03--第3次课(第3章：起动流速)

1基本概念第3章泥沙的起动1、泥沙的起动：在一定的条件下，床面泥沙由静止转为运动的现象。2、泥沙的起动条件：泥沙颗粒由静止状态转为运动状态时的临界水流条件，称起动的条件。起动条件可用起动流速或起动拖曳力表示。3、起动流速：当用水流垂线平均流速来表示起动条件时，该流速称为临界起动流速。4、起动拖曳力：当用水流剪切力表示起动条件时，该剪切力称为起动拖曳力。23.1.1泥沙起动的随机性3.1泥沙起动的随机性和起动判别标准1、当着眼于一颗特定泥沙的起动时，由于流速和拖曳力的脉动，起动具有随机性；2、当着眼于特定床面多颗泥沙的起动时，则除流速和拖曳力脉动外，还受颗粒的大小、形状及位置差异的影响，起动更具有随机性。31定性标准3.1.2泥沙起动的判别标准①、无泥沙运动（静止）②、轻微的泥沙运动（弱动）③、中等强度的泥沙运动（中动）④、普遍性的泥沙运动（普动）目前实验室将弱动即很少量的泥沙在运动作为泥沙起动的判别标准。4窦国仁考虑了水流脉动对起动的影响，但不考虑床沙粗细及其所在位置对起动流速的影响，得出相应于弱动（个别起动）、中动（少量起动）和普动（大量起动）三种运动强度的起动概率。2、定量标准（窦国仁方法）5在河床附近瞬时底流速的均方差稍大于时均起动底流速的1/3，2、定量标准（窦国仁方法）bucucubu瞬时底流速，其分布符合正态分布，为起动底流速，为时均起动底流速，为瞬时底流速的均方差。cuub37.062、定量标准（窦国仁方法）窦国仁取bbbucucucbuuuu、、23分别表示个别起动、少量起动、大量起动的临界状态。72、定量标准（窦国仁方法）0014.011.231cuccbuuuuPPb个别起动窦国仁取bbbucucucbuuuu、、23分别表示个别起动、少量起动、大量起动的临界状态。相应于上述三种运动强度的起动概率P为：0228.074.122cuccbuuuuPPb少量起动1585.07.313cuccbuuuuPPb大量起动8建立泥沙起动公式的一般步骤3.2均匀沙的起动条件第一步，确定作用力的表达式；第二步，根据起动模式，确定起动临界条件下力的平衡方程式；第三步，推导泥沙起动公式的一般结构形式；第四步，通过实验确定公式中的待定系数，得泥沙起动条件的计算公式。9oKWF水流方向DFLN1DK2DK4DK3D床面泥沙颗粒的受力情况3.2均匀沙的起动条件促使泥沙起动的力：推力FD和举力FL抗拒泥沙起动的力：重力W和粘结力N10当泥沙粒径很细，颗粒间的空隙非常小，沙粒表面包裹着一层吸附水膜，其厚度一般为0.25～0.5μm，当两颗泥沙相接触时，各吸附水膜形成公共水膜。这样颗粒间会由于分子的引力产生一种力，这种力称为粘结力。粘结力11床面泥沙颗粒的作用力的表达式gudaCudCFbDbDD22422122推力和举力实质上是绕流阻力在水平方向和垂直方向的分力。gudaCudCFbLbLL22422222（3-1）（3-2）重力33daWs（3-3）粘结力N?123.2.1.1张瑞瑾公式3.2.1均匀沙散粒体及粘性泥沙的统一起动流速公式1.张瑞瑾关于粘结力形成的观点：张瑞瑾认为细颗粒之间的粘结力主要是因为存在于颗粒之间的薄膜水（吸附水膜）不传递静水压力所引起的。PPPP133.2.1.1张瑞瑾公式2.张瑞瑾粘结力的数学表达式粘结力与下列因素有关：①与沙粒间的空隙厚度关系很大，空隙越小，粘结力越大。沙粒间的空隙厚度又可假定与颗粒粒径的s次方成正比。sddN1即粘结力与颗粒粒径的s次方成反比。142.张瑞瑾粘结力的数学表达式粘结力与下列因素有关：②与颗粒之间水膜的有效接触面积成正比，颗粒间公共水膜的面积可用沙粒在水平面上的投影来表示，2dN15若令h代表水深，ha代表与大气压力相应的水柱高度，2.张瑞瑾粘结力的数学表达式粘结力与下列因素有关：)(ahhN③与沙粒所受的铅直下压力成正比。2dNashhdddaN124sddN1（3-4）163.起动临界条件下力的平衡方程式oKWF水流方向DFLN1DK2DK4DK3D如泥沙起动按滚动模式考虑，则表达颗粒临界起动条件的动力平衡方程式为NdKWdKFdKFdKLD4321（3-5）174.用近底作用流速表示的起动流速公式2113344212211332assLDbcbhhgddaKaKgdaCKaCKaKuu（3-7）5.用垂线平均流速表示的起动流速公式mudyhyuhUmhmm110mmhyuu（3-8）Umum1（3-9）212334212211332dNaKKgdaCKaCKaKuusLDbcb（3-6）18Uhymum1dymmbhdUmu15.用垂线平均流速表示的起动流速公式mmhyuuUmum1点流速与垂线平均流速的关系取近底作用流速与平均流速的关系式将上式代入（3-7）式（3-10）2/1121assmchhgddCgddhCU（3-11）2113344212211332assLDbcbhhgddaKaKgdaCKaCKaKuu193.2.1.1张瑞瑾公式5.用垂线平均流速表示的起动流速公式2/1121assmchhgddCgddhCU（3-11）33442aKaKC212211331211aCKaCKaKmCLDm其中203.2.1.1张瑞瑾公式5.用垂线平均流速表示的起动流速公式2/1121assmchhgddCgddhCU（3-11）其中C1=1.34,C2=0.00000496,s=0.72,m=0.14,参考粒径d=1mm,将以上参数代入式（3-11），并将公式中各变量均采用国际单位（kg、m、s制），得2/172.0714.0101005.66.17dhddhUsc（3-13）213.2.1.2唐存本公式唐存本观点认为存在于细颗粒泥沙之间的粘结力，主要是由于沙粒表面与粘结水之间的分子引力造成的。cncdN''唐存本粘结力表达式（3-16）；22对于平整床面（如实验室水槽或d0.01mm的天然河道）为3.2.1.2唐存本公式（3-18）2/110'0'2.311dCgddhmUsssmc；式中指数m对于天然河道为1/6，06.07.41hdm（3-19）'s'0smNC/10842.24：考虑空隙在内的床面泥沙的实际干密度；：床面泥沙达到密实后的稳定干容重，其值为1.6t/m3。C：粘结力系数，23为河床粗糙度，3.2.1.3窦国仁公式认为粘结力应由水对床面颗粒的下压力及颗粒间的分子引力两部分组成。2/119.011lg74.0dghgdKhUkssccm410213.0k23/56.2scmksKcmmmKs05.05.0,5.0mmddKs式中：δ为薄膜水参数，可取为粘结力参数，（3-34）公式单位为g、cm、s制。,5.0mmd24gdhdedUsc5/12/12464/17.01067.6267.05/12/144/37.01.143.0hdedUc沙玉清公式对天然沙，上式可简化为公式单位除D、δ以mm计，其它量的单位为kg、m、s制。式中：δ为薄膜水厚度，取δ＝0.0001mm；e为孔隙率，其稳定值为0.4。2514.11C6/1m6114.1dhgdUsc61316.4hdUcgddhUsc958.8lg07.13.2.2均匀沙非粘性泥沙的起动流速公式对于天然沙，沙莫夫公式可简化为岗恰洛夫公式沙莫夫公式2/1121assmchhgddCgddhCU（3-11）单位为kg.m.s.制，公式的适用范围为d0.2mm。单位为kg.m.s.制，公式的适用范围为d0.08～1.5mm。（3-35）26例:对于d=0.5mm粒径的泥沙颗粒，分别采用沙莫夫公式和岗恰洛夫公式计算水深为1m时的起动流速值。smdhgdUsc/36.0105.01105.08.965.114.114.16/13361解：岗恰洛夫公式smgddhUsc/41.0105.08.965.1105.018.8lg07.18.8lg07.13395沙莫夫公式27例：设水深为h=0.2m，对d＝0.05mm的泥沙颗粒，分别采用张瑞瑾公式、窦国仁公式和沙玉清公式计算临界起动平均流速值。smdhddhUsc/306.01005.02.0101005.61005.065.16.171005.02.0101005.66.1772.037314.032/172.0714.0解：张瑞瑾公式窦国仁公式smscmdghgdKhUkssc/305.0/.530005.056.210213.02098019.0005.098065.105.02011ln32.019.011ln32.02/142/128smgDhdedUsc/340.005.08.965.12.005.00001.04.07.01067.605.00001.0267.07.01067.6267.05/12/12464/15/12/12464/1＝smhdedUc/343.02.005.04.07.01.105.043.07.01.143.05/144/35/144/3沙玉清公式采用简化式计算291、某宽浅水槽水深h=20cm，坡降J=1%，槽底铺有d=0.6mm的均匀散粒体泥沙，问当水温t=20℃时，ν=10-6m2/s，判断泥沙是否起动?4、某河道型水库长20Km，河床坡降0.0001，当入库流量为1000m3/s时，全库区平均河宽为200m，回水末端以上平均水深为5m，库区河床为均匀沙，D50=3mm。问在上述水流条件下，回水末端以上河床的泥沙会不会向坝前推移？到达何处将停止推移？（库区水面接近水平，起动流速由沙莫夫公式计算）3、怎样表示泥沙的起动条件？实验室如何定性判别床面泥沙是否起动？2、张瑞瑾、唐存本、窦国仁关于粘结力形成的观点如何？课后思考题