第六章-推移质输沙率(一页四张)
第六章 桥墩和桥台冲刷
v0 5.39h0.14d 0.36
（6-1-4）
第一节 泥沙运动
当水深为1m时，绘制起动流速v0与粒径d的关系曲线如图6-3，在d＝ 0.15mm附近，起动流速都有个最小值。该值右侧，起动以克服重力为 主，起动流速随粒径的增大而增大；该值左侧，起动以克服粘结力为 主，起动流速随粒径的减小而增大。当d≥2mm时，粘结力作用可以忽 略不计；当≤0.02mm时，重力作用可以忽略不计。
第一节 泥沙运动
对于河槽内处于运动状态的泥沙，根据颗粒粗细及其来源又分为床沙质 和冲泻质两类。 床沙质：某一河段来自上游的泥沙中，一部分颗粒较粗，在床沙的组成 中大量存在，可以认为它们直接来自上游的河床，并与本河段床沙有交 换现象，这一部分泥沙就称为床沙质。 冲泻质：另一部分颗粒较细的泥沙，在床沙的组成中只有少量存在或根 本不存在，可以认为它们来自流域的表面冲蚀，随水流冲泻而下，沿程 与床沙无交换现象，并且也很少沉积，称为冲泻质。 床沙质与冲泻质的颗粒粗细也是相对的，随着水流条件及河流形态的改 变，也将互相转化。床沙质、冲泻质和悬移质、推移质，是对运动中的 泥沙的两种分类，不可混淆。 床沙质直接参与造床作用，是河床演变的主要影响因素，而冲泻质的影 响则很小。对于桥梁上下游，因水流急剧变化，引起河床变形和墩台附 近的冲刷，起主要作用的是推移质和床沙；颗粒很细的悬移质泥沙，对 长河段的河床演变才起主要作用。
g
vk——起动流速(m/s)； ω——泥沙沉速(m/s)； γ，γs——分别为水和泥沙的容重。
第一节 泥沙运动
五、含沙量和挟沙能力
含沙量(g)：单位体积内水流中所含悬移质的质量，单位是kg/m3。 挟沙能力：在一定的水力条件和边界条件下单位体积的水流能挟带泥 沙的最大数量(质量)，成为水流的挟沙能力，单位是kg/m3。它是一个 临界值，包括推移质和悬移质全部泥沙数量，并且随着水流和边界条 件的不同而时刻变化。
河流海岸工程地貌第2章 推移质运动
第四章 推移质运动
4.2 泥沙的起动
三、无粘性均匀沙起动拖曳力
㈢Shields(希尔兹)曲线及2.其2.特3.点3 均匀沙: Ks D
1马鞍型曲线中间低，两边高： Ks /δ = Re * /11.6 δ = 11.6D Re *
u02 2g
α1-垂直于水流方向的面积系数 CD为拖曳力系数
第四章 推移质运动
4.2 泥沙的起动
㈡受力计算
二、无粘性均匀沙起动流速公式
2.2.2.2
⑶上举力FL
球体：FL
CL
4
D2
u02 2g
非球体：FL
a2CL D 2
u02 2g
2为铅垂方向的面积系数,CL为上举力系数
顶部流速大 → 压力小 底部流速小 → 压力大
分 析 (O 点 为
支点)
u0
FD
FL M R
u0c＝
s gD
K2D MA
通 常 不 用 底 流 速 uoc 作 为
起动流速，而用垂线平均
O
K1D
流速Uc(便于测定)，那么： uoc→Uc？？
W’K3D
4.2 泥沙的起动
二、无粘性均匀沙起动流速公式
㈣起动垂线平均流速Uc的推2.导2.2.4
1
2
h b
试计算中值粒径、均方差及分均匀系数？
粒径累积频率曲线(级配曲线)
小于某粒径的百分数/%
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0.01
0.1
1
10
粒径/mm
港珠澳大桥视频
悬移质输沙理论2
D +
−3 ⎞ ⎛ ⎛ ν ⎞ γs — γ 10 10 ⎟ + 1 .65 × 9 .8 × 0 .6 × 10 −3 gD = −9 × × ⎜9 × ⎜9 ⎟ + ⎜ γ 0 .6 0 .6 ⎟ ⎝ D⎠ ⎝ ⎠ −3 2 2
=-0.015+0.0996=0.0846m/s
悬浮指标为： Z =
单宽悬移质输沙率：1. 沿垂线积分计算
g s = γ s ∫ U ( y )S v ( y )dy
a h
问题1 ：积分的下限a＝？床面高度a处的含沙量 Sva ＝？ 问题2 : 是否可以从床面积到水面？ 对问题2的回答是“不行”，理由如下： a) 所采用的流速公式当y＝0时没有意义(流速和含沙量趋于正、负无穷 大)；b) 从输沙机理上看，在床面附近运动的泥沙，支持其重量的是河床 床面支持、而不是水流的紊动能量，所以这一层运动的泥沙属于推移质 的范畴。
D
ν
γs − γ 0 .6 × 10−3 −3 0 .1 gD = × 0 . 1 × 1 . 65 × 9 . 8 × 0 . 6 × 10 γ 10 −6
=18.69
河流动力学基础
17
悬移质单宽输沙率的概念 –
垂线积分型:均匀沙的Einstein公式 –
垂线平均型:维利卡诺夫公式 和 Bagnold公式
均匀沙的Einstein悬移质输沙率公式: 例题
[例]
2.3 ⎛ R' χ ⎞ U ⎟ = lg⎜ 12 22 . ⎜ κ ⎝ ks ⎟ U '* ⎠
算沙粒阻力对应的水力半径的过程见下表。
′ 的初值 Rb
1.0 0.5 0.6 0.7 0.67 0.68 0.69 0.685
悬移质输沙率q s
3、二维恒定均匀流不平衡输沙扩散方程
取较长时段的平均值
3、二维恒定均匀流不平衡输沙扩散方程
对流项
扩散项
沉降项
4、含沙量沿水深分布
4、含沙量沿水深分布
一、扩散理论 5、悬浮指标z的物理意义
•表征重力作用与紊动作 用的相对大小，反映了 含沙量沿水深分布的均
匀程度，z越大，分布越
不均匀。
•当z>5后，悬沙较少， 故可将z＝5作为推移质
②冲泄质(非造床质)：较细颗粒泥沙在运动过程不与河床 上的泥沙发生交换，可认为是从流域表面冲刷后一泻 千里而来，沿程几乎不交换、沉淀。
二、推移质-悬移质与床沙质-冲泄质命名的区别
1、命名方式不同
• 推-悬：按运动方式分 • 床-冲：按颗粒大小和泥沙来源分
2、推移质≠床沙质，悬移质≠冲泄质
• 悬沙含有床沙质和冲泄质,只是冲泄质多,床沙质少； • 底沙也含有床沙质和冲泄质,只是冲泄质少,床沙质多。
E1= E2＋ E3
二、重力理论(推导含沙量沿水深分布曲线)
2、公式推导
二、重力理论(推导含沙量沿水深分布曲线)
2、公式推导
二式相等
二、重力理论(推导含沙量沿水深分布曲线)
2、公式推导
二、重力理论(推导含沙量沿水深分布曲线)
3、公式验证
二、重力理论(推导含沙量沿水深分布曲线)
4、局限性
• 细颗粒泥沙差异较大 • 悬浮功是紊动动能，而紊动动能是阻力损失的一部分，
第三章 悬移质运动
研究目的：
• 悬沙形成条件：床面附近的漩涡尺度大于泥沙粒径，且其向 上分速大于泥沙沉速。
•河床演变、取水排沙等要求了解悬移质沿水深的分布及悬 移质输沙率。
第一节 床沙质与冲泄质 一、问题的提出
推移质输沙率公式比较与分析
推移质输沙率公式比较与分析王承;杨克君【摘要】Load transport rate is a very important issue in the dynamics ofthe river.This article summarizes the six typical bed load transport rate which is calculated base onthe previous studies of bed load transport rate;the Single-wide sediment transport rates are unified into the form of bed load transport density,and a large number of theflume data validation is compared.The comparison shows that the largest relative errorcreatedby Enge Long formula,up 118.6 percent;the lower relative error by Peterformula,39.1%;descending order of ac-curacy is Meyer-Peter formula,Douguorenformula,Ackers and White formula,Yalinformula,Sharmov formula, Engelund formula.The study can provide references for engineers to selection formulas.% 推移质输沙率是河流动力学中一个十分重要的问题。
本文在前人研究推移质输沙率的基础上，总结了6个典型的推移质输沙率计算公式。
把单宽输沙率都统一转化成推移质输移浓度的形式，并运用大量的试验水槽资料验证比较。
推移质全断面计算方法
附录A 推移质输沙率公式根据公式建立的条件和适用范围，推移质输沙率公式可分为二类。
一类为床沙全部可动的均匀沙推移质输沙率公式。
我国工程设计中较广泛采用的是梅叶—彼德及R 〃摩勒公式，窦国仁公式，沙莫夫公式。
另一类为床沙部分可动、部分不可动的非均匀沙推移质输沙率公式。
较有代表性的是非均匀推移质分组输沙率公式。
根据我国西南地区卵石河床，颗粒组成范围大、粗细悬殊、很不均匀的特点，用水槽模拟天然河道卵石推移质输移，由9条河流162组试验资料，建立了该公式。
该公式首先将床沙分为 n 级粒径组，求得各粒径组的平均粒径D mi ，该粒径组在床沙级配曲线中所占百分数为△P i 。
g g b bii n==∑1 g P p p p p gD bi p i s s mi =⋅⋅-∆φ()()//12312 当V V i ≤0时，φi =0。
当V V i >0时，φi oi b oi b mi m b mib b V V V V D D h D =-012241()()()() b 0=6.31×10-6, b 1=4.83, b 2=1.98, b 3=2.33, b 4=0.95式中：g b——推移质单宽输沙率；g bi——各粒径组单宽输沙率；P i——各粒径组在床沙中所占的百分数；D mi——各粒径组的平均粒径；D m——床沙平均粒径；V i——分组输沙强度参数；V——平均流速；V0i——各粒径组的起动流速，Vp pgDhD ismimi1212017 =-()()()//.ρh——水深；ps——泥沙密度；p——水的密度；g——重力加速度。
附录B 推移质全断面输沙率计算B1 适用于单一的宽浅河槽的计算方法Q b=B b〃g——————————————(B1)式中：Q b——推移质全断面输沙率，kg/s；B b——推移质运动宽度，m；g b——推移质单宽输沙率，kg/(s〃m)。
B2 适用于复式河槽，或单一的宽浅河槽的计算方法(1) 根据河槽形态，将横断面垂直划分成m个子断面；(2) 每一个子断面可概化为矩形，根据断面的水位—流量关系和断面形态，求得各级流量下各子断面的河宽和水深；(3) 由式(B2)求得各子断面的平均流速，由各子断面的水深可求得子断面的单宽流量。
12 第11次课(第6章：水流挟沙力)
当上游进入本河段的床沙质数量较少，水流携带床沙 质的能力有富余，就会从床沙中攫取泥沙得到补充， 直到达到它所能够携带的数量为止，在这个过程中， 河床相应发生冲刷；
6
6.3.1 床沙质与冲泻质 3、泥沙输沙率与流量的关系 反之，当上游进入本河段的床沙质数量过多，则多余 的部分就会落淤，河床相应发生淤积。 由此可见，在不冲不淤相对平衡状态时，床沙质的数量 可以由水流及床沙组成条件确定。这就是图6-7中粗颗粒 泥沙输沙率与水流条件（用流量表示）关系密切的原因。
Sv
C1 s
U
J
Js
（6-27）
引用Darcy-Weisbach 公式
U 8g RJ f
U2 J f
8gR
U2 J s f s 8gR
将J、Js代入式（6-27），有
Sv
C1 s
U
f
f
s
U2 8gR
即
Sv
8C1 s
f
f
s
U3
gR
（6-28）
24
6、张瑞瑾水流挟沙力公式
(2) 公式推导 e、f-fs的表达式
列出能量平衡方程
E E0 Es
(6-25)
19
6、张瑞瑾水流挟沙力公式
(2) 公式推导 a、 E0、Es的表达式
单位时间、过水 断面为A的清水 的能量损失为
E0 AUJ
同理可得，单位时间、过水断面为A的浑水的能量损失为
Es 1 Sv AUJs sSv AUJs
浑水中清水部 分的能量损失
10
6、床沙质和冲泻质的划分
方法1：若在床沙级配曲线右端P<10％的范围内，如果存在 明显的拐点，也可取这一拐点相应的床沙粒径作为床沙质与冲 泻质的分界粒径。 方法2：将悬移质粒配曲线与相应的床沙粒配曲线进行对比， 取床沙粒配曲线上与纵坐标5％相对应的粒径，作为床沙质 与冲泻质的分界粒径。
第6章-水库泥沙
第六章水库泥沙在河流上修坝建库后，库区水位壅高，水面比降减缓，流速减小，水流挟沙能力显著降低，促使大部分泥沙淤积在库内。
其结果不仅导致水库有效库容减小，降低兴利效益和防洪能力，甚至将威胁水库使用寿命及安全运行；同时水库淤积引起回水末端上延，将扩大淹没和浸没面积，并将威胁上游城镇、工矿及交通安全；回水末端的泥沙淤积还会影响航运；水库淤积发展到坝前，除影响闸门的启闭外，还将使大量粗泥沙通过水轮机，严重磨损水轮机的过流部件；库区泥沙的大量淤积，可能造成有害物质沉积于库底，污染水库和周围环境，并且将会淤没鱼类的产卵地，影响鱼类繁殖；与此同时，水库的运用也给下游河道带来一系列新的问题。
如下游河道冲刷下切，容易造成两岸堤防基础悬空坍塌。
由此可见，在河流上修建水库，虽然会给国民经济各方面带来许多利益，但由于水库泥沙冲淤，同时也将带来许多问题和不利影响，其后果有时可能是相当严重的。
所以，在进行水库规划设计时，必须对水库泥沙问题给予足够的重视。
水库泥沙问题是一个在世界范围内普遍存在的问题[1～5]，但我国水库泥沙问题尤为突出。
这是因为由于严重的水土流失，我国的河流含沙量一般都很高。
因此，在这样的多沙河流上修建水库，必然会产生泥沙问题。
第一节水库来沙量分析和估算表示河流输沙特性的指标有含沙量、输沙量、输沙率等。
这些指标的多年平均值反映河流泥沙数量的多少，是水库、河流规划设计的重要依据。
多年平均输沙量为多年平均悬移质输沙量与多年平均推移质输沙量之和。
前者实测资料较多，后者实测资料甚少，且精度不高。
下面分别介绍它们的估算方法。
一、悬移质年平均输沙量估算1．有长期实测资料时当实测的流量及相应的悬移质含沙量资料系列足够长时，且年输沙量与年径流之间有较好的相关关系，可由这些资料估算出各年的悬移质输沙量，然后由下式计算多年平均悬移质输沙量1 n= ∑W s ,iW s （6-1）ni =1式中：W s为多年平均悬移质输沙量，104t/a；W s,i为第i年的悬移质输沙量，104t；n为实测泥沙资料年数，a。