《泥沙运动力学》读书报告 - 图文

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而是在一个区间取值, 且随床面粗化度而变。同时得到了概括散粒体和粘性细颗粒泥沙的统一的均匀沙起动流速公式, 并给出了其上、下限。(4) 在水力条件、相对暴露度及床沙组成一定时, 起动流速随起动级别的增大而增大; 在水力条件、床沙组成及起动级别一定时, 起动流速随床面颗粒暴露度的减小(粗化度的增大) 而增大; 在水力条件、相对暴露度及起动级别一定时, 起动流速随床沙组成而变, 对同一粒径级而言, 床沙组成愈粗愈难起动。(5) 在起动标准、水力条件及相对暴露度(粗化度) 一定时, 非均匀沙泥沙颗粒同均匀沙中同粒径沙相比较, 较粗颗粒容易起动, 较细颗粒恰好相反, 同粒径颗粒则相当。(6) 由于近底边壁床面条件比较复杂, 因而, 水流流速变化也比较复杂。目前, 对其作用机理研究的还不够完善, 故随着近底流速、以及近底流速与垂线平均流速间关系的进一步完善, 泥沙颗粒起动公式中的系数将更加精确[17]。

当水流作用于泥沙颗粒的上浮力和拖曳力的合力大于重力和颗粒间粘结力时，泥沙颗粒开始起动，其中，粘结力只对细颗粒泥沙起作用。泥沙起动主要取决于水流流速、粒径、泥沙成分、颗粒排列、密实度、紊动强度以及床面形态（沙波）等因素。 泥沙起动时的水流流速一般称为起动或临界流速，一般采用水槽底部或海底床面以 上某一参考高度处的实测流速值表示，也可采用更为实用的临界摩阻流速或临界床面剪切力表示[16]。可采用泥沙临界起动曲线表示临界流速与泥沙粒径关系，依据这类曲

线，可以获得泥沙淤积物中最大粒径颗粒泥沙的临界起动水流条件。 H julstrom(1935,1939)通过绘制泥沙粒径与起动临界流速曲线（图10a）发现：粗颗粒泥沙的粒径与临界流速成正比，细颗粒（<0.1mm）并不存在这一关系（图10a 中曲线A），其原因是粘土等细颗粒之间存在着粘结力，使得粘土颗粒比细沙颗粒的起动需要更大的水流动能，特别是当粘土淤积物经过了一定时段的固结之后（Postma，1967）；然而一旦泥沙颗粒起动或悬浮，则无论是粘性还是非粘性泥沙颗粒，其沉降特性则只取决于粒径（即下图1 下端曲线变化规律）。最后需要指出的是：即使是粒径较大的非粘性泥沙颗粒，泥沙的止动流速往往都要小于其起动流速，两者之间大约为2/3 关系（Sundborg，1967）。

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图1 冲刷、输移与沉积关系

图2 均匀沙起动流速及粒径与泥沙运动特性关系

在Reineck 与Singh（1980）的研究基础上，Sundborg（1956，1967）考虑泥沙比重与悬移质含沙量的影响，扩展了Hjulstrom 曲线，Sundborg 曲线适用于以下4 种泥沙运动状态（图10b）：1）净冲刷的悬移质输移；2）净淤积的悬移质输移；3）净

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冲刷或净淤积的推移质输移；4）无泥沙输移。

由此可获得不同泥沙密度的泥沙起动系列曲线（图10b），分析表明：随着流速的增加，粒径小于0.2mm 的细颗粒泥沙可直接进入悬移质输移状态；粗粒径泥沙则必须经过推移质输移状态进行过渡。

然而，无论是Hjulstrom 曲线还是Sundborg 曲线，它们都很难应用于天然情况，因为它们既没有考虑非均匀沙与水流紊动的影响，也没有考虑床面形态对于“表征”起动流速（即：为床面以上某一高度处泥沙起动水流流速）的影响。

由于水深对于流速的垂向分布至关重要，对于粒径相同的泥沙颗粒，采用不同水深值，其临界起动流速可能差异会很大（图11；Reineck 和Singh，1980）。因此，泥沙沉积学、海洋学和泥沙工程学等研究者们提出了采用床面剪切力替代某一高度处水流流速表示泥沙起动的研究方法，其中最为重要的泥沙起动参数是θCR（临界剪切应力τCR 与泥沙水下重量（ρs-ρ）gD 之比）[15]。

第六部分 推移质与悬移质运动

早在19世纪末期，法国的杜博瓦（P.Duboys）第一次提出推移质运动的拖曳力理论。自此以后，从事这方面的研究的人员非常之多，所提出来的公式数量也非常之大，不但立论的基础很不一样，在水力要素的标志方式上，有用拖曳力的，有用流速的，也有用功率的，在公式的结构及形式上更是千差万别。但是，仔细推敲起来，从研究方法上考虑，仍然可以看出存在着一定的流派，其中最主要的有[18]：

㈠以大量实验工作为基础建立起来的推移质公式，以梅叶-彼德公式为代表； ㈡根据普通物理学的基本概念，通过一定的力学分析建立起来的理论，以拜格诺公式为代表；

㈢采用概率论及力学相结合的办法建立起来的推移质理论，以爱因斯坦公式为代表；

㈣以爱因斯坦或拜格诺的某些概念为基础，并辅助以量纲分析、实测资料适线或一定的推理而得到的公式，以恩格隆公式、亚林公式、阿克斯-怀特公式为代表

这一部分内容主要介绍了梅叶-彼德、拜格诺、爱因斯坦、亚林、恩格隆、阿克斯-怀特六大家的推移质公式以及它们之间的比较。

紊流的扩散作用使各个流层之间不但有动量的交换，而且还带有泥沙颗粒的交

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换。当颗粒的沉速小于水流的向上脉动流速时，泥沙就有可能以悬移的形式起动。在这一部分里，我们将根据紊动的猝发性质及泥沙的运动轨迹，扼要说明泥沙的起悬过程，并通过紊动经典理论建立起泥沙的扩散方程，然后在两种待定条件下对方程式求解，分别探讨悬移质含沙量的垂线分布问题及不平衡输沙问题。知道了悬移质及流速的垂线分布，就不难推导得出悬移质的单宽输沙率。近年来，环境保护问题日益为人们所重视，而污染物质在水体中的扩散和泥沙的扩散是属于同一种性质的问题，只不过这里所遇到的更多的是三维流动，需要考虑三个方向的扩散。最后还将指出，除了污染物质的扩散意外，还存在着污染物质的离散问题。扩散和离散是两种不同的概念，不应该把它们混淆等同起来。

泥沙运动速度：纵向速度和水流流速基本一致，粗糙床面因较光滑床面的阻力为大，近底处的纵向流速也要略小一些。泥沙上扬及下落时，因分别受低速及高速带的影响，前者的运动速度要比后者为小。在粗糙床面，紊动猝发中的低速带强度要比光滑床面的为大，因而前者泥沙上扬时的垂向运动速度也要比后者为大，下降时相反。

关于悬移质沿垂线分布问题目前有两种不同的理论，即扩散理论与重力理论。 淤积过程中的含沙量沿程递减问题：在张启舜的分析中，泥沙交换系数ε

y

取垂

线平均值，不考虑在不同高程上的变化。河底条件考虑两种不同的情况，一种是水体中的流速很小，泥沙在沉落到河床上以后，不再能继续悬浮。另一种是水体内仍有一定流速，泥沙在落到河底以后，仍能以悬移形式继续运动[20]。

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