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河流泥沙运动

2020-04-09 21:01

河流中泥沙颗粒在水流作用下的冲刷、搬运和堆积过程。河流动力学的主要研究对象之一。

河流泥沙是指水流中携带或淤积下来的岩土颗粒。流域侵蚀是产生河流泥沙的主要原因,基岩在机械分离和化学分解作用下风化成粗细不同的颗粒,并在水流作用下汇集到河流中,一部分被送入海洋,一部分在河谷内沿程落淤形成冲积层,河流就在它自己造成的冲积层上流动并不断塑造河床。泥沙具有各种物理化学特性,如沙粒的大小、形状、单位体积重量、矿物成分、沉速;泥沙混合物的粒径分布、孔隙率、干密度、休止角;细颗粒泥沙的黏结性、絮凝现象等。这些性质对于泥沙的运动有重要的影响。

泥沙运动的动力是水流。天然河流都是紊流,存在着许多尺度不同的涡体,以不同的速度和旋转方向运动,构成特有的流速场和切力场。水流流经河床时,床面上的泥沙颗粒受到水流拖曳力和上举力的作用,当这些力的作用等于或略大于泥沙颗粒抗拒运动的力(重力、黏滞力)的作用时,泥沙颗粒将从静止状态转入运动。泥沙的运动形式与水流强弱、颗粒大小、形状及在床面的相对位置有关。对于一定的床沙组成,当水流强度较低时,泥沙颗粒基本上在床面附近以滑动、滚动、跳跃等方式运动,称为推移质;水流强度增大后,一部分泥沙颗粒脱离床面进入主流区,在紊动涡体挟带下随水流向下游运动,称为悬移质。随着水流强度进一步增加,转化为悬移质的泥沙颗粒越来越多,水流强度超过一定程度后,床面以下的泥沙颗粒出现成层的移动,这部分泥沙颗粒也属于推移质范畴。

推移质运动速度一般小于当地水流运动速度,因而推移质运动要消耗水流的平均能量。推移质在运动过程中不断与床沙进行交换,当交换处于平衡状态时河床保持相对稳定,否则将产生冲淤变化。单位时间内通过河流断面的推移质泥沙数量称为推移质输沙率。

悬移质沿水流方向的运动速度接近于当地水流速度,维持泥沙悬浮的能量主要是水流的紊动能,因此悬移质运动不消耗水流的平均能量。悬移质通过推移质与床沙进行交换。较粗的泥沙颗粒在床沙中大量存在,有机会进行充分交换,其含量决定于当地水流条件,这部分泥沙称为床沙质;较细的泥沙颗粒在床沙中很少或基本不存在,当上游来沙量不足时不能从床沙中取得补充,因而其含量与水流条件无明确关系,这部分泥沙称为冲泻质。单位时间内通过河流断面的悬移质沙量称悬移质输沙率。

一定水流和边界条件下能够通过河段下泄的床沙质沙量称为水流挟沙能力,可根据由力学关系建立起来的输沙率公式计算。如包括冲泻质在内则为总输沙率,它与流域来沙量有关,要采用水文测验或流域产沙计算方法来确定。

水流中含沙量高达一定程度后,流变性质发生变化,流动和输沙特性与一般挟沙水流有所不同,称为高含沙水流。清浑水相遇时,由于密度差异,在一定条件下会产生异重流运动,其流动和输沙特性也与一般挟沙水流有所差别。

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