上海海事大学港航河流动力学

1、河流动力学上海海事大学200710613004第一章：泥沙特性1. 等容粒径：体积与泥沙颗粒相等的球体的直径。设某一颗泥沙体积为v，则其等容粒径d为： 。算数平均值： 几何平均值：2. 粒配曲线和作法：为了表示泥沙的组成特性通常利用粒配曲线。作法：通过颗粒分析（包括筛分和水析），求出沙洋中各种粒径泥沙的重量，算出小于各种粒径的泥沙总重量，然后在半对数坐标纸上，将泥沙粒径d绘于横坐标（对数分格）上，小于该粒径的泥沙在全部沙洋中所占重量百分数p绘于纵坐标（普通分格）上，绘出的dp关系曲线即为所求的粒配曲线。（陡匀缓不匀，左大右小）曲线较陡，表示沙样内颗粒组成比较均匀，粒径变化范围小曲线较缓，表示沙

2、样内颗粒组成不均匀，粒径变化范围大3. 中值粒径d50：表示大于该和小于该种粒径的泥沙重量各占沙样总质量的50%。4. 平均粒径dm：沙样内各泥沙粒径组的加权平均值。作法：将粒配曲线的纵坐标（p）按其变化情况分成若干组，并在横坐标（d）上定出各组泥沙对应的上、下限粒径dmax和dmin以及各组泥沙在整个沙样中所占质量百分数pi，然后求出各组泥沙的平均粒径di=（dmax+dmin）/2或di= ，再按下式求出其平均粒径：dm=5. 沙样均匀程度可以用分选系数so（或称非均匀系数）表示。so=so=1则沙样非常均匀，so越大于1则越不均匀6. 泥沙的空隙率：泥沙中孔隙的容积占沙样总容积的百分比称

3、为孔隙率。且细颗粒泥沙孔隙率大于粗颗粒泥沙孔隙率。粒径均匀的泥沙孔隙率最大。越接近球体孔隙率越小。7. 比表面积：颗粒表面积与其体积之比。对于球体：=表面积越大，物理化学作用越大。因为细颗粒泥沙比表面积很大，故表面的物理化学作用显得特别突出。8. 双电层：颗粒表面离子层及其周围的反离子层（吸附层和扩散层）9. 粘结水：在吸附层范围内水分在失去自由活动能力整齐、紧密地排列起来，=1.21.4，力学性质与固体相似，具有极大粘滞性、弹性和抗剪强度10. 粘滞水：扩散层范围内水分子因距颗粒表面较远，受到引力较小，排列较疏松，=1.31.7g/cm3，具有较大的粘滞性和抗剪强度，不能传递静水压力。粘结水

4、和粘滞水称为束缚水。11. 自由水：束缚水外水分子几乎不受静电引力作用，重力作用下能自由流动。12. 絮凝：细颗粒泥沙在一定条件下彼此聚合的过程。絮凝力：当扩散层薄，颗粒间距小，表现为絮凝力。影响因素包括1粒径2电解水离子价位3矿物组成13. 泥沙的干容重（或干密度）：未经扰动的原状沙样，量出它的体积，然后在烘箱内经100500的温度烘干后，其重量（或质量）与原状沙样整个体积之比14. 干容重的影响因素：1粒径：粒径较粗，干容重大；粒径较细，干容重小2淤积厚度：淤积厚度越深，干容重越大，变化范围越小3淤积历时：干容重随淤积历时增加而趋向一个稳定值15. 泥沙沉降速度：单颗粒泥沙在无限大静止清水

5、中匀速下降是的速度，简称沉速。16. 雷诺数判决扰流状态：red=wd/v1000 紊流0.5red1000过渡状态17. 其他因素对沉速的影响：1泥沙形状：越接近球体阻力越小2水质：d10,d 近壁层流层不起隐蔽作用，随着粒径加大，泥沙重量加大，加强泥沙稳定性，使起动拖曳力相应增大25. 粘性泥沙的起动流速公式：研究粘性泥沙起动，区别两种不同情况：a河床冲淤过程中自然沉积，新淤积而尚未密实的泥沙，按单颗粒泥沙处理，但所承受的力中增加了单颗粒间的粘结力b沉积日久，经过物理化学作用而形成的固结粘性土，起动时，不是以个别颗粒的形式，而是成片成团进入运动状态。（前者为新淤粘性泥沙起动问题；后者为固结

6、粘性土起动问题）26. 与泥沙起动有关的几个问题a非均匀沙的起动：b起动流速与起动拖曳力两种形式起动条件比较：确定性方面，拖曳力优于起动流速。获取实测值数据，起动流速优于拖曳力，因为拖曳力要测比降，比降测量不十分可靠，所以起动流速在我国广泛应用c砾石和卵石的起动：形状及其相互间排列有一定影响d止动流速：泥沙颗粒由运动状态转变为静止状态时的临界垂线平均流速。e扬动流速：床面泥沙由静止直接转入悬疑状态的临界垂线平均流速27. 沙波运动：当推移质运动达到一定规模时，河床表面便会形成波状起伏并向下游移动，这种泥沙颗粒在床面的集体运动称为沙波运动28. 沙波形状：1带状（顺直）沙波2断续蛇曲（弯曲）状沙

7、波3新月形沙波4舌状沙波新月形沙波和舌状沙波也叫沙鳞29. 沙波运动两个重要现象1.沙波对床沙分选作用2.较粗泥沙运动间歇性。泥沙沿迎水面越过沙波峰顶后，在重力作用下，较粗的泥沙落到谷底，细泥沙随平轴漩涡的负流沿背水面向上游运动，形成上细下粗的分层淤积，这就是沙波对泥沙的分选运动。进入沙波背水漩涡区淤积的泥沙随即被下移的沙波所覆盖，直到他再次出露，处于下一个沙波的迎水面上时才继续运动，颗粒越粗，覆盖时间越长，这就是较粗泥沙运动间歇性。30. 床面阻力包括沙粒阻力和沙波阻力。沙波阻力：是迎水与背水的压力差，属于形状阻力。沙粒阻力：床面沙粒的磨阻而引起，属于表面阻力。沙粒阻力和沙波阻力就是通常所说

8、的动床阻力。31. 为什么推移质输沙率都用与沙粒沙率有关的那部分？因为全部水流剪切力中，仅仅是消耗与克服沙粒阻力的水流剪切力： 才对推移质的输移起作用；而消耗于克服沙波阻力的另一部分水流剪切力： 所导致的紊动主要发生在沙波波峰下游的分离面上，距床面泥沙还有一段距离，对泥沙的起动，跃移是不起作用的。32. 推移质输沙率：一定的水流及床沙组成条件下，河道处于不冲不淤输沙平衡状态时，单位时间内通过过水段面的推移质质量。gb表示33. 单宽推移质输砂率：通过单位宽度数量gb表示34. 推移质输砂率研究途径：1.以流速为主要参变数（流速越大，推移质输沙律越大）2.以拖曳力为主要参变数（水流拖曳力与起动拖

9、曳力差值越大，推移质输沙率越大）3.根据能量平衡观点（能量平衡观点）4.从统计法则考虑（考虑推移质运动的随机性质）5.沙波运行规律分析35. 泥沙的沉积率：单位时间单位床面面积上沉落的泥沙质量。36. 泥沙的冲刷率：单位时间单位床面面积上冲起的泥沙质量。37. 泥沙按照运动形式分为推移质和悬移质。按照相对于床沙组成的粗细和来源，分为床沙质和冲泻质。38. 床沙质：来自相邻的上游段及本河段的河床，是从床沙中被带起进入运动的泥沙，是推移质中的绝大部分和悬移质中的极少部分（粗）能和床沙直接进行交换，与河床演变有直接关系，因此又称造床质。冲泻质：悬移质中较细的一大部分和推移质中极小的部分是床沙中很少或

10、几乎不存在的，源于上游的流域冲蚀，是被水流长途挟带输送到本河段与床沙几乎不交换，与河床演变关系不密切，又称非造创质。（来源，组成，是否交换，与河床演变是否有关）39. 含沙量：单位体积浑水中所含泥沙的数量。体积比含沙量：sv=泥沙所占体积/浑水体积重量比含沙量sw=泥沙所占重量/浑水重量40. 泥沙在水中两方面作用：一方面，紊动扩散作用使泥沙上浮，另一方面，重力促使悬移质泥沙下沉，悬移质含沙量沿水深分布就决定于紊动扩散作用于重力作用对比关系。当重力作用占优势，悬移质向床面下沉的倾向超过水面上浮的倾向。水流含沙量逐渐减小，河床淤积。当紊动扩散作用占优势，则水流中含沙量将逐渐增加，河床随之冲刷。两

11、者相当时，含沙量维持不变，河床不冲不淤。此时，紊动扩散作用而上浮的沙量和重力作用下沉的沙量在垂线上任意高度处都相等，含沙分布达到平衡状态41. 扩散理论假定：1.c为常值2.ey=em3.k=0.442. 劳斯方程： 悬浮指标： 指数z是一无因次数，它反映了重力作用与紊动扩散作用的相互对比关系，其中重力作用通过w来表达，紊动ku*表达。z越大，重力作用越强，含沙量越不均匀。z越小，紊动作用越强，相对平衡状态下，含沙量垂线分布越均匀。43. rouse方程适用条件：泥沙颗粒较细，含沙浓度不大，扩散理论所得结果比较符合实际，冲积平原河流正是属于这种挟沙情况。含沙量大，沉降速度沿垂线不是常数，颗粒粗

12、时，悬浮指标实测值与理论值不吻合。44. 悬移质输砂率：一定水流和河床组成条件下，水流在单位时间内所能携带并通过河段下泄悬移质中床沙质泥沙数量。（冲泻质与河床演变无直接关系，排除）悬移质输砂率是河流中不冲不淤，水流处于饱和状态的临界情况。45. 悬移质单宽输砂率：gs=qs*，推广到断面平均情况：gs=qs*46. 水流挟沙力s*(饱和含沙量或临界含沙量)：一定水流与泥沙条件下，河流处于不冲不淤的临界状态，单位水体中所能挟带的悬移质中床沙数量平均值47. 为什么推移质悬移质输砂率磨阻流速与水力半径是与沙粒有关的那部分？床面有沙波时，u*应以u*代替，u*=(rbgj)1/2 , u* 与r*是

13、同沙粒阻力相应的那一部分摩阻流速与水力半径。因为床面存在沙波时，河床阻力分为沙粒阻力与沙波阻力。前者是水流作用于沙粒并在其周围绕过时受到的表面阻力，与此相应的传递到床面的那一部分水流势能产生的紊动漩涡直接发源于床面沙粒附近，对推移质的搬运起着直接作用。又由于该处接近河底，含沙量梯度较大，这种紊动对泥沙的悬浮也有影响。而后者，他是水流绕过沙波而受到的形状阻力，水流因沙波而造成的紊动漩涡主要产生的作用就不如前者那么直接，又由于该处距床面已有一段距离，含沙量梯度大大减缓，这种紊动对悬移质运动也不起决定性作用。总之在存在沙波时，沙波阻力对推移质及悬移质输送起着主要作用。48. 武汉水利电力学院公示：

14、s*代表不冲不淤临界情况下含沙量49. 影响挟沙力因素有哪些？50. 恒定非均匀中平均含沙量沿程度变化规律： s为计算断面含沙量，s0 进口断面含沙量，s*0 进口断面水流挟沙力，s* 计算断面的水流挟沙力，x计算断面至进口处的距离51. 床沙质总输砂率：推移质输砂率与悬移质中床沙质输砂率之和52. 全沙总输砂率：推移质输砂率与全部悬移质包括冲泻质输砂率之和53. 异重流：两种或者以上密度相差不大，可以相混的流体，在条件适宜时因密度差异而产生的相对运动；在运动中维持界面不发生全局性的混合现象。54. 下异重流：较重的流体在较轻液体下面运动。上异重流：较轻的流体在较重流体上面运动。中异重流：在较

15、重与交情的流体间存在第三种流体的运动。55. 清浑水密度的差异是产生浑水异重流的根本原因56. 异重流的特性：1.重力作用显著减小2.惯性力作用增强（显著减小的重力作用与相对突出的惯性力作用，使异重流能够爬高并超越障碍物，这在一般水流中很少见）3.阻力作用增强，使异重流流速比一般流速小得多（异重流要维持长距离的运动，必须要有较大的坡能，或者清浑水交界面在沿水流方向必须有足够的坡度）57. 盲肠河段如何发生淤积：形成河渠异重流的根本原因仍在与两种水体有密度差。盲肠河段内的水体基本上处于静止状态，含沙很少。口门处含沙量越大，水越深，越接近底部，压力差就越大，外部含沙量高的河水就可能沿底部潜入盲肠河

16、段内，形成异重流。由于异重流流速较小，挟沙能力下降，泥沙便逐渐淤积，较粗的泥沙首先沉淀。较细的泥沙将沿程淤积在盲肠河段内部。通过淤积而逐渐变清的潜流到达闸门后，转而上升，有水量平衡的要求，上升水流到水面成为面流。以相反方向流向门口。这样便在盲肠河段中形成一个流速不大的纵向环流，使浑水源源不断的挟带泥沙沿渠底潜入，沿程淤积，而清水源源不断的沿水面流出。如此循环往复不已的熟沙造成了盲肠河段的严重淤积。58. 防止或者减少挖入式河港与盲肠式引航道的淤积的措施：1.避开凸岸回流区和缓流区2.减小交角可以较少回流淤积3.尽量缩小口门宽度4.避免不必要的加大口门的水深。5.口门出口一般指向下游59. 防止

17、或减少异重流迂回流的淤积的工程措施：1.长期有意识的维持这样的小股外泄水流将显著较少异重流淤积。2.设置防淤帘3.水力门帘4.合理安排疏浚时间和顺序，淑君时间最好选在退水期，先挖港内，再挖港外60. 河床变形从演变表现形式上分为纵向变形和横向变形。纵向变形：河道沿流程所发生的变形，即河床纵剖面的冲於变化。横向变形：也称平面变形，河床沿着与水流垂直的水平方向发生变形。61. 河床变形从河道演变发展过程可分为单向变形和复归性变形。单项变形：河道在相当长时期内只是单一的朝某一方向发展。复归性变形：河道周期性往复发展的演变。62. 河床演变基本原理：根本原因归结为输沙的不平衡。当上游来沙量大于本河段水

18、流输沙能力时，本河段发生淤积。当上游来沙量小于本河段水流输沙力时，本河段产生冲刷。纵向输沙不平衡将引起河床纵向变形，横向输沙不平衡将引起河流的横向变形，局部输沙不平衡将引起河床局部变形。63. 河床和水流的“自动调整作用”:河道由于输沙不平衡所引起的变形，在一定条件下，往往朝着使变形停止的方向发展。即河床发生淤积时，其淤积速度将逐渐减小，直至淤积停止；河床发生冲刷时，其冲刷速度也将逐渐减小，直至冲刷停止。64. 判断题：所以输沙平衡只是对较长时间内的平均情况而言，或者只是对较长河段内的平均而言，因而只具有相对的意义。65. 制约和影响河道演变的主要因素：1.河段的来水量及其变化过程2.河段的来

19、沙量，来沙组成及其变化过程3.河段的河谷比降。4.河段的河床形态及地质情况。那些人为控制？66. 平原河流中根据形态和演变特征又可分1.弯道河道2.分汊河道3.顺直河道4.游荡河道67. 弯道水流特征：表层水流流向凹岸，底层水流由凹岸流向凸岸，形成以封闭的环状水流，与纵向水流结合形成螺旋流。水位凸岸低，凹岸高，凹冲。凸淤68. 水面横比降：jz=u2/gr u2/r为离心加速度，g重力加速度，前者与后者的比值横比降在弯道顶点附近达到最大值，向上下游两方面逐渐减小69. 名词解释：弯道水流动力轴线：水流动力轴线为河段中沿流程各断面最大垂线平均流速所在位置的连线，也称主流线。反应了水流最大动量所在

20、位置，对河床演变有，重大影响。70. 弯道水流动力轴线的特点：1.在弯道进口段，主流线常偏向凸岸进入，弯段逐渐转移，至弯顶捎上部位才偏靠凹岸，主流开始逼近凹岸的位置叫做“顶冲点”2.主流线“低水傍岸（凹）”，“高水居中”；顶冲点“低水上提”“高水下挫”71. 弯曲河段的演变：1.凹岸崩退和凸岸於长：水流表面含沙量小，河底含沙量大，在弯道环流作用下，底层水流挟沙较多，当底层水流由凹岸流向凸岸并折向水面导致河湾凹岸的崩退和凸岸淤长。2.河湾发展和河线蠕动：凹岸崩退和凸岸淤长使得河湾再平面上产生横向位移，但这个位移在整个弯道上并不是均匀距离短分布的。在弯道下半部，动力轴经常靠近和顶冲凹岸，环流强度较

21、大，崩岸严重。致使河湾曲率半径变小，河身加长。3.栽弯取直与河湾消长：当洪水漫摊时，由于狭颈处距离短，比降大，容易冲成串沟，并逐渐发展，扩大成新河流，而老何逐渐於；栽弯后的河床演变过程有：1）新河发展2）老河於废3）上游河段的变化（冲刷）4）下游河段变化：若新河出口下游河势衔接不顺，则使凸岸受到强烈冲刷。新河和上游河段冲刷期间，有大量泥沙顺流而下，有可能淤积在其下游河段浅摊上，使浅滩水深减小。4.撇弯切摊：当河流因土质不均匀，发展受到限制时，会形成曲率较大的锐角，在适宜条件下，主流线由凹岸改趋凸岸，凹岸产生回流，泥沙在凹岸落淤，称为撇弯。切摊：在弯曲河段，水流由边摊漫过，冲刷摊上薄弱部位，使摊

22、体一部分与摊边脱离成心摊的现象。72. 造床流量：其造床作用与多年流量过程的综合造床作用相当，对塑造河床形态起着控制作用的某一个流量。73. 确定造床流量地方法：1.平摊流量法（平摊水位法）其中平河漫摊水位的流量为第一造床流量，平边摊水位的流量为第二造床流量。2.计算法：步骤如下：1）将某断面历年观测到的全部流量分成若干级，求出每级力流量的平均值q。2）确定各级流量出现的频率p。3）绘制该河段的流量比降关系曲线，求出各级流量相应的比降j；4）计算出各级流量的g=qmjp。5)绘制q qmjp关系曲线。6）从图中查出qmjp最大值，相应于此最大值的流量q即为所求只造床流量。 相应于最大峰值的流量

23、约相当于多年平均最大洪水流量，水位约与河漫摊高程齐平，称为第一造床流量。相应于次大峰值的流量略大于多年平均流量，水位约与边摊高程相当，为第二造床流量。74. 潮汐河口区：河流注入到海洋的过渡区域。75. 河口口：河口段多年平均中潮位水面纵坡降线与平均海平面交点所在位置。76. 潮流界：当潮波推进到达某一地点时，涨潮流速和径流下泄流速相抵消，潮水便停止倒灌，此处称为潮流界。77. 潮区界：潮流界以上潮波仍继续上溯，但由于受河水的阻滞，潮波波高急剧减小，直至潮差等于零，此处称为潮区界。78. 潮区界以上，河水运动不受潮汐影响，称为非感潮河段。潮流界和潮区界的位置并非固定不变，而是根据海外潮差大小和

24、径流量大小而有所变化。自口门到潮区界之间的河段称为感潮河段。79. 河口按形态特征分为三角洲河口和三角港河口80. 河口区按动力和来沙特征分为1.强潮海相河口2.弱潮陆相河口3.湖源海相河口4.陆海双相河口81. 河口按潮汐强弱分为强潮河口，中潮河口，弱潮河口。82. 潮波变形：潮波在河口区传播过程中，其潮差，涨落潮历时，潮位与潮流速过程线之间相位差沿程变化的现象。83. 盐淡水混合类型：1.高度成层性2.弱混合型3.强混合型84. 盐淡水混合对河口区水流流速分布的影响：在涨潮流期间，密度梯度于水面坡度方向一致，有加大涨潮流速的作用，且因底部密度梯度大，固又加大了底流速，最大流速出现在水面下某

25、一深度处。落潮流期间，密度梯度与水面坡度方向相反，有减小落潮流速的作用，因底部密度梯度较大，对底流起阻碍作用，水流主要从表面排走，故表面流速大。转流期间，水面坡降很小，密度梯度起控制作用，形成了表层与地层流向相反的交错流。85. 滞流点：河口上段，水流都是净的下泄流。河口下段，产生了净的上溯流，所以在一个潮周期内计算总水量，底部水流从净的上溯流转变为净的下泄流，沿程必有一个净泄量为零的起点，该处称为滞流点。86. 问答题：滞流点位置的计算方法：1.在河口去沿河道设若干测站，将每个测站的垂线水深分为若干等分，每个等分以一个测点代表2.在各测点都进行全潮流速测量，绘出各测点的流速过程线，分别求出涨

26、落潮流流速曲线与时间坐标轴所包围的面积af和ae，在计算参量=ae/（af+ae）100%，af和ae分别代表涨落潮流期间水质点的净流程。50%，下泄流占优势，50%，下泄流占优势，50%，上溯流占优势，=50%，净流程为零。3.算出各测站个测点的值，将各测站同一相对水深个测点的值绘制成对距离的关系曲线，为优势曲线流。底层优势流曲线与50%坐标水平线的交点，为滞流点的位置。18. 防止或者减少挖入式河港与盲肠式引航道的淤积的措施：1.避开凸岸回流区和缓流区2.减小交角可以较少回流淤积3.尽量缩小口门宽度4.避免不必要的加大口门的水深。5.口门出口一般指向下游19. 防止或减少异重流迂回流的淤积的工程措施：1.长期有意识的维持这样的小股外泄水流将显著较少异重流淤积。2.设置防淤帘3.水力门帘4.合理安排疏浚时间和顺序，淑君时间最好选在退水期，先挖港内，再挖港外20. 异重流的特性：1.重力作用显著减小2.惯性力作用增强（显著减小的重力作用与相对突出的惯性力作用，使