关于泥沙运动介绍

[拼音]：nisha yundong

[外文]：sediment transport

泥沙在河渠、沙漠、水库、管路中和在海滨及其他区域受水、风和波浪作用下发生的冲刷、搬运和沉积等运动。

运动形式

泥沙运动有滑动、层移、滚动、跃移和悬移五种形式。根据运动形式，泥沙可以分为接触质、层移质、跃移质和悬移质四种，前三种合称为推移质。

以Fd代表作用于泥沙颗粒的拖曳力，L为上举力，W┡为泥沙颗粒在水下的重量，μ为摩擦系数。若Fd>μ(W┡－L)，泥沙便开始滑动。滑动时，泥沙经常与河床保持接触，因此称为接触质。

河床如果是松散的粒状材料，水流拖曳力的作用可以深入床面以下多层泥沙。当水流拖曳力增大到使表层泥沙运动时，下一层泥沙会随着开始运动。随着水流不断地加强，分层的泥沙运动不断地向深层发展，运动速度由上而下逐渐减小。这样运动着的泥沙称为层移质。

当作用于泥沙颗粒的上举力和拖曳力的合力对泥沙颗粒支承点的力矩大于泥沙颗粒水下重量所产生的力矩时，泥沙便发生滚动。滚动的泥沙也属于接触质。

流经颗粒表面流线的曲率加大，会使颗粒顶部附近的流速增加，压力降低；同时颗粒上举扩大了作用面积，使上举力加大。泥沙因此就会脱离床面，被流速较高的水流挟带前进。当泥沙沿其运动轨迹达到最高点时，转而下降到床面，这种跳跃前进的泥沙称为跃移质。

水流中有许多大小不同的旋涡，泥沙颗粒自床面跃起的运动过程中，就有可能遇到向上的旋涡而被带入离床面更高的流区中。可见泥沙的悬浮主要是大尺度湍动的作用。这种悬浮在水中并与水流同向前进的泥沙称为悬移质。

研究内容

泥沙运动的主要研究内容有：

（1）1948年瑞士迈耶尔-彼得和弥勒做了大量实验工作，探讨了泥沙的比重、组成对泥沙运动的影响，终于得到一个比较完整的输沙率与粒径、容重等因素的关系式。

（2）1966年英国R.A.巴格诺尔德认为推移质运动遵循最基本的物理规律：搬动固体颗粒在单位时间内所消耗的能量等于水流提供的功率乘以效率。

（3）1942年美国H.A.爱因斯坦根据长期进行的水槽试验的结果，得知床面泥沙颗粒运动具有随机性质，推移质泥沙和河床泥沙之间存在不断的交换。从这些物理模型出发，运用流体力学知识进行逻辑推理，建立了以随机理论为基础的推移质公式。

（1）扩散理论：湍动水流的扩散作用使各个流层之间不但有动量交换，而且同时有泥沙颗粒的交换；如果颗粒的下沉作用小于水流向上的扩散作用时，泥沙就会以悬浮的形式运动。根据这一原理，建立了泥沙的扩散方程；对方程求解，可得到悬移质含沙量的垂线分布。

（2）重力理论：1958年苏联M.A.韦利卡诺夫根据能量平衡原理提出以下的关系式：单位体积挟沙水流中清水部分在单位时间内提供的能量等于水流为克服阻力在单位时间内损失的能量加上在单位时间内为保持泥沙悬浮所需的能量。这一关系式在实际计算中是可用的。

推移质颗粒在河床表面运动，使床面出现不同形态。随着输沙强度的增加，床面的发育过程为：床面平整→沙纹→沙垅→过渡→平整→逆行沙垅→破碎→急滩和深潭。各种床面形态对于水流的阻力是各不相同的。所以泥沙运动学既是多相流体力学，又属于活动边界的流体力学。

其他问题

对于高含沙量水流和泥石流，不能忽视颗粒之间的互相碰撞，细颗粒和粗颗粒的互相影响，细颗粒泥沙表面的电化作用。这种水流已不属于一般的牛顿流体。

管道输沙实际上代表一种特定边界条件下的泥沙运动。这种运动的机理和明槽泥沙运动大致相同。它的基本原理适用于水力输送其他种类的固体颗粒。

海岸泥沙是在风浪和潮流作用下运动的。风浪和潮流都是非定常流，水流结构又十分复杂，加上气象和地形条件多种多样，所以在研究海岸泥沙运动问题时，力学原理只能作一般性的定性指导，必须进行实地观测和模型试验。

参考书目

1. V.A.范诺尼主编，黄河水利委员会科学研究所、长江水利水电科学研究院等译：《泥沙工程》，水利出版社，北京，1981。(V.A.Vanoni，ed.，Sedimentation Engineering，Amer.Soc.of CivilEngrs.，New York，1975.)
2. 钱宁、万兆惠：《泥沙运动力学》，科学出版社，北京，1983。