河流动力学整理

2.曼宁公式： 的分离区达到最大，压差阻力远远大于摩擦阻力，的纯洁度与化学成分、沙粒的压结程度有关)。 粒本身也转动，周围水体也紊动(水流阻力与ρd件,用起动流速表示,位于河床表面的某种泥沙(即床

2

2

其大小与Red的变化无关，颗粒左摇右摆下沉，颗3.起动流速:泥沙由静止变为运动式的临界水流条

1、泥沙级配曲线：横坐标表示泥沙粒径，纵坐标ω成正比) 。 沙),当流速等于或者大于泥沙起动流速时,泥沙起动表达在所考虑的沙样中粒径小于横坐标相应的某1.张瑞瑾沉速公式思路(阻力叠加原理,从过渡区入反之静止。 一粒径在总沙样中所占的百分比的曲线。2、粒配手) 曲线的绘制方法和过程：⑴取样筛分,获取各粒经组 Di 泥沙的重量;⑵统计出小于和等于各粒经Di 的沙 重,并算出其占总重的百分比pi ;⑶准备半对数坐标 纸(横坐标为对数分格,纵坐标是普通分格);⑷以粒 经Di 为横坐标(对数坐标,从大到小),小于和等于粒 经Di 的沙重百分比pi 为纵坐标(普通坐标)绘制 D~p粒配曲线。3、级配曲线可以反映沙样颗粒的 相对大小和范围，可反映沙样组成的均匀程度 1、特征粒径:单颗粒泥沙粒径:等容粒径,算术/几何 平均粒径,筛分粒径,沉降粒径;群体泥沙代表粒径: 平均粒径(di=(dmax-dmin)/2;Dm=∑(di*pi)/100);中值粒 径(d50);非均匀特点:均方差(σ=1/2(D84/D50+ D50/D16)); 挑选系数(Φ=开方(D75/D25))(越接近1,沙样就越均匀, 越大于1,沙样越不均匀); 1.孔隙率:泥沙中孔隙的容积占沙样总容积的百分 比。泥沙孔隙率因沙粒大小、均匀度、沙粒形状、 泥沙沉积方式、沉积后受力大小和历史长短等有

4.沙莫夫启动流速公式：

5.研究泥沙起动的意义:计算输沙率;航道整治时使

用;护滩、护滩块石稳定计算、研究输沙率

1.沙波运动:泥沙颗粒在床面的集体运动称沙波运

动(推移质泥沙运动达到一定程度时的产物.对河道要作用)；

2.沙波形态和运动特征:(几何特征:迎水面缓,背水

水流结构、河道阻力、泥沙运动和河床演变均有重

面陡;运动特征:迎水面加速区,冲刷,背水面减速区,

淤积,床沙分选:上粗下细;水流运动特征:波峰处流离、漩涡;阻力特性：迎水面与水面存在压力波,与水流速度相反,称形状阻力

速大,波谷处流速小,迎水面存在停滞点,背水面:分

3.沙波形成及发展过程:静平整(流速小于起动流速,

泥沙不起动,床面平整)、沙纹(流速增大,沙粒聚集最

后形成形状规则的沙纹)、沙垄、过渡、动平整(流

关。粗沙(39％-40％);中沙(41％-48％);细沙(44％PS:泥沙特性分为几何特性、重力特性、水力特性、速增大,波高变小,床面恢复平整)、沙浪(流速继续增搭成架构等作用增大;粒径均匀的泥沙孔隙率最大;1. 泥沙运动分类:泥沙一颗一颗的沿河滚动,滚一阵,烈冲刷形成急滩,强烈淤积形成深潭). 较小的干容重) 跃或者层移形式前进,其速度小于水流速度);泥沙在作用(上粗下细);粗沙运动的间歇性。 隙体积)之比(一般变化范围不大,取2650kg/m3);有与水流大致相等的速度前进);

的主要形式;沙波的消长对河流的阻力损失有很大

-49％)。细颗粒泥沙表面面积大，使得摩擦、吸附、物理化学特性、生物化学特性； 大,Fr>1,床面再次出现沙波)、急滩与深潭(Fr>>1,强

球体,孔隙率小。(细颗粒泥沙具有较大的孔隙率和歇一阵,常呈间歇性(在河底附近一滚动、滑动、跳4.沙波形成过程中的两个现象:沙波对床沙的分选

1.容重γs:泥沙颗粒的实有重量和实有体积(不含空水中悬浮着前进(细颗粒，连续运动,在水流方向以5.沙波运动对河流的影响:沙波运动时推移质运动

效容重系数:泥沙水下比重与水的比重之比(a=(γs-2.推移质与悬移质划分:Def: 河底附近以滚动、滑影响;沙漠的消长对航道的水深有一定的影响;沙波γ)/γ);干容重γs’;泥沙颗粒的实有重量和整个体积动、跃动或层移等形式前进、速度小于水流速度的的形成和发展影响H-Q关系。 (含空隙体积)之比(变化范围大,因为空隙变化大);用泥沙称推移质(接触质、跃移质、层移质);

6.沙波类型:带状沙波(很少见)、继绩蛇曲沙波(最常

途:确定泥沙冲淤体的体积;影响因素:粒径(主)、淤以浮游方式前进的泥沙称推移质联系:一个泥沙组见)、堆状沙波(常见)、顺直沙波、弯曲沙波、链状积深度、埋藏深度和环境、排水情况、有无初露水成来说,较弱的水流条件下,以表现为推移质;较强的沙波、舌状沙波、新月沙波等。

面暴露在空气中、细颗粒的化学成分等;γs’与γs的水流条件下,以表现为悬移质，二者可以相互转化。7.沙波产生的原因：不同流体相对运动时交界面上关系：γs’= γs(1-e)；规律:粒径大的泥沙γs’大一些，区别:运动规律不同(受力、运动速度、输沙率与水的不稳定性;接近河床的流速沿程分布与沙波形式变化范围小一些,粒径小的反之;浑水容重:如果以S流切力的关系、输沙量等都不同);能量来源不同(推相适应。 量S较大的变化只能引起rm较小的变化。 动能 ); 对河床的作用不同 (悬沙通过容重增大净水压冲淤平衡时,单位时间通过单宽河床的推移质数量,1.泥沙沉速ω：单颗粒泥沙在静止的无限大的清水力,悬移质通过颗粒间的离散力与河床作用). 以 g s表示 ,单位:kg/m.s

沙的粒径、形状、含盐度、含沙浓度、水体紊动和止转为运动,泥沙起动.泥沙起动条件:持泥沙颗粒静虑问题(当拖引力获水流速度达到或超过某一临界力的相对关系);2.泥沙的沉降状态：层流(滞性)状态入运动状态的临界水流条件(起动流速(以垂线平均与水流实有的拖引力或流速超过临界拖引力或临下降:Red<0.5, 垂线下沉，下沉速度缓慢，扰流阻流速表示)、起动拖曳力(拖曳力表示、起动功率(水界流速的程度有关,如沙莫夫公式);从沙波运行情况

4

代表水的含沙量,则浑水容重(rm=r+(1-r/rs)*s),含沙消耗水流的机械能即时均势能，悬消耗水流的紊动1.推移质输沙率概念:一定的水沙条件下,河道处于

水体中匀速下沉的速度(有效重力和阻力相等);与泥1.泥沙起动概念：随着水流条件的增强,沙颗粒由静2.公式类型及其思路:以临界拖引力和临界流速考

沙粒雷诺数有关(Red=ωd/v,表示惯性力与水流粘滞止状态的平衡条件遭到破坏,面泥沙由静止状态转值以后，床沙才可能发生推移,推移质输沙率的大小

力以摩擦力为主，压差阻力相对较小(阻力与μdω流功率));特性:复杂性(水流条件、沙粒性质、泥沙考虑问题(凡推移质运动达到一定规模的处所，必然周围水体不发生紊乱现象; 过渡状态下降:性).

的一次方成正比),颗粒不发生摆动、转动、滚动，组成);随机性(水流运动和泥沙分布排列等具有随机出现沙波,推移质输沙率与U成正比);从统计法则

考虑问题(H.A.爱因斯坦公式:抓住泥沙自床面冲刷

Red=0.5~1000,颗粒表面形成流速梯度很大的边界2.沙在水流中受到的力:促成泥沙起动的力:上举力、下移的概率P的确定最为推导的核心 层，尾部边界脱离表面发生分离，分离区产生稳流，推移力(两者由沙粒的迎水面和下面压力增大而背 造成很大的能量损失，随着Red的增加，分离区相水面和上面压力减小形成的)、脉动压力;抗拒泥沙 应增大，压差阻力也不断增大，摩擦阻力不断减小;起动的力:重力、粘结力(与沙粒间的空隙厚度、在 紊流状态下降:

R

ed>1000, 颗粒表面边界层在尾部水平面上的投影面积、所受的铅直向下的压力、水

平衡状态的冲积河流，其河床形态与河床边界条件之间的关系;横断面关系：宽深比关系河相系数ξ横

的泥沙,床沙中大量存在的泥沙,参与造床作用;冲泻 β1 ;β2 β

断面,与水力要素关系B=α1Qh=α2Q;U=α3Q3 质;悬移质中较细部分的泥沙,床沙中很少存在.不参 ; 河弯的平面河相关系:弯距、摆幅、中心角、曲

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与,床沙质描述的是泥沙淤积,有可能由悬移质、推3.物理意义: U/(gRω)= (U/(gR))/ (ω/U), 如果用弗率半径

冲积平原河流在挟沙水流与河床长期移质、床沙组成,冲泻质一般由悬移质、推移质组成.汝德数代表紊动强度, ω/U代表重力作用,则公式10.平衡河流：

相互作用下,经过河流的自动调整作用,可能形成于

特性:在床沙质和水流条件与河床组成条件密切相代表了二者之间对比关系，其值越大，挟沙能力也

所在河段具体条件相适应的某种均衡,这样的河流

关,在本段河流中有充分的供给来源,从而有维持饱越大。 成为平衡河流。

和的机会,而冲泻质与水力条件关系不密切,一般是4.参数特性:k/m由河床状态决定,不固定, 为U3/(gR11.河流动力轴线(主流线):沿程各断面垂线平均流

速最大点的连线(不一定与深泓线重合)。

不饱和的;二者的运动状态取决于水流紊动作用于ω) 的函数,由实测资料决定。

12.弯曲河道的水流运动、河床演变规律:（1）横比

重力作用的矛盾统一,一定条件下可以相互转化。 1.异重流:两种密度不同但又相差不大、可以相互混降Jz=αU2/(gR)（2）弯道环流uz（3）主流线（水流2.为何要划分:河床中大量存在的床沙质和整个推合的流体,由于密度差异而发生的相对流动,并在流动力轴线）:沿程各断面垂线平均流速最大点的连

线。主流线:低水旁岸,高水居中。顶冲点:低水上提,

移质的运动状态与河流的发展息息相关。 动中不发生全局性的掺混.2.异重流基本特性:重力

高水下挫。（1）一般演变:曲折程度加剧,河长增加,

1.悬移质泥沙的紊动扩散理论:基本论点:若水流中作用大大减弱;惯性作用相对突出; 阻力作用明显曲折系数加大。横断面凹岸崩退,凸岸淤长。（2）突有悬移质含沙量浓度梯度ds/dn存在,则将发生悬移增强3.水库异重流持续的条件:一定的重率差和相变:包括自然裁弯,撇弯和切滩两种类型。

河道特性:分流区/汇流区/质传递作用,其最终结果是悬移质将从含沙量较高应的水深及流速;浑水要有一定的含沙量,清浑水保13.分汊河道演变特性1、

分汊段(按平面形态可分为顺直分汊、微弯分汊、鹅

的流层传递到含沙量较低的流层,传递强度可以用持一定的含沙浓度差;浑水中的泥沙大部分为细沙;

头分汊)2、水流运动(分流区的分离点高水下移,低水

Dn=-εs*ds/dn表示.Rouse公式的假设: ω为常数;浑水中要有一定的单宽流量,具有一定连续性,有足上提,存在环流)分流区水位,支汊一侧高于主汊一侧

,支汊一侧高于主汊一侧;两个高速区,中 汇流区水位 流速分布为对数分布;悬移质泥沙传递系数εs与够的能量克服阻力向前运动;水库具有一定的底坡。

间低速区;分流区存在环流,有单向、双向、复杂;两

相应的紊动流量系数εz相等; Rouse公式形式(二1.河床演变:自然条件及人类活动影响下河床所发

侧含沙量大,中间含沙量小。平面的变化；洲头洲尾

维恒定均匀流中平衡情况下的含沙量艳水深的分生的变化过程.实质:泥沙的冲刷、搬运、沉积.根本的冲淤；主支汊的易位。14.游荡河道演变特性1、

河道形态:河身顺直,宽窄相间,呈藕节状,洲滩密布,布规律)： 原因:输沙不平衡.

Z汊道交织,弯曲程度不大,曲折系数一般略大于1,主hySva 2.河床演变原理:(1)输沙不平衡是产生河床演变的槽不固定,河道宽浅.2、水流运动:水深小,水面比降Svayha 根本原因.产生不平衡的原因可能有:进口水沙条件;大,流速大,水流散乱,主流不定;3、演变特性：变形2.悬浮指标z:Def:也称Rouse数,z=w/(k*U*),实际上出口侵蚀基点(包括侵蚀基面和水流条件如潮汐);河强度大,速度快,有宽广的河漫滩.演变规律：河床多代表重力作用w和紊动作用k*U*的对比关系;对含床周界条件如沙波运动(2)河床具有自动调整作用年平均是淤积抬高的,年内汛期主槽冲,滩地淤,非汛

期主槽淤,滩地冲。

沙量的影响:z越大,表明重力作用在紊动扩散作用(调整方向是从输沙不平衡向平衡的方向发展,通过

1.水库淤积纵剖面形态:三角洲淤积(库容大,来沙粗,

的对比中越强,悬移质含沙量在垂线上的分布越不改变河宽、水深、比降、床沙组成使挟沙力与来沙库水位变幅小,库区地形开阔。尾部段特点:挟沙水

流处于超饱和,进库泥沙中的粗颗粒首先在此落淤,均匀，反之越均匀。 相适应).

明显存在分选,淤积物主要是推移质和悬移质中的

3. Rouse公式的评价:大量实测资料证明,公式的结4.影响河床演变的主要因素:来水量及其变化过程;

粗颗粒泥沙。三角洲顶坡段(洲面段)特点:挟沙水流

来沙量、来沙组成及其变化过程;河段的河谷比降;

构式正确的,缺点:接近河底时(y=0),Sv=∞;接近水面趋近于饱和,顶坡坡面一般与水面平行,水流接近于

河段所在河谷的地貌条件.5.平原河流的河形: 河型

顶坡上的床沙组成沿程变化不大,无明显的时(y=h), Sv=0;y从0-h的变化过程中,含沙量梯度开(顺直、弯曲、分汊、游荡(散乱多汊))演变(犬牙交均匀流。

床沙沿程细化现象,断面形态具有一定的河相关系。

始时减小,后来又增大,存在拐点,这些鱼实际都是不错的变滩,缓慢向下游移动、自由弯曲,蜿蜒强制性

三角洲前坡段特点:水深陡增,流速剧减,水流挟沙力

各汊相互发展消长、游荡)稳定(不稳定、符合的. 弯曲,平移、大大减小,挟沙水流又一次处于超饱和,大量泥沙在

稳定、介与弯曲游荡、极不稳定)边界特征(河岸物

此落淤,使三角洲不断向坝前推进,淤积物组成沿程1.重力理论的思路：理论基础:挟带悬移质的水流在

质细、河岸有一定的抗冲性、河岸有一定的抗冲性、

运动过程中要消耗能量，所消耗的能量分为两部河岸组成细，不抗冲)实例（美国密西西比河下游,变化较大,分选作用明显,河床沿程细化。异重流淤积:异重流潜入后,因为进库流量减小,部分异重流能渭河下游等,长江中下游、珠江、赣江等,分，一部分用于克服水流的阻力损失；另一部分用荆江下游、

运行到坝前发生滞留,因而造成泥沙淤积,淤积的泥

黄河下游、永定河下游等）

于携带悬移质而作悬浮功.思路:E1=E2+E3, E1/E2/E3沙组成比较细,不存在分选作用)、带状淤积(多在河

6.浅滩类型正常(两岸边滩较高,浅滩槽宽而深,无相

道型水库,含沙量低,粒径细,库水位变幅大,淤积厚分别表示在单位流程、单位时间、单位过水断面中,

互交错,水流较平顺,河槽窄,曲率较小,过渡段长度度沿程大致均匀.锥体淤积(壅水小,底坡陡,沙量大,

浑水水流中的清水从高处流到低处所消耗的能量、

适当)、交错(相互交错深槽,边滩较低,浅滩宽而浅,坝身低,多沙河流、滞洪水库上修建的小型水库,比

浑水水流中的清水为了克服阻力功而提供的能量、较普遍地出现锥体淤积形态。这种淤积体特性:坝前

反前,山区)、复杂(≥2浅滩,上浅滩的下边滩、下深

淤积多,泥沙淤积很快发展到坝前,形成锥体淤积.当浑水水流中的清水对泥沙所做的功。

槽为,冲积平原河道或山区河道较顺直河段、周期性水库淤满以后,河床纵比降比原河床比降为小,淤积

2. 重力理论的适用情况：优点:考虑了泥沙对水流

雍水处）、散乱（无明显边滩和浅滩脊,水深很小,游向上游发展). 影响纵向淤积形态的因素有:来水来

运动的影响。缺点:所建立的能量平衡存在问题(悬沙条件、水库壅水程度、坝前水位变幅、水库地形荡型河道）；

等.其中最主要的是水库壅水程度和坝前水位变幅。移质消耗的能量来自于紊动能量,而不是水流托起

7.造床流量:造床作用与多年流量过程的综合造床2.坝下游冲刷一般特性:死滩活槽:即滩地只淤不冲,所消耗的能量);Es=u(-dτ/dy)是不合适的(物理概念

作用相当的某一种流量。 滩面逐年抬高,主槽有冲有淤,淤废的主槽可以复上不正确)。

8.河床横向稳定与河岸稳定密切相关,主要决定于活。主槽损失的库容可以恢复,滩地的库容不能恢

1.水流携沙能力:在一定的水流和河床组成条件的河岸的组成材料,阿尔图宁用稳定河宽Bs与实际河复。下游河床冲刷(1)系统的冲刷,年际变化不大,不

0.50.2

相互关系中，水流能够挟带的悬移质中床沙质的临宽B的比值表示,横向稳定系数Φ=QJB;Φ值越大,断向下游发展;(2)冲刷距离长,含沙量沿程变化较均

河岸越稳定,越小越不稳定.也可用枯水河宽b与中匀;(3)含沙量、挟沙力较天然河道大幅降低;(4)悬沙

界含沙量S0..判断冲淤: 来沙量S>S* ,超饱和输沙,

水河槽平滩河宽B之比,比值越小河身相对较窄,河粒径变粗;(5)冲刷有阶段性。全年悬移质冲刷;洪水

淤积;<,不饱和输沙,冲刷;=,输沙平衡,不冲不淤.影响岸稳定. 纵向稳定主要决定于泥沙抗拒运动的力和期悬移质冲刷;推移质冲刷;平衡或接**衡。冲刷因素:水流条件(流速,水深,比降,g)水流的物理性质水流作用于泥沙的拖曳力。比值可用希尔兹数的倒沿时间和河长都是持续的。水库下游河道普遍产生

冲刷,枢纽下游河道的冲刷自上而下是逐渐发展的,

(容重,粘性)泥沙的物理性质(容重,沉速或粒径)边界数来表示。Φ1=d/(hJ)或者Φ2=d/J比值俞大,泥沙运

动强度愈弱,河床愈稳定,相反,比值愈小,泥沙运动距坝越远,冲刷越小。

条件(河床物质的组成,河宽B)

强度俞大,河床产生的变形愈大,河床不稳定.

2.张瑞瑾水流携沙力公式:(基于制紊假说,根据能量9.断面河相关系：纵剖面河相关系式:处于平衡或准1.床沙质与冲泻质概念:床沙质：悬移质中较粗部分关系推导):