第6章_懸移質泥沙運動2014

1、6 懸移質泥沙運動懸移質泥沙運動 (suspend load)河流動力學河流動力學1第六章第六章 懸移質運動懸移質運動1、懸移質懸浮機理、懸移質懸浮機理2、床沙質與沖瀉質概念；、床沙質與沖瀉質概念；3、懸沙含沙量垂線分布；、懸沙含沙量垂線分布；4、懸移質輸沙率；、懸移質輸沙率；5、水流挾沙能力；、水流挾沙能力；6-1 懸移質泥沙概念懸移質泥沙概念一、一、 懸移質泥沙運動的一般特點懸移質泥沙運動的一般特點 （1）河流蝕山造原的過程中，懸移質至少在數量上起著更）河流蝕山造原的過程中，懸移質至少在數量上起著更為重要的作用。為重要的作用。例：寸灘站年均懸沙輸沙量例：寸灘站年均懸沙輸沙量4.6億噸，底沙

2、億噸，底沙600萬噸，懸沙占萬噸，懸沙占98.7%； 嘉陵江北碚站年均懸沙量嘉陵江北碚站年均懸沙量1.18億噸，底沙億噸，底沙58萬噸，懸沙萬噸，懸沙99.3% （2）天然河流中床沙、推移質和懸移質泥沙中，懸移質泥）天然河流中床沙、推移質和懸移質泥沙中，懸移質泥沙最細，非均勻性最大。沙最細，非均勻性最大。 （3）與推移質泥沙運動規(guī)律不同，懸移質泥沙在水中懸?。┡c推移質泥沙運動規(guī)律不同，懸移質泥沙在水中懸浮前進，時而上浮，時而下沉，留下只有統計學機遇性質而前進，時而上浮，時而下沉，留下只有統計學機遇性質而無力學必然規(guī)律的跡線。無力學必然規(guī)律的跡線。 （4）推移質泥沙運動的間斷性強，而懸移質泥沙運

3、動的持）推移質泥沙運動的間斷性強，而懸移質泥沙運動的持續(xù)性一般是相當大的續(xù)性一般是相當大的，作為，作為連續(xù)介質連續(xù)介質。第六章第六章 懸移質運動懸移質運動3.0u二、研究的目的意義二、研究的目的意義引水排沙工程引水排沙工程：需了解含沙量沿水深的分布；庫區(qū)淤積及淹沒庫區(qū)淤積及淹沒：需知道懸移質輸沙量；河床演變分析河床演變分析：需了解輸沙率及含沙量沿程變化；u三、泥沙懸浮的條件三、泥沙懸浮的條件（1）床面附近的漩渦尺度大于泥沙粒徑；）床面附近的漩渦尺度大于泥沙粒徑；（2）漩渦的向上分速大于泥沙的沉速。）漩渦的向上分速大于泥沙的沉速。（3）懸移質在紊動水流中，既因承受重力作用而下沉，懸移質在紊動水流

4、中，既因承受重力作用而下沉，又因承受紊動擴散作用而上升。又因承受紊動擴散作用而上升。6-1 懸移質泥沙一些基本概念懸移質泥沙一些基本概念5四、天然河道含沙量沿水深分布現象四、天然河道含沙量沿水深分布現象、一般情況下，天然河道受重力作用影、一般情況下，天然河道受重力作用影響，懸移質含沙量沿水深分布都是上細響，懸移質含沙量沿水深分布都是上細下粗，上稀下濃，存在著自下而上逐漸下粗，上稀下濃，存在著自下而上逐漸減小的含沙量梯度，含沙量沿水深分布減小的含沙量梯度，含沙量沿水深分布具有不均勻性。具有不均勻性。含沙含沙量沿量沿水深水深分布分布圖圖6-1 懸移質泥沙懸移質泥沙一些基本概念6、河道水流屬于紊流，

5、其各流層間、河道水流屬于紊流，其各流層間存在著強烈的混摻現象，向上的渦存在著強烈的混摻現象，向上的渦體自然會使泥沙向上懸浮。體自然會使泥沙向上懸浮。、但就恒定流時均情況而言，根據、但就恒定流時均情況而言，根據脈動水流的連續(xù)性，流層間混摻的脈動水流的連續(xù)性，流層間混摻的上浮水體與下沉水體是相等的，為上浮水體與下沉水體是相等的，為什么泥沙還會上浮呢？什么泥沙還會上浮呢？ 6-1 懸移質泥沙懸移質泥沙一些基本概念3.2.0.5u重力作用重力作用泥沙比水重而向下沉降，使得水流含沙量在河底較大，水面較小，泥沙比水重而向下沉降，使得水流含沙量在河底較大，水面較小，懸沙呈現上稀下濃的非均勻分布。懸沙呈現上稀

6、下濃的非均勻分布。u紊動作用紊動作用紊動作用紊動作用使懸沙由含沙量高的下層向含沙量低的上層傳送。因為：使懸沙由含沙量高的下層向含沙量低的上層傳送。因為：穿過水平面的渾水量平衡，而下濃上稀，向上水體挾帶的泥沙大于穿過水平面的渾水量平衡，而下濃上稀，向上水體挾帶的泥沙大于向下水體挾帶的泥沙。向下水體挾帶的泥沙。u紊動擴散作用紊動擴散作用紊流作用同分子布朗運動引起的某物質從濃度高的地方向濃度低的紊流作用同分子布朗運動引起的某物質從濃度高的地方向濃度低的地方不斷遷移的分子擴散現象一樣，因次稱為。地方不斷遷移的分子擴散現象一樣，因次稱為。重力作用重力作用使含沙量沿水深分布趨向使含沙量沿水深分布趨向不均勻

7、化不均勻化；紊動作用紊動作用使含沙量沿水深分布趨向使含沙量沿水深分布趨向均勻化均勻化。6-1 懸移質泥沙懸移質泥沙一些基本概念原因：原因：3.2.0.6紊動擴散作用使泥沙上浮，重力作用使泥沙下沉，含沙紊動擴散作用使泥沙上浮，重力作用使泥沙下沉，含沙量沿水深部分由此二者相對作用的對比關系決定。量沿水深部分由此二者相對作用的對比關系決定。重力作用占優(yōu)勢，泥沙下沉，河床淤積；紊動擴散作用重力作用占優(yōu)勢，泥沙下沉，河床淤積；紊動擴散作用占優(yōu)勢，泥沙上浮，河床沖刷；二者作用相當時，河床占優(yōu)勢，泥沙上浮，河床沖刷；二者作用相當時，河床不沖不淤不沖不淤,處于平衡狀態(tài)處于平衡狀態(tài). 紊動擴散作用上浮的沙量和重

8、力作用下沉的沙量在垂線上任紊動擴散作用上浮的沙量和重力作用下沉的沙量在垂線上任一位置都相等，含沙量沿水深分布達到了平衡狀態(tài)。一位置都相等，含沙量沿水深分布達到了平衡狀態(tài)。懸移質上升之所以成為可能，是與含沙量具有上稀下濃的懸移質上升之所以成為可能，是與含沙量具有上稀下濃的沿垂線梯度分不開的。沿垂線梯度分不開的。在沖刷、淤積的過程中，沿垂線的含沙量梯度起著重要的在沖刷、淤積的過程中，沿垂線的含沙量梯度起著重要的調節(jié)作用調節(jié)作用6-1 懸移質泥沙懸移質泥沙一些基本概念 1、概念；按造床作用對泥沙的分類、概念；按造床作用對泥沙的分類 床沙質（床沙質（bed material load)：懸移質中較粗部

9、分懸移質中較粗部分的泥沙，在床沙中大量存在，參與塑造河床作用。的泥沙，在床沙中大量存在，參與塑造河床作用。 沖瀉質（沖瀉質（wash load）：）：懸移質中較細部分的泥沙，床懸移質中較細部分的泥沙，床沙中較少存在，不參與造床。沙中較少存在，不參與造床。 2、特性；、特性； 與水力條件的關系；與水力條件的關系；床沙質與水力條件密切相關床沙質與水力條件密切相關；沖瀉質與水力條件關系不密切，一般是不飽和的。；沖瀉質與水力條件關系不密切，一般是不飽和的。 在一定條件下可相互轉化。在一定條件下可相互轉化。 3、劃分方法；、劃分方法；6.2 床沙質與沖瀉質床沙質與沖瀉質床床沙沙質質和和沖沖瀉瀉質質床沙質

10、與水力條件密切相關；沖瀉質與水力條件關系不密切床沙質與水力條件密切相關；沖瀉質與水力條件關系不密切方法一：方法一：用床沙用床沙的的d5或或d10方法二：方法二：公切線公切線法法床床沙沙質質和和沖沖瀉瀉質質劃劃分分一、泥沙紊動擴散一、泥沙紊動擴散 基于泥沙顆粒在紊流中隨機運動來求解泥沙濃度基于泥沙顆粒在紊流中隨機運動來求解泥沙濃度垂向分布，稱為擴散理論垂向分布，稱為擴散理論。這一理論的基礎是液。這一理論的基礎是液體的體的紊動擴散理論紊動擴散理論，它是通過把泥沙或液體微團，它是通過把泥沙或液體微團的運動與分子熱運動相比擬而得出來的，其基本的運動與分子熱運動相比擬而得出來的，其基本方法都是用梯度型擴

11、散（如方法都是用梯度型擴散（如Fick擴散定律）來描擴散定律）來描述顆粒隨機運動的宏觀結果。述顆粒隨機運動的宏觀結果。6-3 懸移質含沙量垂線分布懸移質含沙量垂線分布 菲克定律菲克定律，是描述氣體擴散現象的宏觀規(guī)律，這是生理，是描述氣體擴散現象的宏觀規(guī)律，這是生理學家菲克（學家菲克（FickFick）于）于18551855年發(fā)現的。年發(fā)現的。 早在早在18551855年，菲克就提出了：年，菲克就提出了：在單位時間內通過垂直于擴在單位時間內通過垂直于擴散方向的單位截面積的擴散物質流量（稱為擴散通量散方向的單位截面積的擴散物質流量（稱為擴散通量, ,用用J J表示）與該截面處的濃度梯度成正比，表示

12、）與該截面處的濃度梯度成正比，也就是說，濃度梯也就是說，濃度梯度越大，擴散通量越大。這就是菲克第一定律。度越大，擴散通量越大。這就是菲克第一定律。D D稱為擴散系數稱為擴散系數(m2/s)(m2/s)，C C為擴散物質的體積濃度為擴散物質的體積濃度( (原子數原子數/m/m或或kg/m)kg/m)，dC/dxdC/dx為濃度梯度，為濃度梯度，“”號表示擴散方向為濃度梯度的反方向，即擴散組元號表示擴散方向為濃度梯度的反方向，即擴散組元由高濃度區(qū)向低濃度區(qū)擴散由高濃度區(qū)向低濃度區(qū)擴散 15 重力作用與紊動擴散作用表達重力作用與紊動擴散作用表達、重力作用、重力作用 重力作用的強弱可用懸移質的沉速重力

13、作用的強弱可用懸移質的沉速 代表，代表，沉速愈大，則重力作用愈強；沉速愈大，則重力作用愈強； 單位時間單位水平截面在重力作用引起的單位時間單位水平截面在重力作用引起的下沉的泥沙量為下沉的泥沙量為 。 S 一些基本概念(二二 )、紊動擴散作用紊動擴散作用 紊動擴散理論可以簡單概括為：如果某一物理量紊動擴散理論可以簡單概括為：如果某一物理量m在呈在呈紊動狀態(tài)，可作為連續(xù)介質看待的流體中分布不勻，具紊動狀態(tài)，可作為連續(xù)介質看待的流體中分布不勻，具有沿任一方向有沿任一方向n的濃度梯度的濃度梯度 ，則這一物理量將通過，則這一物理量將通過紊動作用由高濃度區(qū)向低濃度區(qū)擴散，其擴散強度紊動作用由高濃度區(qū)向低濃

14、度區(qū)擴散，其擴散強度為為 ，此處，此處 為擴散系數，亦稱傳遞系數。為擴散系數，亦稱傳遞系數。nm nmn n 、水流的、水流的紊動強度紊動強度，用紊動擴散系數，用紊動擴散系數 表示，也可用垂向脈動流速表示，也可用垂向脈動流速 表示；表示； 、懸移質含沙量沿垂線分布的不均勻性，、懸移質含沙量沿垂線分布的不均勻性，用垂線用垂線含沙量梯度含沙量梯度 表示。表示。 單位時間單位水平截面上，由于紊動擴散單位時間單位水平截面上，由于紊動擴散作用引起的上浮的泥沙量可表示為作用引起的上浮的泥沙量可表示為 ，也可表示為也可表示為 。y vyS ySy (二二 )、紊動擴散作用紊動擴散作用3.2.1.3u二維恒定

15、均勻流平衡輸沙擴散方程二維恒定均勻流平衡輸沙擴散方程021)(dySdSdySdSggSyyy輸沙平衡質量擴散懸沙擴散系數時均含沙量；令Sg1dySdgy2021)(dySdSdySdSggSyyy輸沙平衡質量擴散懸沙擴散系數時均含沙量；單位時間單位水平面積內的泥沙下沉量：單位時間單位水平面積內的泥沙上升量：懸懸移質泥沙運動方程：二元水體泥沙質量守恒移質泥沙運動方程：二元水體泥沙質量守恒連續(xù)介連續(xù)介質質寫出在時間寫出在時間 內進入或離開這個水體上內進入或離開這個水體上下左右四面的染色物質的體積。當研究泥下左右四面的染色物質的體積。當研究泥沙的擴散時，由于泥沙比水重，沙粒還將沙的擴散時，由于泥沙

16、比水重，沙粒還將以速度以速度下沉。下沉。()()()()tvttvtvtvtvtggvtU SV SxySSxytxyttxxyySy 二元水體泥沙質量守恒二元水體泥沙質量守恒連續(xù)介質連續(xù)介質 對于紊動水流，流速和濃度均具對于紊動水流，流速和濃度均具有脈動，可將流速和含沙濃度的有脈動，可將流速和含沙濃度的瞬時瞬時值分解成時均值和脈動值值分解成時均值和脈動值，即：，即： Ut=U+u ，Vt=V+v， vt=Sv+sv (6-3)式中大寫字符為時均值，小寫字符為式中大寫字符為時均值，小寫字符為脈動值，脈動值，取長時間平均取長時間平均, 脈動值的長時間平均為零。脈動值的長時間平均為零。 3.2.1

17、.4u二元均勻流不平衡輸沙擴散方程二元均勻流不平衡輸沙擴散方程 ySyvSxSuxSutS整理得：代入上式得又,xSSuySvSxyySySyxSxxSutSxSSuySvSyxxy：擴散方程式二元均勻流不平衡輸沙代入上式得又為書寫方便取消平均符)(, 對流項 擴散項 沉降項當懸移質含沙量的垂線分布達到平衡狀當懸移質含沙量的垂線分布達到平衡狀態(tài)時，泥沙擴散問題成為一個均勻，恒態(tài)時，泥沙擴散問題成為一個均勻，恒定的問題，泥沙擴散方程中對距離和定的問題，泥沙擴散方程中對距離和對時間的偏微分均等于零：對時間的偏微分均等于零：0t0 x0)(dydSvySvdydy二維恒定均勻紊動擴散方程二維恒定均勻

18、紊動擴散方程為為:yS vyS v 0輸沙平衡輸沙平衡假定泥沙擴散系數與動量交換系數泥沙擴散系數與動量交換系數m相等，相等，即：即： y=m= k uyhyh*代入擴散方程得：代入擴散方程得： ku yhyhdSvdySv*0式中：SvSvahyyahaZZku*稱為稱為懸浮指數懸浮指數，也常稱，也常稱Rouse數。它實際數。它實際上代表了重力作用上代表了重力作用與紊動擴散作用與紊動擴散作用u*的的對比關系。對比關系。 令時，令時，vva，積分可得：，積分可得： 一、勞斯（Rouse）公式 1）勞斯（勞斯（Rouse）假設）假設 勞斯（勞斯（Rouse）在建立二維均勻明槽流的平）在建立二維均勻

19、明槽流的平衡情況下懸移質含沙量沿垂線的分布公式衡情況下懸移質含沙量沿垂線的分布公式時，做了兩個重要假設：時，做了兩個重要假設： （1）沉速）沉速沿水深定值；沿水深定值； （2）泥沙紊動擴散系數泥沙紊動擴散系數 （ ）等于相應）等于相應的動量紊動擴散系數的動量紊動擴散系數 （3）流速分布采用對數公式）流速分布采用對數公式y sy m 6 - 3 含 沙 量 垂 線 分 布 律 一、擴散理論 懸浮指標的數值越大，表明重力作用在與懸浮指標的數值越大，表明重力作用在與紊動擴散作用的對比中越強，懸移質含沙紊動擴散作用的對比中越強，懸移質含沙量在垂線上的分布越不均勻；反之，值量在垂線上的分布越不均勻；反之

20、，值越小，懸移質分布越均勻。越小，懸移質分布越均勻。 Z5，判斷河床床面泥沙是否起懸的指標（，判斷河床床面泥沙是否起懸的指標（推移質與懸移質劃分標準）；推移質與懸移質劃分標準）；Z0.01，床沙質與沖瀉質的區(qū)分臨界，床沙質與沖瀉質的區(qū)分臨界。Fig3-40 . 5* UZ 01. 0* UZ 3.2.1.8u懸浮指標懸浮指標 z 的物理意義的物理意義*Uz物理意義：物理意義：表征重力作用與紊動擴散作用的相對大小，表征重力作用與紊動擴散作用的相對大小，反映了含沙量沿水深分布的均勻程度；反映了含沙量沿水深分布的均勻程度；z 越大，表明重力越大，表明重力作用相對越強，分布越不均勻，作用相對越強，分布

21、越不均勻， z 越小，表明紊動擴散作越小，表明紊動擴散作用相對越強，分布越均勻用相對越強，分布越均勻(圖圖3-4)z的另一功用：的另一功用：可作為推移質進入懸浮狀態(tài)的判別標準?？勺鳛橥埔瀑|進入懸浮狀態(tài)的判別標準。 z 5后后(圖圖3-4) ，懸沙較少，可將，懸沙較少，可將z5作為推、懸的臨界判別值。作為推、懸的臨界判別值。6-3 含沙量垂線分布律 一、擴散理論3.2.1.9u對公式的檢驗對公式的檢驗*Uz檢驗內容檢驗內容： 公式的結構是否合理？ 懸浮指標 ？檢驗結果檢驗結果： 公式結構合理、正確公式結構合理、正確(圖3-5)。 z的理論值與實測值的理論值與實測值z1有一定差異有一定差異：z 較

22、小時，實測值與理論值相差不大；z 較大時，實測值小于理論值，且隨z的增大，差距也越大(圖3-7)。6-3 含沙量垂線分布律 一、擴散理論Fig3-5&6公式結構合理公式結構合理Fig3-7z 較小時，實測值與理論值相差不大；較小時，實測值與理論值相差不大；z 較大時，實測值小較大時，實測值小于理論值，且隨于理論值，且隨z的增大，差距也越大的增大，差距也越大Fig3-81) 1(Vanoli*1zamyahayyhSSUzz建議：Fig3-9清水時：=0.4渾水時：Gs，河床發(fā)生沖刷Gs*=Gs，河床不沖不淤Gs*Gs，河床發(fā)生淤積3.3.0.1u 懸移質實際輸沙率懸移質實際輸沙率GS

23、6 - 4 懸 移 質 輸 沙 率 基本概念u求解方法求解方法方法一：積分法方法一：積分法根據前面介紹的理論方法，可以求出懸移質含沙量Sv及流速U沿垂線的分布，據此可計算得出單位時間內，河道過水面中高程y處單位時間、單位斷面面積上通過的懸移質沙量為USv，將其沿垂線積分即可得出全水深上的懸移質單寬輸沙率。方法二：乘積法方法二：乘積法更為簡便的方法是求解得出斷面平均含沙量和平均流速，則兩者之積乘以過水斷面面積就是全斷面的懸移質輸沙率。 6 - 4 懸 移 質 輸 沙 率 基本概念3.3.0.3u懸移質單寬輸沙率懸移質單寬輸沙率gShaVshasdyuSuSdyghhassudyuSdyqgSQG

24、S0*hSdySham單位寬度內的懸移質輸沙率。u懸沙水流挾沙力懸沙水流挾沙力S*(飽和含沙量、臨界含沙量飽和含沙量、臨界含沙量)河流處于不沖不淤臨界狀態(tài)下，單位水體所能挾帶的懸移質中床沙質數量(重量)的平均值。u垂線平均含沙量垂線平均含沙量Sm注意注意S*與與Sm的區(qū)別：的區(qū)別：S*為沿垂線以單寬流量為權的加權平為沿垂線以單寬流量為權的加權平均均Sm則為以水深為權的加權平均；則為以水深為權的加權平均； 6 - 4 懸 移 質 輸 沙 率 基本概念3.3.1.1u基本思路基本思路*UzahayyhSSuSdygzahas采用含沙量沿水深分布的Rouse公式和單寬懸移質輸沙率定義，并采用推移質輸

25、沙率計算臨底含沙量。6-4 懸移質輸沙率 一、Einstein公式一、一、 Einstein公式公式3.3.1.2u 公式推導公式推導zahasahayyhSSuSdyg ，dyahayyhSyUgyUuzahas2 .30lg75. 52 .30lg75. 5*：采用對數流速分布公式 ddhAAaSUghaAhyzAzAzzaslg12 .30lg1)1 (75. 5/111*，令6-4 懸移質輸沙率 一、Einstein公式3.3.1.2u 公式推導公式推導 ddhAAaSUgzAzAzzaslg12 .30lg1)1 (75. 5111*dAAIdAAIIIhaSUddhAAaSUgzA

26、zzzAzzazAzAzzasln1)1 (216. 01)1 (216. 02 .30lg303. 26 .11ln1434. 012 .30lg)1 (75. 511211121*111* 216. 06 .11434. 075. 5216. 0303. 26 .1175. 5lg303. 2lnln434. 0lg注意：6-4 懸移質輸沙率 一、Einstein公式3.3.1.3uI1、I2的計算的計算I1、I2僅是A、z，可通過數值積分計算，也可通過已繪制的圖形查取。dAAIdAAIIIhaSUgzAzzzAzzasln1)1 (216. 01)1 (216. 02 .30lg303.

27、 26 .1111211121* 6-4 懸移質輸沙率 一、Einstein公式3.3.1.4u臨底含沙量的計算臨底含沙量的計算sabbbsbbsbbbassbbsbaUSgiDaUuaUgiuagiSgigiDiDi*6 .116 .111)2,(水槽試驗床面層內的平均含沙量沙率該粒徑的懸移質單寬輸沙率該粒徑的推移質單寬輸則：所占的百分比懸移質某粒徑所占的百分比推移質某粒徑設：Einstein認為包括近河底區(qū)的泥沙分布應是連續(xù)的，床面層頂部的泥沙濃度應是懸移質的臨底含沙量Sa 。6-4 懸移質輸沙率 一、Einstein公式3.3.1.4u臨底含沙量的計算臨底含沙量的計算Nisisbisib

28、bbbsssassabbggIPIggIPIgiIIhgigiIIhaUSgiaUSgi121212121*2 .30lg303. 22 .30lg303. 26 .116 .11或者寫為：6-4 懸移質輸沙率 一、Einstein公式代表性公式 愛因斯坦公式(Einstein) )2 .30lg(75. 5*0shvsskyUUdyUSg 21*2 .30lg303. 26 .11IIkhaSUgsvass 6-4 懸移質輸沙率 五、公式的選用6-5 水流挾沙力水流挾沙力 定義定義 是指在一定水流、泥沙及邊界條件下，是指在一定水流、泥沙及邊界條件下，水流所能挾帶的包括推移質和懸移質在內水流所

29、能挾帶的包括推移質和懸移質在內的全部沙量。的全部沙量。6-5 水流挾沙力 基本概念3.5.0u總輸沙率總輸沙率在一定水流與河床組成條件下，河床處于不沖不淤的平衡狀態(tài)時，單位時間內通過河段下泄的推移質和懸移質泥沙總量(水流輸沙能力水流輸沙能力、水流挾沙力水流挾沙力)。u床沙質總輸沙率床沙質總輸沙率推移質輸沙率推移質輸沙率與懸移質中床沙質輸沙率懸移質中床沙質輸沙率之和。u全沙總輸沙率全沙總輸沙率(總輸沙率總輸沙率)推移質輸沙率推移質輸沙率與懸移質輸沙率懸移質輸沙率(包含沖泄質沖泄質)之和。 例：江西章水：gb:gs=1:2 長江重慶段： gb:gs=1:16606-5 水流挾沙力 基本概念3.5.

30、1.16-5 水流挾沙力 一、床沙質總輸沙率uEinstein公式公式NiTiTbbTibbssbbggIPIgigIPIgigigi12121)1()(床沙質挾沙力：床沙質挾沙力：懸移質挾沙力：推移質挾沙力：對于所有粒徑組：對于某粒徑組：NiTiTbbTibbssbbggIPIgigIPIgigigi12121)1()(床沙質挾沙力：床沙質挾沙力：懸移質挾沙力：推移質挾沙力：對于所有粒徑組：對于某粒徑組：思路思路：推移質輸沙率懸移質輸沙率3.5.1.2u拜格諾(Bagnold)公式公式UUegggUgUegbsssbTsssbssb020001. 0tg01. 0tg床沙質挾沙力：懸移質挾沙

31、力：推移質挾沙力：思路思路：推移質輸沙率懸移質輸沙率6-5 水流挾沙力 一、床沙質總輸沙率3.5.1.3u恩格隆漢森(Engelund-Hansen)公式公式5 . 1500505022025003505 . 2)(05. 0881)(1 . 0DgDDUgUgUghJfDgDgfsssTesssTTTe即：無量綱輸沙率與無量綱床面剪切力的2.5次方成正比6-5 水流挾沙力 一、床沙質總輸沙率3.5.1.3u恩格隆漢森(Engelund-Hansen)公式公式沉降粒經沉降粒經D50：公式中的D50不是床沙的直接中值粒經，而是對應的沉降粒經，其相關關系見表3-1。5 . 150050502)(0

32、5. 0DgDDUgsssT公式檢驗公式檢驗：實驗資料相關性較好(圖3-16)，也適用于沙浪階段，且結構簡單、使用方便，是目前公認為較好的公式。6-5 水流挾沙力 一、床沙質總輸沙率Fig3-16u基本思路基本思路 ：在平原河流，懸移質輸沙為主，推移質輸沙：在平原河流，懸移質輸沙為主，推移質輸沙可忽略?？珊雎浴Ｏ雀鶕崪y資料分析而得，然后提出懸移質具有先根據實測資料分析而得，然后提出懸移質具有制紊作用制紊作用的觀點，的觀點，采用采用定理進行理論推導。定理進行理論推導。四、張瑞瑾公式（四、張瑞瑾公式（武水公式）6-5 水流挾沙力 二、張瑞瑾公式（半經驗半理論）（半經驗半理論）2、張瑞謹公式：基于

33、張瑞謹公式：基于 “制紊假說制紊假說”提出提出紊動減弱的原因：紊動減弱的原因：3.3.2.3u公式的理論推導公式的理論推導制紊作用制紊作用：懸移質的存在將使水流的紊動減弱、水流阻力減小。張瑞瑾發(fā)現張瑞瑾發(fā)現：挾沙水流 S 越大，糙率n越小，能耗就越小。存在制紊作用的原因存在制紊作用的原因： 水流與泥沙比重不同，運動不同步，發(fā)生相對運動而互相牽制 水流挾沙增加粘性，對紊動不利。 近底是產生紊動漩渦的地方，但含沙量大，對渦體的形成與運動具有制約作用。制紊功制紊功：由懸移質的制紊作用產生的功清水能耗E渾水能耗ES。6-5 水流挾沙力 二、張瑞瑾公式3.3.2.3u公式的理論推導公式的理論推導AUJE

34、的能耗：清水單位長度單位時間)1 (sVssVsJSJSJAUEEE制紊功：sVssVsAUJSAUJSE)1 (：渾水同樣條件下的能耗VsVsVsVssVssVssVssVsSFAESAEFSAEFSAFEJSJSJAVEEEAVJSAVJSEAVJE43210, 0),(),( )1()1(：根據量剛分析的定理或根據影響因素：制紊功：渾水同樣條件下的能耗的能耗：清水單位長度單位時間0),(),( 21VsVsSAEFSAFE或根據影響因素：6-5 水流挾沙力 二、張瑞瑾公式3.3.2.3u公式的理論推導公式的理論推導)1 (sVssVsJSJSJAUEEE制紊功：VsSFAE4定理：)()

35、()1()1(001114ssVsVssVVssVssVVVVVJJUCSJSJSJAUSACJSJSJAUESCSFESES于是可以假定：，一般情況有：)()()1()1(001114ssVsVssVVssVssVVVVVJJUCSJSJSJAUSACJSJSJAUESCSFESES于是可以假定：，一般情況有：)()()1()1(001114ssVsVssVVssVssVVVVVJJUCSJSJSJAUSACJSJSJAUESCSFESES于是可以假定：，一般情況有：6-5 水流挾沙力 二、張瑞瑾公式3.3.2.3u公式的理論推導公式的理論推導)()()1()1(001114ssVsVssV

36、VssVssVVVVVJJUCSJSJSJAUSACJSJSJAUESCSFESES于是可以假定：，一般情況有(8:0)(0,)()()(8241)(241241gRUCCSSCffffSffSgRUffCSgURffJJgURfJgURfJsVVssVsVssVssss則可假定而(8,0)(0,)()()(8241)(241241gRUCCSSCffffSffSgRUffCSgURffJJgURfJgURfJsVVssVsVssVssss則可假定而(8,0)(0,)()()(8241)(241241gRUCCSSC

37、ffffSffSgRUffCSgURffJJgURfJgURfJsVVssVsVssVssss則可假定而(8:0)(0,)()()(8241)(241241gRUCCSSCffffSffSgRUffCSgURffJJgURfJgURfJsVVssVsVssVssss則可假定而： 6-5 水流挾沙力 二、張瑞瑾公式3.3.2.3u公式的理論推導公式的理論推(8:0)(0,)()()(8241)(241241gRUCCSSCffffSffSgRUffCSgURffJJgURfJgURfJsVVssVsVssVssss則可假定而：mssssVsgR

38、UKSmCCKgRUCCSS3*112131121)(8)(8令mssssVsgRUKSmCCKgRUCCSS3*112131121)(8)(8令 6-5 水流挾沙力 二、張瑞瑾公式3.3.2.4u綜合因子綜合因子 的物理意義的物理意義gRU3*22223SUgRUUgRUUgRUUgRUgRU紊動作用作用的相對大小：表征紊動作用與重力大?。罕碚髦亓ψ饔玫南鄬ξ蓜幼饔么笮。焊ト甑聰?，表征水流*22223SUgRUUgRUUgRUUgRUgRU紊動作用作用的相對大?。罕碚魑蓜幼饔门c重力大?。罕碚髦亓ψ饔玫南鄬ξ蓜幼饔么笮。焊ト甑聰担碚魉?22223SUgRUUgRUUgRUUgRUgRU紊動

39、作用作用的相對大小：表征紊動作用與重力大?。罕碚髦亓ψ饔玫南鄬ξ蓜幼饔么笮。焊ト甑聰?，表征水流*22223SUgRUUgRUUgRUUgRUgRU紊動作用作用的相對大小：表征紊動作用與重力大?。罕碚髦亓ψ饔玫南鄬ξ蓜幼饔么笮。焊ト甑聰?，表征水流 6-5 水流挾沙力 二、張瑞瑾公式3.3.2.5u公式的應用公式的應用mssssVsgRUKSmCCKgRUCCSS3*112131121)(8)(8令公式結構簡單，有一定的理論和實測資料支持，國內應用較廣泛。公式結構簡單，有一定的理論和實測資料支持，國內應用較廣泛。實際應用中注意實際應用中注意k、m的具體擬合。的具體擬合。 6-5 水流挾沙力 二、張

40、瑞瑾公式ghUL3圖中圖中k值給出了上下包絡線，這值給出了上下包絡線，這是因為天然河流中懸移質運動是因為天然河流中懸移質運動往往并非處于平衡狀態(tài)，而是往往并非處于平衡狀態(tài)，而是存在沖刷或淤積。存在沖刷或淤積。3.3.4.1 6-5 水流挾沙力 四、經驗公式u基本思路基本思路利用具體河道的實測輸沙率資料，依據定理等手段建立輸沙率與水流、泥沙參數(U、R、D.)的相關結構，經數值分析獲得具體系數和指數等。一般僅適合具體河道或具體河段。五五 經驗公式經驗公式挾沙力關系的基本表達式挾沙力關系的基本表達式 影響水流挾沙力的四個主要因素包括： 水流條件水流條件，包括：流速U，水深h，比降J和重力作用g； 水流的物理性質水流的物理性質，包括：容重、粘性。 泥沙的物理性質泥沙的物理性質，包括：容重 ，沉速 、粒徑D 邊