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經(jīng)典泥沙運(yùn)動(dòng)理論

經(jīng)典泥沙運(yùn)動(dòng)理論

出版社:科學(xué)出版社出版時(shí)間:2023-06-01
開(kāi)本: B5 頁(yè)數(shù): 172
中 圖 價(jià):¥75.2(7.6折) 定價(jià)  ¥99.0 登錄后可看到會(huì)員價(jià)
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經(jīng)典泥沙運(yùn)動(dòng)理論 版權(quán)信息

  • ISBN:9787030740250
  • 條形碼:9787030740250 ; 978-7-03-074025-0
  • 裝幀:一般膠版紙
  • 冊(cè)數(shù):暫無(wú)
  • 重量:暫無(wú)
  • 所屬分類(lèi):>

經(jīng)典泥沙運(yùn)動(dòng)理論 內(nèi)容簡(jiǎn)介

泥沙是河流、海岸*基本的物質(zhì)組成,其運(yùn)動(dòng)規(guī)律不僅影響著河流海岸本身的演變,而且關(guān)系到河流、河口、海岸治理工程的效果和成敗,在進(jìn)行水利樞紐工程、航道整治工程、過(guò)江通道、跨海大橋、核電站等建設(shè)中,泥沙問(wèn)題均是這些工程能否實(shí)施的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題,泥沙研究對(duì)水利工程學(xué)科和社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展均具有重要意義。該書(shū)是在竇國(guó)仁《泥沙運(yùn)動(dòng)理論》講義(1963年,未出版)基礎(chǔ)上進(jìn)行修改完善。竇國(guó)仁是我國(guó)**位獲得蘇聯(lián)科學(xué)技術(shù)博士的泥沙專(zhuān)家(1960年),長(zhǎng)期致力于泥沙基礎(chǔ)理論和工程應(yīng)用研究,解決了葛洲壩工程、三峽工程、小浪底工程、長(zhǎng)江口深水航道治理工程等重大工程中的泥沙問(wèn)題。該講義多次翻印,比較經(jīng)典,鑒于竇國(guó)仁院士的在泥沙研究領(lǐng)域的學(xué)術(shù)地位,擬在他90周年誕辰之際(2022年11月)出版該書(shū)。

經(jīng)典泥沙運(yùn)動(dòng)理論 目錄

目錄
前言
第1章 河流泥沙的一般概念 1
1.1 泥沙的一般特征 1
1.2 河流泥沙與流域侵蝕 4
1.3 泥沙運(yùn)動(dòng)與河床演變 8
1.4 泥沙的運(yùn)動(dòng)形式 11
第2章 泥沙的沉降速度 13
2.1 球體在靜止液體中的沉降規(guī)律 13
2.2 泥沙的沉降速度公式 19
2.3 含鹽度和含沙量對(duì)沉降速度的影響 28
2.3.1 含鹽度的影響 28
2.3.2 含沙量的影響 29
第3章 泥沙的起動(dòng)規(guī)律 32
3.1 泥沙起動(dòng)的判數(shù) 32
3.2 床面顆粒的受力情況 34
3.2.1 水流對(duì)顆粒的正面推力和上舉力 35
3.2.2 顆粒間的黏結(jié)力 36
3.2.3 水對(duì)床面顆粒的下壓力 38
3.2.4 薄膜水參數(shù)和黏結(jié)力參數(shù)的試驗(yàn)確定 40
3.3 泥沙的起動(dòng)流速 42
3.3.1 起動(dòng)流速公式的推導(dǎo) 42
3.3.2 公式與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的比較 48
3.4 泥沙的不動(dòng)流速和止動(dòng)流速 53
3.4.1 不動(dòng)流速 53
3.4.2 止動(dòng)流速 55
3.5 關(guān)于層流邊界層的影響問(wèn)題 57
3.6 不均勻泥沙的起動(dòng)流速 66
3.7 黏土的起動(dòng)流速 70
第4章 底沙運(yùn)動(dòng) 74
4.1 底沙運(yùn)動(dòng)機(jī)制概述 74
4.2 底沙輸沙率問(wèn)題 76
4.3 底沙輸移規(guī)律的尺度分析 80
4.4 底沙運(yùn)動(dòng)的水動(dòng)力學(xué)分析 87
4.4.1 維利卡諾夫的研究 87
4.4.2 崗恰洛夫的早期研究 88
4.4.3 列維的研究 90
4.4.4 崗恰洛夫的后期研究 91
4.5 底沙運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)計(jì)分析 93
4.5.1 愛(ài)因斯坦公式 93
4.5.2 維利卡諾夫公式 100
4.5.3 卡林斯基公式 103
4.6 底沙運(yùn)動(dòng)的綜合分析 105
4.6.1 泥沙顆粒的起動(dòng)概率 106
4.6.2 作用于起動(dòng)顆粒上瞬時(shí)流速的平均值 107
4.6.3 泥沙顆粒的跳動(dòng)規(guī)律 108
4.6.4 泥沙顆粒的跳躍高度和跳躍長(zhǎng)度 115
4.6.5 表層泥沙顆粒的重量 117
4.6.6 泥沙顆粒的交換時(shí)間 117
4.6.7 推移質(zhì)輸沙率的公式 118
4.6.8 推移質(zhì)輸沙率的簡(jiǎn)化公式 123
第5章 懸沙運(yùn)動(dòng) 126
5.1 擴(kuò)散理論 126
5.2 重力理論 134
5.3 巴連布拉特理論 137
5.4 弗朗克里理論 141
5.5 水流的挾沙能力 144
5.5.1 馬卡維耶夫公式 144
5.5.2 卡拉烏舍夫公式 145
5.5.3 維利卡諾夫公式 147
5.5.4 張瑞瑾公式 147
5.5.5 范家驊公式 149
5.5.6 筆者建議的公式 150
5.5.7 挾沙能力的經(jīng)驗(yàn)公式 153
5.6 含沙量的沿程變化規(guī)律 156
5.6.1 卡拉烏舍夫公式 157
5.6.2 筆者的公式 158
參考文獻(xiàn) 161
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經(jīng)典泥沙運(yùn)動(dòng)理論 節(jié)選

第1章河流泥沙的一般概念 1.1泥沙的一般特征 河流中的泥沙,在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,特別是在起動(dòng)和沉降過(guò)程中,彼此不斷沖撞和摩擦,因而它們一般都具有比較光滑的形狀。然而由于構(gòu)成泥沙的礦物質(zhì)不同,其原始形態(tài)也不一樣,磨光后的泥沙顆粒也具有不同的形態(tài)。在進(jìn)入河流前是平板狀的沙粒,在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中除了磨去棱角外,仍然保持平板形狀,只不過(guò)更薄一些。原來(lái)為塊狀體的泥沙顆粒在磨光后,將接近于球體和橢圓體。一般來(lái)說(shuō),顆粒越大,運(yùn)動(dòng)過(guò)程中磨損越強(qiáng),因而表面越光滑,其形狀越接近球體;顆粒越小,棱角越多,與球體相差越遠(yuǎn)。用顯微鏡觀(guān)察細(xì)顆粒泥沙時(shí)可以看到,細(xì)顆粒泥沙的形狀很不規(guī)則,多棱多角。為了簡(jiǎn)化理論分析,通常把泥沙顆粒當(dāng)作球體來(lái)處理,用同體積球體的直徑來(lái)表示顆粒的直徑。應(yīng)當(dāng)指出,一般較粗沙粒同橢圓體更接近一些。對(duì)這些較粗顆粒泥沙的觀(guān)察表明,其長(zhǎng)寬高間存在著一定的統(tǒng)計(jì)上的關(guān)系。如果用a表示顆粒的長(zhǎng)度,用b表示其寬度,用c表示其高度,用d表示其同體積球體的直徑,根據(jù)崗恰洛夫以及筆者(**作者)的觀(guān)察可以近似地認(rèn)為 (1-1) 雖然這些數(shù)值是從較粗顆粒的測(cè)量數(shù)據(jù)中獲得的,但在應(yīng)用中也可以近似地推廣到較細(xì)顆粒。因?yàn)閷?duì)后者來(lái)說(shuō),即使采用另外的數(shù)值也不可能準(zhǔn)確地表示其真實(shí)的形狀。 在實(shí)際工作中,通常采用篩分法來(lái)量度較粗顆粒的平均尺寸。如果泥沙顆粒通過(guò)了孔徑為K1的篩,而不能通過(guò)孔徑為K2的篩,則這些顆粒的平均尺寸b(或KK1.2平均粒徑d)應(yīng)當(dāng)?shù)扔凇2豢煞裾J(rèn),這樣量得的平均尺寸間顆粒寬度與同體積球體直徑d間有一定的差別,然而許多測(cè)量數(shù)據(jù)表明,這個(gè)差別是不大的,從統(tǒng)計(jì)觀(guān)點(diǎn)來(lái)看,可以認(rèn)為上述三個(gè)數(shù)值是相等的。 在河流中運(yùn)行的泥沙和河床泥沙,一般都是不均勻的,有粗有細(xì),通常用顆粒級(jí)配曲線(xiàn)來(lái)表示泥沙的組成(或稱(chēng)機(jī)械組成),此種曲線(xiàn)形式如圖1-1所示。如果泥沙中粗顆粒較多,則級(jí)配曲線(xiàn)將具有圖1-1中a的形式;如果細(xì)顆粒較多,則級(jí)配曲線(xiàn)將與圖1-1中b相似;如果各種粒徑泥沙的數(shù)量接近相等,則級(jí)配曲線(xiàn)與c相似;如果泥沙粒徑比較均勻,則級(jí)配曲線(xiàn)將呈d的形式。 在討論不均勻泥沙時(shí),為了使問(wèn)題簡(jiǎn)化,通常采用代表粒徑的方法,即認(rèn)為某一粒徑可以代表全部泥沙組成,然而也有人采用d60(級(jí)配中大于60%的粒徑),還有人采用d65,但一般多采用加權(quán)平均粒徑,即 (1-2) 式中:di——某級(jí)粒徑的算術(shù)平均值; Pi——含有此級(jí)粒徑泥沙的百分?jǐn)?shù)(以質(zhì)量計(jì))。 采用這種平均粒徑在表示較粗顆粒泥沙時(shí),仍能得到較為滿(mǎn)意的結(jié)果,然而在表示細(xì)顆粒泥沙時(shí),往往不如采用中值粒徑d50更能反映泥沙的實(shí)際情況,目前在我國(guó)一般都用d50來(lái)表示不均勻泥沙的粒徑。應(yīng)當(dāng)指出,當(dāng)級(jí)配曲線(xiàn)具有突變時(shí),d50就不能較好地反映泥沙的平均特征。 泥沙在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的磨損,不僅使得沙粒具有較為光滑的形狀,而且也使得沙粒的質(zhì)量不斷減少。如果假定沙粒在dx距離內(nèi)的磨損量dw與沙粒的質(zhì)量w和dx成正比,則可寫(xiě)出 (1-3) 式中:α——比例系數(shù),其值同沙粒的堅(jiān)硬度有關(guān);公式右部的負(fù)號(hào)——表示顆粒質(zhì)量隨著x的增加而減少。將式(1-3)積分,則有 lnw=–ax+c(1-4)式中:c——積分常數(shù),可由邊界條件確定。如果令w0表示起始點(diǎn)(即x=0點(diǎn))的沙粒質(zhì)量,式(1-4)可以改寫(xiě)為 (1-5) 由于顆粒的質(zhì)量與其粒徑的立方成正比,粒徑沿程的減小可由下式確定: (1-6) 式(1-5)或式(1-6)就是著名的斯滕伯格公式,于1875年首次見(jiàn)于文獻(xiàn)[1]中。這個(gè)公式同萊茵河等粗質(zhì)河床的情況比較接近。然而應(yīng)當(dāng)指出,在天然河流中,泥沙粒徑的沿程減少不僅是磨損的結(jié)果,也是水力分選的結(jié)果。河流的上游(山區(qū)段)一般具有較大的比降,流速也較大,較細(xì)顆粒泥沙多被懸浮而下泄,因而河床中的泥沙較粗,由于比降沿程變緩,流速沿程變小,較粗顆粒沿程落淤,因而越到下游,顆粒越細(xì)。關(guān)于這種分選現(xiàn)象的存在,在洛赫京的著作中就有所提及[2]。需要說(shuō)明,在一般河流中粒徑沿程的變化,不僅受磨損和分選的影響,而且也受支流泥沙粒徑的影響,忽視這點(diǎn)就不可能很好地解釋天然河道中的泥沙粒徑的變化規(guī)律。 隨著泥沙粒徑的變化,其物理化學(xué)性質(zhì)及力學(xué)效應(yīng)均有所改變?梢园凑樟降拇笮,粗略地把泥沙分為13級(jí),各級(jí)泥沙的習(xí)慣名稱(chēng)見(jiàn)表1-1。 順便指出,雖然河流中泥沙的礦物組成不盡相同,但其容重則相差不大,在一般情況下,泥沙顆粒的容重為2.55~2.75t/m3,*常見(jiàn)的則為2.65t/m3左右。 表示泥沙顆粒的特征值,除了上述的幾何粗度外,尚有沉降速度和起動(dòng)流速等數(shù)值。關(guān)于這些特征值的定量分析,將在后面的章節(jié)中進(jìn)行,本章的下面幾節(jié)將闡述泥沙的分類(lèi)及其物理概念。 例1-1已知某河床泥沙的機(jī)械組成如下: 試求其平均粒徑。 解由于沙樣的總重為6.0+8.0+7.5+5.5+3.0=30g,故可求得各級(jí)粒徑的百分?jǐn)?shù)及累計(jì)百分?jǐn)?shù)如下: 將表中數(shù)值代入公式(1-2),求得平均粒徑為 1.2河流泥沙與流域侵蝕 在河流中運(yùn)動(dòng)著的泥沙,從其來(lái)源可以分為兩大類(lèi):一是直接由流域而來(lái),二是從河床沖起。前者可以稱(chēng)作流域質(zhì)泥沙,后者可以稱(chēng)作河床質(zhì)泥沙。當(dāng)然河床質(zhì)泥沙一般來(lái)說(shuō),也是從流域來(lái)的,但它是河流長(zhǎng)期堆積的產(chǎn)物。河床質(zhì)泥沙運(yùn)行數(shù)量的多寡,在很大程度上取決于河流動(dòng)力的強(qiáng)弱。例如,流速較大時(shí),將有較多數(shù)量的泥沙從河床沖起并為水流所挾帶。當(dāng)流速較小時(shí),從河床沖起的泥沙就要少一些。當(dāng)流速小于一定數(shù)值后,河床泥沙將處于靜止?fàn)顟B(tài),當(dāng)然這并不意味著從河床沖起的泥沙數(shù)量與河流中的流域質(zhì)泥沙數(shù)量完全無(wú)關(guān)。只是在一般情況下,由于流域質(zhì)泥沙比河床質(zhì)泥沙細(xì)很多,水流挾運(yùn)微小顆粒的能力很強(qiáng),流域質(zhì)泥沙的存在對(duì)河床質(zhì)泥沙運(yùn)移數(shù)量的影響才處于次要地位。但是,在某些情況下,這種影響可能很大,也可能具有決定性的作用。與上述情況相反,流域質(zhì)泥沙則決定著沖積河流的水力因素和河床形態(tài),當(dāng)流域來(lái)沙較多時(shí),河流為了能夠輸送這些泥沙而具有較陡的比降和較大的流速。 流域質(zhì)泥沙是全流域土壤侵蝕的產(chǎn)物,它在河流中數(shù)量的多寡,主要取決于流域水土流失的程度。當(dāng)然,在某些情況下,流速的強(qiáng)弱,對(duì)流域質(zhì)泥沙也將有一定的影響。影響流域水土流失的因素很多,其中主要因素是氣象、土壤、地貌等條件以及人類(lèi)活動(dòng)情況,特別是農(nóng)林種植和水土保持工作。上述三項(xiàng)主要自然因素對(duì)土壤侵蝕的影響是錯(cuò)綜復(fù)雜的,某一種因素的影響程度將受制于另外兩種因素的組合情況,同時(shí)這些因素也互相影響。例如,氣象條件在很大程度上取決于當(dāng)?shù)氐牡孛矖l件,而氣象條件本身又在某種程度上影響土壤表面的抗沖強(qiáng)度。 這里需要特別指出,氣象條件對(duì)水土流失影響的多重性。例如,加速水土流失的降雨強(qiáng)度與氣象條件有關(guān),阻止水土流失的植物覆蓋層也與氣象條件有關(guān)等。如果把上述影響水土流失的主要因素加以具體化,可以用降雨量(或者徑流模數(shù))來(lái)表示氣象因素,用土壤的抗沖強(qiáng)度表示土質(zhì)因素,用地面坡度表示地貌因素,用植物覆蓋程度表示氣象因素和人類(lèi)活動(dòng)對(duì)水土流失的影響。 目前對(duì)確定河流中流域質(zhì)泥沙數(shù)量的研究還很不夠,結(jié)合我國(guó)河流具體情況的研究也很少①,在這方面值得著重指出的是洛帕京的研究成果[3],這位學(xué)者認(rèn)為可以寫(xiě)出下面的關(guān)系式: (1-7) 式中:Scp——河流中流域質(zhì)泥沙的多年平均含沙量; M——多年平均徑流模數(shù); D——土壤的抗沖強(qiáng)度; P——植物覆蓋程度; K——流域地面坡度。 應(yīng)當(dāng)指出,流域的水量越大(換句話(huà)說(shuō),徑流模數(shù)越大),土壤流失數(shù)量應(yīng)當(dāng)越多。雖然沙量隨著徑流模數(shù)的增加而增加,但水量也將相應(yīng)增加,因而徑流對(duì)含沙量的影響是比較小的。在粗估流域質(zhì)泥沙的含沙量時(shí),可以不考慮這個(gè)影響,即把式(1-7)改寫(xiě)如下: (1-8) 上述各因素對(duì)流域質(zhì)泥沙的影響程度,還難以作定量分析,特別是在討論一個(gè)面積大的流域?qū)α饔蛸|(zhì)泥沙數(shù)量的影響時(shí)更為困難,因而洛帕京認(rèn)為可以采用簡(jiǎn)單的分級(jí)方法來(lái)考慮每種因素的數(shù)量差別。洛帕京把每種因素都分為四級(jí),例如土壤的抗沖強(qiáng)度分為:①非常堅(jiān)硬的土質(zhì)(巖石質(zhì)土壤);②堅(jiān)硬的土質(zhì)(堅(jiān)硬的沉積質(zhì)土壤);③松軟的土質(zhì)(松軟的沉積質(zhì)土壤);④很松散的土質(zhì)(易沖的沉積質(zhì)和黃土等)。地面坡度分為:①非常平緩地帶(低洼平原);②平緩地帶(稍有起伏的平原);③陡崖地帶(高原及丘陵);④很陡地帶(山區(qū))。植物覆蓋情況也分為四類(lèi):原始森林地帶、森林草原地帶、草原地帶和耕地與半光地帶。 洛帕京分析了蘇聯(lián)、歐亞兩洲47條大中小河流的資料,并根據(jù)這些資料繪制了圖1-2的關(guān)系。這些河流中流域質(zhì)泥沙多年平均含沙量的變化范圍為10~3750g/m3。當(dāng)知道流域的土質(zhì)情況、地貌情況和植物覆蓋情況時(shí),就可以由圖1-2求得此河流的平均含沙量數(shù)值。 河流流域質(zhì)平均含沙量的數(shù)值也可以用公式來(lái)計(jì)算,為此需要直接求解式(1-8)的關(guān)系。在建立這樣的關(guān)系式時(shí),應(yīng)當(dāng)用數(shù)字指標(biāo)來(lái)表示各種因素對(duì)水土流失的影響程度。為了使所獲得的關(guān)系式的應(yīng)用范圍更廣一些,本書(shū)在洛帕京的分級(jí)基礎(chǔ)上做了適當(dāng)?shù)难a(bǔ)充。各種因素的指標(biāo)列于表1-2中,順便指出,洛帕京分類(lèi)中的第1類(lèi)、第2類(lèi)、第3類(lèi)和第4類(lèi)分別相當(dāng)于本書(shū)分類(lèi)中的1、3、5和7。 如果在同一個(gè)流域范圍內(nèi)土質(zhì)、植被和地面坡度變化較大時(shí),定量指標(biāo)可用下述加權(quán)平均求得

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