一方蘋擴(kuò)散旦，其瞞擴(kuò)散悄量等習(xí)于濃批度梯徒度與市擴(kuò)散隸系數(shù)煌之積土?！?-繡2懸移剃質(zhì)含夏沙量共的垂著線分伸布擴(kuò)散答理論跡的基徹本方鏈程即含沙篩量分陽布的Ro筋us唯e公式旨：κ—吹—K押ar罵ma咽n常數(shù)狼，取0.喚4。其療中懸騾浮指百標(biāo)z揭示施了重尋力與權(quán)紊動(dòng)姥作用晨的相販互關(guān)我系。z的大鵲小決餓定了范泥沙那在垂鏡線上展分布僻的均是勻程城度。z越小垃，懸塔移質(zhì)貢分布緊越均晃勻；捐反之夢(mèng)亦然左。Z=墻5作為孔泥沙幅是否杰進(jìn)入碎懸浮撥狀態(tài)凳的臨吸界判屑別值孔。§5-龍2懸移殼質(zhì)含領(lǐng)沙量袋的垂瓜線分喪布§5-吩2懸移障質(zhì)含易沙量岔的垂進(jìn)線分南布Ro舍us煉e公式列的缺街陷：①因不旺能求息絕對(duì)而含沙胡濃度蘋，故袖不能讓推求魄懸移掃質(zhì)輸傲沙率激；②當(dāng)水患面S=些0時(shí)，縱河底S→果∞，不慨符合細(xì)實(shí)際篩；③若S較大樓、泥爪沙顆墾粒較船粗，狡則計(jì)蠅算誤義差大胖；④實(shí)際Z比計(jì)什算結(jié)誼果小滔，說漢明實(shí)否際的蔑懸沙暢分布帽更均稍勻。§5-憑2懸移板質(zhì)含弊沙量烏的垂涼線分套布二、洗重力翁理論1、基秧本觀汪點(diǎn)維利移卡諾撞夫﹤廢俄﹥描根據(jù)遼能量芳平衡淡原理塵首創(chuàng)蠢的。匠他認(rèn)虹為：挾帶平懸移擇質(zhì)的嚼水流司在運(yùn)呼動(dòng)過狼程中窩要消疊耗能守量。誓所消喪耗的鋒能量芳分為革兩部武分：稱一部網(wǎng)分用茄于克巧服邊肥界的謎阻力筆；另村一部翅分用拴于維女持懸置移質(zhì)饅的懸襲浮?！?-壩2懸移萍質(zhì)含北沙量調(diào)的垂合線分層布重力掛理論返的觀確點(diǎn)認(rèn)臘為：傘懸移客質(zhì)的迷比重宅一般術(shù)比水乖大得遙多，醒要使谷它在央水里獸不下靜沉，揮水流膏必須車對(duì)它頑做功任以維絨持懸棒浮，叉即水超流必項(xiàng)須為鑼此而演消耗悄能量律。懸浮來功能——挾沙考水流臣的能鄭損應(yīng)挪包括旺克服詢水流望阻力已所消盲耗的協(xié)能量尖和懸創(chuàng)浮功獲?！?-宴2懸移鐮質(zhì)含梢沙量扶的垂食線分臨布2、懸棉移質(zhì)植垂線佛分布顯方程§5-敵3懸移首質(zhì)輸驚沙率根據(jù)罪前面忌介紹攪的理逆論方頃法，橋可以按求出單懸移終質(zhì)含拖沙量SV及流脈速U沿垂倒線的吃分布摔。據(jù)橫此可獵計(jì)算佳出單斃位時(shí)輝間內(nèi)住，河脖道過女水?dāng)喽该嬷信哺叱蘺處單瓣位時(shí)裹間、誦單位繁斷面帆面積以上通暗過的辜懸移主質(zhì)沙燭量為U·SV，將展其沿廳垂線卻積分吩可得語全水熄深上途的懸慰移質(zhì)廁單寬稀輸沙穿率。另一跳個(gè)更眨簡(jiǎn)便瓣的方閘法是責(zé)求解制得出賭斷面疊平均第含沙年量和第平均崇流速獸，兩材者之慈積就談是全紙斷面攜的懸仔移質(zhì)盜輸沙放率?！?-姜3懸移剪質(zhì)輸賊沙率一、暖輸沙脫率公優(yōu)式1、Ei挖ns縱te倆in公式2、Ba梁gn芹ol群d公式§5-鈔3懸移釣質(zhì)輸回沙率3、張遍瑞瑾托修正私式§5-稈3懸移鏡質(zhì)輸位沙率二、穗不平即衡輸駛沙問軌題之前榮討論嘴了泥揀沙運(yùn)梳動(dòng)在訴恒定殘、均野勻狀蟲態(tài)下并的懸撞移質(zhì)爸運(yùn)動(dòng)倡，但回在生述產(chǎn)實(shí)行際中方很多再情況拉下懸可移質(zhì)物泥沙照處于迎不平挪衡的技運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)房誠。如蹄：新頃修水歲庫下溝游的希沖刷榜、引聰水渠譯的淤劉積。主要摧涉及口兩方木面：沖刷碼過程釣中含嚷沙量記沿程下恢復(fù)繳；淤積鴉過程沸中含灣沙量慎沿程珍遞減倡?！?-乞4水流漫挾沙暗力一、捕涵義在一曬定邊儀界和右水流籠條件慰下，明水流蜂所能馬挾帶抵的包盤括推踏移質(zhì)許和懸學(xué)移質(zhì)雷在內(nèi)掉的全圓部沙喬量。在數(shù)液值上雄等于箏不沖網(wǎng)不淤該平衡獸條件爹下的啟飽和溜含沙展量（弟含沙誘濃度綁）搖。鑒豬于沖伯瀉質(zhì)赴和水駐流條制件無依關(guān)，策常處假于非煮飽和如狀態(tài)窄，故Sm不包捷括沖法瀉質(zhì)§5-村4水流測(cè)挾沙專力二、煩理論址公式翠﹤課御本自猜看﹥1、Ei粒ns埋te習(xí)in方法2、Ba喉gn惑ol糖d方法三、陡經(jīng)驗(yàn)媽或半振經(jīng)驗(yàn)單方法1、En次ge傲lu蛇nd飽-H恩an均se蓮n公式2、Ac述ke究rs拍-W葬hi動(dòng)te公式§5-墳4水流騎挾沙目力3、張伴瑞瑾裕方法“查制紊躍功“想假說——懸移齡質(zhì)具側(cè)有抑偶制紊盛動(dòng)的繁作用自，使戰(zhàn)水流境條件艙（v、h、B）相堂同的倘渾水粉水流疼比清箱水在子單位窯時(shí)間哨、單暫位流研程內(nèi)快的能縫損小轉(zhuǎn)，兩袍者的徒差別桃即制裝紊功善。據(jù)此毅建立趟能量都平衡招方程肆：§5-醋4水流脆挾沙泰力→紊動(dòng)優(yōu)強(qiáng)度莊指標(biāo)→相對(duì)喘重力雕沉降本作用→紊動(dòng)烈擴(kuò)散澇作用允與重訂力作倡用的胳比值求，越大枝說明盼紊動(dòng)牛越強(qiáng)腿，水榜流挾削沙力把越大§5-并4水流檔挾沙檔力四、爭(zhēng)影響南水流魯挾沙精力的要主要腔因素1、水突流條賤件：U、h、J、g；2、水單流的林物理遣性質(zhì)說：γ、盡；3、泥胖沙的妨物理糖性質(zhì)殘：γs、ω、D；4、邊吼界條種件：賽河床拐物質(zhì)強(qiáng)的組寸成和允河寬鮮?！?-偽4水流幫挾沙羅力☆提問貓：水作流挾尾帶懸凳沙與雷清水之比較恩，能呢?fù)p有嶺無變止化？或哪個(gè)摧大？第一同個(gè)問貍題首明先要春明確深，溉因?yàn)槊缒嗌痴鲗?duì)于蹲一種生水流天好比否一種飼“負(fù)禿擔(dān)”片，若逝其他追條件類完全遭相同蟻時(shí)，底兩者透在運(yùn)擊動(dòng)時(shí)振消耗對(duì)的能身量不賢同。蒼維持毯泥沙雅紊動(dòng)核懸浮餃所需站的能擠量不蘋是直睜接來臂源于攔水流稼的有器效能須量，塞而是堵通過獲紊動(dòng)調(diào)能作趟中介快間接伴取之淡的。比較潤二者噸誰消獲耗更桌多能叼量→二者禾阻力枯功誰