第3章-河流泥沙的运动形式课件

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1、3 河流泥沙的运动形式河流泥沙的运动形式第二部分第二部分 河流泥沙运动河流泥沙运动3 河流泥沙的运动形式河流泥沙的运动形式 河流中河床上的泥沙，既有可动性，河流中河床上的泥沙，既有可动性，也具有对运动的抵抗性。因此，在一种水也具有对运动的抵抗性。因此，在一种水流条件下，泥沙会保持静止状态；在另一流条件下，泥沙会保持静止状态；在另一种水流条件下，泥沙会随水流运动。种水流条件下，泥沙会随水流运动。3-1 床沙质与冲泄质 3 河流泥沙的运动形式河流泥沙的运动形式河流中河床上的泥沙，既有可动性，也具有对河流中河床上的泥沙，既有可动性，也具有对运动的抵抗性。因此，在一种水流条件下，泥运动的抵抗性。因此，

2、在一种水流条件下，泥沙会保持静止状态；在另一种水流条件下，泥沙会保持静止状态；在另一种水流条件下，泥沙会随水流运动。沙会随水流运动。泥沙由静止状态变为运动状泥沙由静止状态变为运动状态的临界水流条件，常用起动流速去表达。态的临界水流条件，常用起动流速去表达。即：位于河床表面的某种泥沙（床沙），当即：位于河床表面的某种泥沙（床沙），当水流流速等于或大于起动流速的时候，泥沙将水流流速等于或大于起动流速的时候，泥沙将随水流运动；当流速小于起动流速时，泥沙保随水流运动；当流速小于起动流速时，泥沙保持静止。持静止。3 河流泥沙的运动形式河流泥沙的运动形式3-1 床沙质与冲泄质 3-1 床沙质与冲泄质 一、

3、问题的提出第三章 河流泥沙运动形式u床沙与运动沙颗粒级配分析床沙与运动沙颗粒级配分析床沙：床沙：粗沙多于细沙动沙：动沙：细沙多于粗沙组成：组成：动沙中某些较细的泥沙在床沙中几乎没有，似乎与床面没有发生交换，为什么？Fig3-1 D越大(0.03mm)，QsQ关系越强；D0.03mm)，QsQ关系越强；D0.01mm时，QsQ几乎没有关系。说明：D0.1mm时，无论上游加多少沙，Qs几乎不变；D0.1mm时，无论上游加多少沙，Qs几乎不变；D0.1mm时，Qs由水流条件确定；D0.06mm时，Qs由上游加沙量确定。3-1 床沙质与冲泄质 一、问题的提出第三章 河流泥沙运动形式 冲泻质和床沙质冲泻

4、质和床沙质 按粒径、来源、造床作用划分按粒径、来源、造床作用划分冲泻质冲泻质河流挟带的泥沙中粒径较细的部分，且在河河流挟带的泥沙中粒径较细的部分，且在河床中数量很少或基本不存在的泥沙床中数量很少或基本不存在的泥沙。非造床泥沙非造床泥沙，悬移质中较细的泥沙颗粒，在，悬移质中较细的泥沙颗粒，在床沙中则很少出现。由于它们在输移过程中床沙中则很少出现。由于它们在输移过程中不能不能与床沙进行充分交换与床沙进行充分交换，常处于不饱和状态。因此，常处于不饱和状态。因此，它们在水流中的含量不仅取决于水流条件，而且它们在水流中的含量不仅取决于水流条件，而且还与河段上游流域供沙条件有关。还与河段上游流域供沙条件有

5、关。3-1 床沙质与冲泄质 二、床沙质与冲泄质的概念第三章 河流泥沙运动形式床沙质床沙质河流挟带的泥沙中粒径较粗的部分，且在河床河流挟带的泥沙中粒径较粗的部分，且在河床中大量存在的泥沙中大量存在的泥沙。河流中的推移质和悬移质中较粗颗粒，在床沙中大河流中的推移质和悬移质中较粗颗粒，在床沙中大量存在，属于床沙质量存在，属于床沙质。较粗颗粒泥沙在搬运过程要与河床上的泥沙发生交较粗颗粒泥沙在搬运过程要与河床上的泥沙发生交换换，认为该河段的粗沙来自上游河床，是从床沙，认为该河段的粗沙来自上游河床，是从床沙中进入运动的泥沙；与河床冲淤变化有密切关系，中进入运动的泥沙；与河床冲淤变化有密切关系，所以又称所以

6、又称造床质造床质。3-1 床沙质与冲泄质 二、床沙质与冲泄质的概念第三章 河流泥沙运动形式2 泥沙在水流中的运动泥沙在水流中的运动方式方式 3-1 床 沙 质 与 冲 泄 质 推移质与悬移质的概念第三章 河流泥沙运动形式河床层移区床面层悬水静止河床层移质运动接触质跃移质悬移质运动运动推移质运动悬移质运动跃移质接触质推移质运动床面层跃移质接触质推移质运动床面层水河床静止河床（床沙）接触质运动推移质运动(a)(b)(c)(d)(e)流AB浮区流ACBD泥沙运动形式静止静止13河床层移区床面层悬水静止河床层移质运动接触质跃移质悬移质运动运动推移质运动悬移质运动跃移质接触质推移质运动床面层跃移质接触质

7、推移质运动床面层水河床静止河床（床沙）接触质运动推移质运动(a)(b)(c)(d)(e)流AB浮区流ACBD泥沙运动形式2 泥沙在水流中的运动泥沙在水流中的运动方式方式第三章 河流泥沙运动形式 3-1 床 沙 质 与 冲 泄 质 推移质与悬移质的概念滚动和滑动滚动和滑动2 泥沙在水流中的运动状态泥沙在水流中的运动状态14河床层移区床面层悬水静止河床层移质运动接触质跃移质悬移质运动运动推移质运动悬移质运动跃移质接触质推移质运动床面层跃移质接触质推移质运动床面层水河床静止河床（床沙）接触质运动推移质运动(a)(b)(c)(d)(e)流AB浮区流ACBD泥沙运动形式第三章 河流泥沙运动形式 3-1

8、床 沙 质 与 冲 泄 质 推移质与悬移质的概念跳跃跳跃2 泥沙在水流中的运动状态泥沙在水流中的运动状态15河床层移区床面层悬水静止河床层移质运动接触质跃移质悬移质运动运动推移质运动悬移质运动跃移质接触质推移质运动床面层跃移质接触质推移质运动床面层水河床静止河床（床沙）接触质运动推移质运动(a)(b)(c)(d)(e)流AB浮区流ACBD泥沙运动形式第三章 河流泥沙运动形式 3-1 床 沙 质 与 冲 泄 质 推移质与悬移质的概念悬浮悬浮2 泥沙在水流中的运动状态泥沙在水流中的运动状态16河床层移区床面层悬水静止河床层移质运动接触质跃移质悬移质运动运动推移质运动悬移质运动跃移质接触质推移质运动

9、床面层跃移质接触质推移质运动床面层水河床静止河床（床沙）接触质运动推移质运动(a)(b)(c)(d)(e)流AB浮区流ACBD泥沙运动形式第三章 河流泥沙运动形式 3-1 床 沙 质 与 冲 泄 质 推移质与悬移质的概念泥沙在水流中的运动状态泥沙在水流中的运动状态 按按泥沙在水流中的运动状态泥沙在水流中的运动状态 可以分为两大类型：可以分为两大类型：推移质推移质悬移质悬移质第三章 河流泥沙运动形式 3-1 床 沙 质 与 冲 泄 质 推移质与悬移质的概念18 在床面附近，较粗颗粒的泥沙沿床面滑动、滚动、跳跃，甚至层移前进，经常与床沙彼此交换，前进速度远较水流速度小，泥沙这种运动形式称为推移运动

10、，这一类泥沙称为推移质泥沙，简称推移质。由于其运动范围限于床面附近（河床底部），故又称为“底沙”。推移质推移质在床面附近随着水流以在床面附近随着水流以滑动、滚动（包括滑动、滚动（包括层移），跃移形式运动层移），跃移形式运动的颗粒统称为推移质。的颗粒统称为推移质。19、接触质、接触质 以滑动、滚动形式运动的、经常与床面保持接触的泥以滑动、滚动形式运动的、经常与床面保持接触的泥沙称为接触质。接触质在推移质中为数不多。沙称为接触质。接触质在推移质中为数不多。、跃移质、跃移质 在床面附近以跳跃形式前进的泥沙，称为跃移质。在床面附近以跳跃形式前进的泥沙，称为跃移质。跃跃移质是推移质运动的主要形式。移质是

11、推移质运动的主要形式。、床面层、床面层 在流速较低时，对于同一种河床组成物质来说，其接在流速较低时，对于同一种河床组成物质来说，其接触质和跃移质的运动范围，仅限于河床表层以上大约触质和跃移质的运动范围，仅限于河床表层以上大约1-31-3倍泥沙粒径的区域内，这一区域称为床面层。倍泥沙粒径的区域内，这一区域称为床面层。推移质推移质运动特点：运动特点：间歇性间歇性，泥沙一颗一颗地沿河床滚动，滚一阵，停一阵，呈间歇性；置换性置换性，运动着的泥沙与静止的泥沙，经常彼此置换；速度小速度小，前进的速度，远较水流速度小；跳跃性跳跃性，有时也跳跃前进，但跳跃的高度离河床不远。数量少数量少，在运动河流泥沙中，推移

12、质在总输沙率中所占比重较小。消耗时均能量消耗时均能量，直接消耗水流的时均能量，增加水流阻力。第三章 河流泥沙运动形式 3-1 床 沙 质 与 冲 泄 质 推移质与悬移质的概念悬浮运动、悬移质（悬沙）悬浮运动、悬移质（悬沙）悬浮在水中运动，速度与水流速度基本相同的运悬浮在水中运动，速度与水流速度基本相同的运动状态称为悬浮运动，这一类泥沙称为悬移质。动状态称为悬浮运动，这一类泥沙称为悬移质。第三章 河流泥沙运动形式 3-1 床 沙 质 与 冲 泄 质 推移质与悬移质的概念悬移质运动特点：悬移质运动特点：速度大速度大，顺水流前进的速度与水流的速度基本相同。，顺水流前进的速度与水流的速度基本相同。悬浮

13、性悬浮性，浮游的位置的时候接近水面，有时候接近河床。，浮游的位置的时候接近水面，有时候接近河床。置换性置换性，有时也与床沙发生置换，但与推移质比较，浮游，有时也与床沙发生置换，但与推移质比较，浮游持续性相当大。持续性相当大。数量多数量多，在运动河流泥沙中，悬移质在总输沙率中所占比，在运动河流泥沙中，悬移质在总输沙率中所占比重较大。重较大。消耗紊动能消耗紊动能，消耗水流的紊动能，对水流阻力的影响是间，消耗水流的紊动能，对水流阻力的影响是间接的、复杂的。接的、复杂的。第三章 河流泥沙运动形式 3-1 床 沙 质 与 冲 泄 质 推移质与悬移质的概念23特点 推移质 悬移质 运动形式 以滑动、滚动、

14、跳跃、层移形式前进，运动范围限于床面附近，运动具有间歇性。以悬浮形式，在整个水深范围运动，运动轨迹很不规则，运动持续性强。河流泥沙中份额 在一般河流的泥沙中占的量较少。悬移质为河流泥沙的主体部分。级配组成 泥沙颗粒较粗，与悬移质相比，级配组成较均匀。与床沙和推移质泥沙相比，悬移质粒径细，非均匀性强（见下图）。运动速度 前进速度远较水流速度为小。运动速度与水流速度基本相同。泥沙交换 经常与床沙彼此交换。有时会于床沙和推移质发生交换。推移质和悬移质的区别推移质和悬移质的区别24悬移质运动既与其在床面附近受力情况有关，悬移质运动既与其在床面附近受力情况有关，又与水流对其悬浮作用有关又与水流对其悬浮作

15、用有关推移质运动取决于泥沙在床面附近的受力情况；推移质运动取决于泥沙在床面附近的受力情况；推移质与悬移质运动中泥沙所受水流作用不推移质与悬移质运动中泥沙所受水流作用不同，运动规律也不一样。同，运动规律也不一样。运动规律的不同运动规律的不同 推移质和悬移质的区别推移质和悬移质的区别25悬移质运动悬移质运动消耗的是水流的紊动能量而非时均消耗的是水流的紊动能量而非时均能量，不会引起水流额外的能量损失。因此悬能量，不会引起水流额外的能量损失。因此悬移质的运动效率较高。移质的运动效率较高。推移质运动推移质运动直接消耗水流的时均能量。直接消耗水流的时均能量。能量来源的不同能量来源的不同26 对河床作用不同

16、对河床作用不同推移质在运动中，颗粒不断碰撞，颗粒间进行推移质在运动中，颗粒不断碰撞，颗粒间进行动量交换，在与水流垂直的方向上产生粒间离动量交换，在与水流垂直的方向上产生粒间离散力，它支持了推移质的重量，离散力通过颗散力，它支持了推移质的重量，离散力通过颗粒最后传递到河床，使河床受到一个向下的压粒最后传递到河床，使河床受到一个向下的压力，从而加大了河床的稳定性。力，从而加大了河床的稳定性。悬移质的存在增加了水流的容重，加大了水悬移质的存在增加了水流的容重，加大了水流的静水压力，并可以一直传递到河床颗粒流的静水压力，并可以一直传递到河床颗粒空隙间的水体中。空隙间的水体中。27库区淤积：以悬移质淤积

17、为主。库区淤积：以悬移质淤积为主。弯道演变推移质在环流推动下形成的。悬移弯道演变推移质在环流推动下形成的。悬移质则大部分下泄。质则大部分下泄。不同的造床过程中所起的作用不同不同的造床过程中所起的作用不同比如：比如：泥沙运动形式与水流强度的关系泥沙运动形式与水流强度的关系 水流强度水流强度 增强增强28床沙床沙推移质推移质接触质接触质跃移质跃移质层移质层移质()悬移质悬移质一般河段中输运的泥沙总量，一般河段中输运的泥沙总量，可以按输运可以按输运方式，颗粒粒径、来源、造床作用等划分方式，颗粒粒径、来源、造床作用等划分为不同的部分。为不同的部分。表表3-1 泥沙划分方式及名称泥沙划分方式及名称名称名

18、称划分依据划分依据输运方式输运方式粒径、来源、造粒径、来源、造床作用床作用全沙质全沙质冲泻质冲泻质悬移质悬移质冲泻质冲泻质悬移床沙质悬移床沙质床沙质床沙质推移质推移质推移质推移质第三章 河流泥沙运动形式3-1 床沙质与冲泄质Fig3-2D5=0.047mm床沙质冲泄质床沙质u(1)命名方式不同命名方式不同推推-悬悬：按运动方式分床床-冲冲：按造床作用、颗粒大小和泥沙来源分u(2)推移质推移质床沙质，悬移质床沙质，悬移质冲泄质冲泄质（图）（图）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。u(3)床沙质与冲泄质在一定条件下可以相互转换床沙质与冲

19、泄质在一定条件下可以相互转换同一粒经的颗粒，在上游是冲泄质，在下游可能就是床沙质；同一粒经的颗粒，在洪水期是冲泄质，在枯水期可能就是床沙质；在库区，床沙质的粒经会更小。三、推移质-悬移质与床沙质-冲泄质命名的区别第三章 河流泥沙运动形式3-1 床沙质与冲泄质 推移质-悬移质与床沙质-冲泄质命名的区别32床沙与推移质、推移质与悬移质的交换床沙与推移质、推移质与悬移质的交换 同一粒径的泥沙在某一河段的某一水流条同一粒径的泥沙在某一河段的某一水流条件下，可能处于悬移运动；但到了另一河件下，可能处于悬移运动；但到了另一河段的另一水流条件下，则又可能变成推移段的另一水流条件下，则又可能变成推移运动，甚至

20、沉落在河床成为静止的床沙。运动，甚至沉落在河床成为静止的床沙。因此床沙、推移质、悬移质的区分只能是因此床沙、推移质、悬移质的区分只能是相对的，受水流条件制约的。相对的，受水流条件制约的。3-1 床沙质与冲泄质 推移质-悬移质与床沙质-冲泄质命名的区别第三章 河流泥沙运动形式u(3)床沙质与冲泄质在一定条件下可以相互转换床沙质与冲泄质在一定条件下可以相互转换33 泥沙交换的方向性泥沙交换的方向性 悬浮区悬浮区 床面层床面层 河床河床 （悬移质）（悬移质）（接触质、跃移质）（接触质、跃移质）（床沙）（床沙）推移质推移质 当存在层移运动时，床面层与河床间的交换，又要通当存在层移运动时，床面层与河床间

21、的交换，又要通过层移区作为过渡。过层移区作为过渡。悬浮区悬浮区 床面层床面层 层移区层移区 河床河床（悬移质）（悬移质）（接触质及跃移质）（接触质及跃移质）（层移质）（层移质）（床沙）（床沙）推移质推移质3-1 床沙质与冲泄质 推移质-悬移质与床沙质-冲泄质命名的区别第三章 河流泥沙运动形式u(3)床沙质与冲泄质在一定条件下可以相互转换床沙质与冲泄质在一定条件下可以相互转换Fig3-2D5=0.047mm床沙质冲泄质床沙质公切线法冲泄质床沙质 3-1 床 沙 质 与 冲 泄 质 床 沙 质 与 冲 泄 质 的 划 分u床沙床沙Dw5法法u固定粒经法固定粒经法u公切线法公切线法请注意：请注意：“

22、床沙质床沙质”与与“冲泄质冲泄质”分界的具体河段、具体水期、具体河分界的具体河段、具体水期、具体河道特性。道特性。三种方法的共同点三种方法的共同点：均是以粒经分界。：均是以粒经分界。认为床沙中D5的颗粒为冲泄质，悬沙中D65的颗粒为冲泄质(图3-2)D0.06mm为冲泄质。床沙与悬沙级配曲线的公切线与D轴的交点处的粒经作为分界(图)。四、床沙质与冲泄质的划分第三章 河流泥沙运动形式性质性质床沙质床沙质冲泻质冲泻质根本来源根本来源流域土壤侵蚀流域土壤侵蚀直接来源直接来源上游河床上游河床流域产沙流域产沙床沙组成床沙组成为床沙的主体，组成一般为床沙的主体，组成一般不变。不变。聚集床面，因来沙多寡及聚

23、集床面，因来沙多寡及水流强弱而变化水流强弱而变化在泥沙输运中的地在泥沙输运中的地位位一般只占运动泥沙中的一一般只占运动泥沙中的一小部分小部分一般为运动泥沙的主体一般为运动泥沙的主体运动形态运动形态推移及悬移推移及悬移以悬移为主以悬移为主决定输沙紊大小的决定输沙紊大小的因素因素在粗沙河流上，主要取决在粗沙河流上，主要取决来水条件，与上游来沙多少来水条件，与上游来沙多少的关系较小。在多沙河流上，的关系较小。在多沙河流上，则与来水来沙条件均有关。则与来水来沙条件均有关。主要取决于上游来沙多少。主要取决于上游来沙多少。输沙率与水流条件输沙率与水流条件的关系的关系一般可以从力学规律出发一般可以从力学规律

24、出发建立挟沙能力公式建立挟沙能力公式一般需实测或根据流域条一般需实测或根据流域条件用经验关系确定。件用经验关系确定。泥沙颗粒运动所遵泥沙颗粒运动所遵循的基本规律循的基本规律床沙质和冲泻质泥沙颗粒遵循相同的基本运动规律床沙质和冲泻质泥沙颗粒遵循相同的基本运动规律工程实践中的意义工程实践中的意义床沙质输沙率决定河床的床沙质输沙率决定河床的稳定性稳定性冲泻质输沙率决定水库的冲泻质输沙率决定水库的湮湮(ynyn)废速度废速度鉴别标准鉴别标准粒径大于床沙组成中粒径大于床沙组成中D5的的泥沙颗粒，或悬浮指标小于泥沙颗粒，或悬浮指标小于0.06的泥沙颗粒的泥沙颗粒粒径小于床沙组成中粒径小于床沙组成中D5的的

25、泥沙颗粒，或悬浮指标小于泥沙颗粒，或悬浮指标小于0.06的泥沙颗粒的泥沙颗粒 3-2 高含沙量水流运动和异重流运动高含沙量水流运动和异重流运动上述划分方法主要针对冲积平原河流的一般情上述划分方法主要针对冲积平原河流的一般情况。实际上，泥沙还有两种特殊的运动方式，况。实际上，泥沙还有两种特殊的运动方式，即高含沙量水流运动和异重流运动。即高含沙量水流运动和异重流运动。（1）高含沙量水流运动高含沙量水流运动所谓高含沙水流，所谓高含沙水流，是指水流挟带的泥沙颗是指水流挟带的泥沙颗粒非常多，含沙量很大，以至于该挟沙水流在粒非常多，含沙量很大，以至于该挟沙水流在物理特性、运动特性和输沙特性等方面基本杰物理

26、特性、运动特性和输沙特性等方面基本杰不再像一般挟沙水流那样用牛顿流体进行描述不再像一般挟沙水流那样用牛顿流体进行描述。（1）高含沙量水）高含沙量水流流 高含沙水流实际上已经不是普通意义的固液两相流，其高含沙水流实际上已经不是普通意义的固液两相流，其中运动的泥沙甚至也不能按照悬移质和推移质划分。中运动的泥沙甚至也不能按照悬移质和推移质划分。泥沙颗粒之间、泥沙颗粒与水流之间产生足够的相互作泥沙颗粒之间、泥沙颗粒与水流之间产生足够的相互作用，呈现出用，呈现出“群体群体”的特征。的特征。水流一般属于宾汉体，或被叫做水流一般属于宾汉体，或被叫做“伪一相流伪一相流”3-2 高含沙量水流运动和异重流运动第三

27、章 河流泥沙运动形式 （2）异重流异重流异重流运动异重流运动是指这样一种运动，两种或两种以上是指这样一种运动，两种或两种以上的流体相互接触，而流体间有一定的但是较小的重的流体相互接触，而流体间有一定的但是较小的重度（密度）差异，如果其中一种流体沿着交界面的度（密度）差异，如果其中一种流体沿着交界面的方向流动，在流动过程中不与其它流体发生全局性方向流动，在流动过程中不与其它流体发生全局性的掺混现象的运动。的掺混现象的运动。3-2 高含沙量水流运动和异重流运动第三章 河流泥沙运动形式（2）异重流异重流 异重流的重度差很小，重力作用小，惯性异重流的重度差很小，重力作用小，惯性作用大作用大 具有翻越障碍以及爬高的能力具有翻越障碍以及爬高的能力 3-2 高含沙量水流运动和异重流运动第三章 河流泥沙运动形式