泥沙運動

泥沙運動有滑動、層栘、滾動、躍移和懸移五種形式。根據運動形式，泥沙可以分為接觸質、層移質、躍移質和懸移質四種，前三種合稱為推移質。

以F_d代表作用於泥沙顆粒的拖曳力，L為上舉力，W^'為泥沙顆粒在水下的重量，μ為摩擦係數。若F_d>μ(W^'-L)，泥沙便開始滑動。滑動時，泥沙經常與河牀保持接觸，因此稱為接觸質

河牀如果是鬆散的粒狀材料，水流拖曳力的作用可以深入牀面以下多層泥沙。當水流拖曳力增大到使表層泥沙運動時，下一層泥沙會隨着開始運動◊隨着水流不斷地加強，分層的泥沙運動不斷地向深層發展，運動速度由上而下逐漸減小。這樣運動着的泥沙稱為層移質。

當作用於泥沙顆粒的上舉力和拖曳力的合力對泥沙顆粒支承點的力矩大於泥沙顆粒水下重量所產生的力矩時，泥沙便發生滾動。滾動的泥沙也屬於接觸質。

流經顆粒表面流線的曲率加大，會使顆粒頂部附近的流速增加，壓力降低;同時顆粒上舉擴大了作用面積，使上舉力加大。泥沙因此就會脱離牀面，被流速較髙的水流挾帶前進。當泥沙沿其運動軌跡達到最髙點時，轉而下降到牀面，這種跳躍前進的泥沙稱為躍移質。

水流中有許多大小不同的旋渦，泥沙顆粒自牀面躍起的運動過程中，就有可能遇到向上的旋渦而被帶入離牀面更高的流區中。可見泥沙的懸浮主要是大尺度湍動的作用。這種懸浮在水中並與水流同向前進的泥沙稱為懸移質。

泥沙運動的主要研究內容有：

①1948年瑞士邁耶爾-彼得和彌勒做了大量實驗工作，探討了泥沙的比重、組成對泥沙運動的影響，終於得到一個比較完整的輸沙率與粒徑、容重等因素的關係式。

②1966年英國R.A.巴格諾爾德認為推移質運動遵循最基本的物理規律：搬運固體顆粒在單位時間內所消耗的能量等於水流提供的功率乘以效率。

③1942 年美國H.A.愛因斯坦根據長期進行的水槽試驗的結果，得知牀面泥沙顆粒運動具有隨機性質，推移質泥沙和河牀泥沙之同存在不斷的交換。從這些物理模型出發，運用流體力學知識進行邏輯推理，建立了以隨機理論為基礎的推移質公式。

①擴散理論：湍動水流的擴散作用使各個流層之間不但有動量交換，而且同時有泥沙顆粒的交換；如果顆粒的下沉作用小於水流向上的擴散作用時，泥沙就會以懸浮的形式運動。根據這一原理，建立了泥沙的擴散方程；對方程求解，可得到懸移質含沙量的垂線分佈。

②重力理論：1958年蘇聯M.A.韋利卡諾夫根據能量平衡原裏提出以下的關係式：單位體積挾沙水流中清水部分在單位時間內提供的能量等於水流為克服阻力在單位時間內損失的能量加上在單位時間內為保持泥沙懸浮所需的能量。這一關係式在實際計算中是可用的。

推移質顆粒在河牀表面運動，使牀面出現不同形態。隨着輸沙強度的增加，牀面的發育過程為：牀面平整→沙紋→沙壠→過渡→平整→逆行沙壠→破碎→急灘和深潭。各種牀面形態對於水流的阻力是各不相同的。所以泥沙運動學既是多相流體力學，又屬於活動邊界的流體力學。

對於髙含沙量水流和泥石流，不能忽視顆粒之間的互相碰撞，細顆粒和粗顆粒的互相影響，細顆粒泥沙表面的電化作用。這種水流已不屬於一般的牛頓流體。

管道輸沙實際上代表一種特定邊界條件下的泥沙運動。這種運動的機理和明槽泥沙運動大致相同。它的基本原理適用於水力輸送其他種類的固體顆粒。

海岸泥沙是在風浪和潮流作用下運動的。風浪和潮流都是非定常流，水流結構又十分複雜，加上氣象和地形條件多種多樣，所以在研究海岸泥沙運動問題時，力學原理只能作一般性的定性指異，必須進行實地觀測和模型試驗。

1.V.A.範諾尼主編，黃河水利委員會科學研究所、長江水利水電科學研宄院等譯：《泥沙工程》，水利出版社，北京，1981。（V.A.Vanoni，ed.，Sedimetitation Engineering，Amer.Soc.of CivilEngrs.，Nev York，1975.）

2.錢寧、萬兆惠：《泥沙運動力學》，科學出版社，北京，1983。