上海海事大学河流动力学复习资料学习资料

1、上海海事大学河流动力学复习资料河流动力学第一章泥沙特性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,则等容粒径D （包）1/3泥沙粒径可用长轴a,中轴b,短轴c的算术平均值表示D - （a b c）3假设成椭球体，用几何平均值表示 D 3abc2、粒配曲线的作法：（图1-1 p6）通过颗粒分析（包括筛分和水析），求出沙样中各种粒径泥沙的重量算出小于各种粒径的泥沙总重量在半对数坐标纸上，将泥沙粒径 D绘于横坐标（对数分格）上，小于该粒径 的泥沙在全部沙样中所占重量的百分数 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。3、粒配曲线特点曲线坡度越陡，表示

2、沙样内颗粒组成越均匀，反之，不均匀。4、粒配曲线特征值1）中值粒径D50：是常用的特征值，它表示大于和小于该种粒径的泥沙重量各占沙样总重量的50%,即粒配曲线的纵坐标上找出 p=50%,其对应的横坐标即 为D502）平均粒径D50 :是沙样内各泥沙粒径组的加权平均值。即粒配曲线的纵坐标 （p）按其变化情况分成若干组，并在横坐标（D）上定出各组泥沙相应的上、下限粒径Dmax和Dm.以及各组泥沙在整个沙样中所占重量百分数Pi,然后求出各组泥沙的平均粒径DiD max D minD max D min V D max D min2 一 i3DmnDi pi i 1nPii 1n一为划分组数;Dm2D

3、5oeT ,其中一沙样粒径分配的均方差,ln DD84.115.9为零时，沙样均匀，DmD50, 一般沙样不均匀，总是大于零，因此,通常Dm D503）分选系数（非均匀系数）So,若So=1,则沙样非常均匀，越1,则越不均匀 5、影响泥沙的孔隙率的因素沙粒的大小均匀度沙粒的形状沉积的情况沉积后受力大小历时泥沙越细，孔隙率越大；泥沙越均匀，孔隙率越大；越接近球体，孔隙率越6、颗粒比表面积：颗粒表面积与其体积之比，对于球体，具表面积D2_6c3 DD6颗粒比表面积间接地反映了颗粒受到的物理化学作用于重力作用的相对大小。细颗粒沙粒的比表面积很大，所以，细颗粒表面的物理化学作用明显特别突出，从而对泥沙

4、运动产生重要的影响。7、吸附层（固定层）：表面带负电荷的细颗粒泥沙在含有电解质的水中，由于静电引力作用，吸引水中反号电荷（带正电荷）的离子，这种被牢固吸附在紧 邻颗粒表面周围的反离子层。扩散层：吸附层的离子电荷不足以平衡颗粒表面的全部电荷，因此在吸附层外还有一层与颗粒表面电荷异号的反离子层。双电层：颗粒表面离子层及其周围的反离子层（吸附层及扩散层）构成颗粒的双电层，双电层外属中性水。粘结水：在泥沙颗粒表面负电荷的作用下，靠近颗粒表面，在吸附层范围内的水分子便失去了自由活动的能力而整齐的、紧密地排列起来粘滞水：围绕在粘结水外面，在扩散层范围内的水分子因距颗粒表面较远，受到的引力较小，水分子的排列

5、比较疏松，仅有轻微的定向。粘结水和粘滞水统称为束缚水。束缚水外的水分子几乎不再受静力引力作用， 在重力作用下能自由流动，称为自由水。8、泥沙的干容重（干密度）： 取出经扰动的原状沙样，量出它的体积，然后在 烘箱内经100150c的温度烘干后，其重量（或质量）与原状沙样整个体积之 比。9、干容重的影响因素？泥沙粒径：粒径较粗的泥沙干容重大，变化范围小；反之，粒径较细的泥沙干容重小，变化范围大。泥沙淤积厚度影响：泥沙的淤积深度越深，琪干容重越大，变化范围越小；反之，淤积深度越浅，其干容重越小，且变化幅度越大。淤积历时的影响：干容重S随淤积历时的增加而趋向于一个稳定值，较粗颗、,一 ' .

6、. . 一 一 粒淤积历时不长，其干容重 s就趋向稳定，且初始干容重与最终干容重比较接近；而细颗粒泥沙S趋向稳定所需的时间要长的多，初始干容重与最终干容重相差甚远。10、泥沙沉速：泥沙沉速反映着泥沙在与水流相互作用时对机械运动的抗拒能力。沉速越大，则沉淀的倾向越强。因此，沉速是泥沙的重要特性之一。11、影响沉速的因素泥沙的形状，越接近球体，沉降越大,形状越扁平,Cab越小，阻力系数Cd越大，沉速越小 水质对沉速的影响，反映在絮凝，所有影响絮凝的因素均影响沉降。水质对 沉降的影响主要是对D<0.03mm的细颗粒泥沙而言的。在小含盐度的范围内， 絮团的平均沉降因含盐度的增加而迅速增大；当含盐

7、度超过某一数值后，含盐 度的进一步增加，对平均沉降的影响不大。含沙量越大，曲线转折处相应的含 盐度越小。由（图1-8书p19含盐度）可见，在含盐度超过10%后，不同情况 的絮凝沉速相差不大，一般在 0.40.5mm/s左右。含沙量对沉速的影响因浑水容重加大而引起的沙粒有效重力减小也有重要影响。这些将使得泥沙沉 速减小。细颗粒泥沙形成絮团，沉速随含沙量增大而逐渐增大，直到15kg/m3左右为最大；含沙量超过15kg/m3后，沉速随含沙量增大而减小。第二章推移质运动1、泥沙在水流中的运动形式可分为哪两类？定义各是是什么？推移质（接触质、跃移质、层移质）和 悬移质。接触质：滑动或滚动的泥沙，在运动中

8、始终保持与床面接触。跃移质：在床面附近以跳跃形式前进的泥沙。床面层：在流速较低时，同一种河床组成，其接触质或跃移质的运动范围，仅限于河床表层以上大约13倍泥沙粒径的区域。层移质：河床表层以下的泥沙，在水流拖曳力的作用下，将成层移动或滚动，运动速度由上而下逐次递减。推移质实质上是指在河底附近，以滚动、滑动、跳跃或层移形式前进，其速度远小于水流速度的泥沙。悬移质则是悬浮在水中运动，速度与水流速度基本相同的泥沙。2、泥沙起动：河床上静止的泥沙颗粒，随着水流条件的增强，到一定条件时开 始运动的现象。3、泥沙起动条件？床面泥沙由静止状态转变为运动状态的临界水流条件。泥沙的起动条件可以用流速、拖曳力、功率

9、来表示。用水流垂线平均流速来表示的，叫起动流速；用拖曳力表示的，叫 拖曳力（起动切应力或起动剪切力）；用水流功率表示的叫 起动功率。4、起动拖曳力：指泥沙处于起动状态的床面剪切力。具值等于泥沙起动时，单位面积床面上水柱重量在水流方向的分力，即：0 hJ U?为水的容重；J为水面比降； 为水的密度；U*为摩阻流速。5、希尔兹曲线特点：曲线为马鞍形，在沙粒雷诺数 U*D/ 10附近，亦即近壁层流层厚度与床沙粒径接近时，泥沙最容易起动。床面处于光滑区时，泥沙受近壁层流层的隐蔽作用，需要更大的拖曳力才能使之运动。在U*D/ 2或/D 6时以后，曲线成为一条45°的斜线。当U*D/ 10即D,

10、近壁层流层不起隐蔽作用，随着粒径加大，泥沙重量增大，加强颗粒稳定性，拖曳力也相应加大。6、沙波运动：当推移质运动达到一定的规模时，河床表面便会形成波状7、沙波从平面形态分的四种类型：带状（顺直）沙波继续蛇曲（弯曲）状沙波新月形沙波舌状沙波。8、沙波表面附近的水流流速是沿程变化的，波峰处流速最大，波谷处流速最大，波谷处流速最小。9、沙波运动的两个重要现象：一是沙波对床沙的分选作用，二是较粗泥沙运动的间接性。越细的泥沙越向上，形成上细下粗的分层淤积，这就是沙波运动对泥沙的分选作用。10、床面阻力包括沙粒阻力和沙波阻力。其中，沙粒阻力系床面沙粒的摩阻而引起，也称表面阻力。沙波阻力属形状阻力，沙粒阻力

11、和沙波阻力就是通常所说的动床阻力。11、河床阻力有床面阻力和河岸阻力两部分组成。求床面剪切力b和河岸剪切力w有两种方法：一是爱因斯坦的水力半径分割法；另一种是能坡分割法。12、推移质输沙率G在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断面的推移质数量；一般情况下推移质输沙率以通过单位宽度的数量 gb表示，称为单宽推移质输沙率。13、推移质输沙率的研究途径大致分为五类：以流速为主要参变数以拖曳力为主要参数根据能量平衡观点从统计法考虑沙波运动规律14、建立以垂线平均流速为主要参变数的公式的基本思路是：认为影响推移质输沙强度的主要水力因素是流速，流速愈大，则推移质

12、输沙率愈大。15、以拖曳力为主要参数的公式，其基本认识是拖曳力与起动拖曳力的差值愈大，推移质数量率也愈大。16、泥沙的沉积率：单位时间单位面积的床面上沉落的泥沙的质量；泥沙的冲刷率：单位时间上从单位面积的床面上冲起的泥沙量。第三章悬移质运动1、泥沙按照其运动形式的不同，可分为 推移质和悬移质;而按照其相对与床沙组成的粗细及来源的不同,运动泥沙又可分为 床沙质和冲泻质。2、床沙质：悬移质中较粗的一部分以及绝大部分推移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；床沙质与河床的冲淤变化有密切的联系，所以又称“造床质”。3、冲泻质：悬移质中较细的一大部分以及推移质中的极小部分是床

13、沙中很少或几乎不存在的，它们起源于上游的流域冲蚀，是被水流长途携带输送到本河段 的。冲泻质泥沙与床沙几乎不发生交换，同河床演变关系不密切，因而也有把冲泻 质称为“非造床质”的。4、“床沙质与冲泻质”以及“推移质与悬移质”是对运动中两套不同的命名，不可 将它们混淆。床沙质与冲泻质中，都可以同时包含有推移质与悬移质；反之， 在推移质与悬移质中也可以同时包含有床沙质与冲泻质。5、单位体积浑水中所含泥沙的数量成为含沙量或含沙浓度，工程中常用S表示，其含义为泥沙所占质量（或重量）S 浑水体积c 泥沙所占体积体积比含沙量：Sv浑水体积一C 泥沙所占质量重量 比含沙量： Sw浑水重量6、（填空题）一方面.紊

14、动扩散作用是泥沙上浮；另一方面，重力促使悬移质泥沙下沉，因此悬移质含沙量沿水深分布就决定于紊动扩散作用与重力作用的 对比关系。二者相比，当重力作用占优势，则悬移质向床面下沉的倾向超过向 水面上浮的倾向，水流含沙量将逐渐增加，河床随之冲刷。当二者作用相当则 含沙量将维持不变，河床不冲不淤。7、（简答）二元恒定均匀流中.平衡情况下含沙量沿垂线分布的某本微分方程式的求解所需的假定：只有当含沙量不大时成立,并认为是一个常值，泥沙扩散系数沿垂线而变；泥沙扩散系数丫与动量交换系数m相当也可看做y m；挟沙水流的流速分布遵循对数分布规律，并取 0.48、（重要简答题）z ,指数z是一无因次数，又称为“悬浮指

15、标”，试用 kU* 其物理意义说明其数值大小对含沙量沿垂线分布的影响：指数z决定了悬移质含沙量沿水深分布的均匀程度。它反映了重力作用与紊动扩散作用的相互对比关系，其中重力作用通过来表达，紊动作用通过kU*来表达。Z越大，则重力作用相对越强。在相对平衡情况下，含沙量垂线分布越不均匀；反之，z越小，紊动作用相对越强，在相对平衡状态下，含沙量垂线分布就越均匀。9、扩散理论的适用条件：泥沙颗粒较细、含沙浓度不大时，扩散理论所得的结果比较符合实际。通常的冲积平原河流正是属于这种挟沙情况，因而扩散理论在实际中得到了广泛的应用。10、悬移质输沙率是指一定的水流与河床组成条件下，水流在单位时间内所能挟带并通过

16、河段下泄的悬移质中床沙质泥沙的数量。11、常把悬移质单宽输沙率 用平均含沙量S*表示，gs qS* ,S*是一定水流与泥沙条件下，河流处于不冲不淤临界状态时，单位水体所能挟带的悬移质中床沙huSdy质数量的平均值，其单位为kg/m3或N/m3。S* ，9$=单宽输沙q . udy0率，4=单宽流量推广到断面平均情况：Gs QS*或S* 生，Gs=断面输沙率，Q=断面流量 Q12、为什么在计算推移质、悬移质输沙率时水力半径只取 R；,摩阻流速只取 U* _?_ '>'I 一I .一 .U* vRbgJ , U*和Rb分别是同沙粒阻力相应的那一部分摩阻流速与水力半 径。这是因

17、为床面存在沙波时，河床阻力分为沙粒阻力和沙波阻力两部分。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所产生的紊动漩涡直接发源于床面沙粒附近，对推移质 的搬运自然起着直接的作用；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显著的影响。至于后者，它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在沙波顶峰下游的分离面上。该 处距床面泥沙还有一段距离，这样的紊动漩涡对推移质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的作用。一U 3 m ,U31

18、3、临界含沙量S K（）系数K及指数m随-U而变，他们按照悬移质 gRgR具有制紊作用的观点对该式的建立进行了阐述。所谓制紊作用：是指悬移质的存在将使水流的紊动减弱、水流的阻力损失减小。u3 m14、不冲不淤临界含沙量：S K（-gR-）的影响因素有哪些？答：U断面平均流速；R水力半径，在宽浅河道中可以平均水深 h代替,一床沙质沉速；（g一为重力加速度；）u 3,，一 U2U为一无因次数，它是无因次数 U-与之比。其中U 2 t 4J是水流弗劳德数,gR可代表水流紊动强度；-代表相对的重力作用。因此U 3 一 » 一乙一代表了紊动作用与 gRgRgR U重力作用的对比关系。15、恒定

19、非均匀流中平均含沙量的沿程变化规律:xIxS S (So S*0)e L(S*o S*) (1 e L )xS为计算断面含沙量；x为计算断面至进口处的距离;So为进口断面含沙量;So与S*分别为进口断面与计算断面的水流挟沙力，现为非均匀流，故二者不同。x(So S*0)e L物理意义：进口断面泥沙费饱和量经距离x后的残余量；L-x(S*o S*) (1 e L )是水流沿程变化引起的该河段挟沙力变化对出口含沙量的 x影响。16、总输沙率：在一定水流与河床组成条件下，单位时间内能够通过河段下泄的沙量；习惯上将总输沙率称为水流输沙能力或水流挟沙能力，有时也成为水流挟沙力。推移质输沙率与悬移质中床沙

20、质输沙率之和叫做 床沙质总输沙率：把推移质输沙率与全部悬移质包括冲泻质在内的输沙率之和叫做 全沙总输沙率。第四章异重流1、异重流：指两种或以上密度相差不大、可以相混的流体，在条件适宜时因密 度差异而产生相对运动。2、就异重流的位置而言，分三类： 一种是较重的流体在较轻的流体下面运动, 称为下异重流（浑水异重流和盐水异重流）；另一种是较轻的流体在较重的流 体上面运动，称为上异重流（温差异重流）；再一种是在较重与较轻的流体问 存在第三种流体的运动，称为 中异重流（天空中云层的运动）3、产生浑水异重流的根本原因？清浑水密度的差异。4、异重流的特性与一般水流相比，浑水异重流的一个最主要的特性是重力作用

21、显著减小。由 此可见，异重流浑水与清水的密度差一般都非常小，就惯性作用而言，密度可 以看成没有改变；但另一方面，较重的浑水在清水下面运动时，下面的浑水被 清水所包围并受到清水浮力的作用，密度差既然很小，浮力作用就显得特别 大，以致浑水受到的有效重力将显著降低。由于重力作用显著减弱，惯性力的作用便相对显得十分突出。由于重力作用的减弱，使得阻力作用相对地也显得十分突出。5、异重流的运动特点显著减小的重力作用于相对突出的惯性力作用，是一种流能够轻易的爬高并 超越障碍物，这在一般水流中是很少见的。由于阻力作用的相对突出，异重流要维持长距离的运动，必须要有较大的能 坡，或者清浑水交界面在沿水流方向必须有

22、足够的坡度。6、形成河渠异重流的根本原因？根本原因在于两种水体有密度差。盲肠河段内的水体基本上处于静止状态，经 过沉淀，含沙很少，其密度接近清水。此时，若与之相连的河水具有一定的含 沙量，则由于两部分水体在密度上的差异，在交界面上将形成压力差。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。较细的泥沙浆沿程淤积在盲肠河 段内部。通过淤积而逐渐变清的潜流到达闸门后，转而上升，由水量平衡的要 求，上升水流到水面成为面流，以相反方向流向口门。如此循环往复不已的输

23、沙造成了盲肠河段的严重淤积。7、可采取哪些措施来防止或减少挖入式河港与盲肠式引航道的淤积？选址要避开凸岸，避开洪水时大范围的回流区及缓流区，尽量放在具有稳定 深槽的一侧。为减少淤积，港池口门出口方向一般指向下游，并减小口门轴线与主流交角 的大小，减少回流淤积。应尽量缩小口门宽度。必要时，采用窄口门，口门以内再采用适当扩大宽度 的平面布置方式。避免不必要地加大口门水深。8、采取哪些工程措施可以防止或减少异重流与回流的淤积？长期有意识地维持这样的小股外泄水流将显著减少异重流的淤积设轻型聚氯乙烯帷帘，平时帘顶置于水面，过船时将防淤帘降低。设水力门帘的设想：在盲肠河段的口门，底部敷设水管，从水管顶部一

24、系列 开口处喷出高压水柱以阻挡异重流并削弱回流，从而减少淤积。合理安排疏浚时间和次序，疏浚时间一般选在退水期，次序：先口门内后口 门。第五章河床演变1 .河床变形从演变表现形式上可分为纵向变形和横向变形(1)纵向变形是指河道沿流程所发生的变形，即河床纵剖面的冲淤变化(2)横向变形也称平面变形，即河床沿着与水流垂直的水平方向发生变形2 .河床变形从河道演变的发展过程来说，可分为单向变形和复归性变形(1)单向变形是指河道在相当长的时期内只是单一地朝某一方向发展的演变现 象。在这个期间内，河道只为冲刷发展，或只为淤积发展。严格的单向变形是 不存在的。(2)复归性变形是指河道周期性往复发展的演变现象。

25、3 .河床演变的基本原理河床演变的根本原因可以归结为输沙的不平衡。当上游来沙量大于本河段水 流输沙能力时，本河段将发生淤积，河床升高。反之，当上游来沙量小于本河 段的输沙能力时，本河段将产生冲刷。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床横向变形，局部输沙不平衡将引起河床局部变形。平衡状态只是暂时的，相对的。所谓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情况而言，因而只具有相对的意义。4 .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5 .平原河

26、流中根据其形态和演变特性可分为：弯曲河道，分汉河道，顺直(微弯)河道，游荡河道，四种主要类型6 .弯道的水流特征：表层水流流向凹岸，而底层水流则由凹岸流向凸岸，形成一封闭的环状水流，这种环状水流与纵向水流结合形成螺旋流。7 .水面横比降：凹岸方向的水面增高，凸岸方向的水面降低，形成水面横比降Jzu2gR横比降J z为离心加速度与重力加速度的比值。8 .弯道环流：横比降通常在弯道顶点附近达最大值，向上下游两方向逐渐减9 .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，亦称主流线。它反映了水流最大动量所在位置，对河床演变有重大影响。主要特点：(1)它在弯道进口段或

27、者在弯道上游的过渡段，常偏靠凸岸，进入弯道以后，即逐渐向凹岸转移，至弯顶稍上部位才偏靠凹岸，主流开始逼近凹岸的位置叫做“顶冲点”。(2)主流线“低水傍岸”，“高水居中”；顶冲点“低水上提”，“高水下挫”10 .弯道横向流速分布：弯道表层水流的横向流速指向凹岸，底层水流的指向 凸岸。11 .弯曲河段的演变规律(1)凹岸崩退和凸岸淤长(2)河湾发展和河线蠕动(3)裁弯取直和河湾消长12.裁弯后的河床演变过程主要有：(1)新河发展(2)老河淤废(3)上游河段的变化：裁弯后引起上游水位降落，比降加大，从而使河段有 所冲深(4)下游河段的变化：裁弯后将引起下游河段的水流动力轴线发生变化(5)撇弯切滩：当

28、河湾因土质不均匀，发展受到限制时，会形成曲率较大的 锐弯，在适宜条件下，主流线有凹岸改趋凸岸，凹岸产生回流，泥沙在 凹岸落淤，这种现象称为撇弯。切滩是指在弯曲河段，水流由边滩漫 过，冲刷滩上薄弱部位，使滩体一部分与边滩脱离成新滩的现象。撇弯 的同时必然发生切滩，而切滩时未必发生撇弯。13.河相关系冲击平原河流在挟沙水流与河床长期相互作用下，经过河流的自动调整作用， 可能形成与所在河段具体条件相适应的某种均衡形态。在这种均衡形态的有关 要素之间，以及它们和表达来水来沙条件及河床地质条件的特征物理量之间， 常存在某种函数关系。这种关系称为河流的河相关系或均衡关系。14.造床流量造床流量是指其造床作

29、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。确定造床流量的方法：（1）平滩流量法（平滩水位法）其中平河漫滩水位的流量为第一造床流量，平边滩水位的流量为第二造床流量。（2）计算法：1）将某断面历年观测到的全部流量分成若干级，求出每级流量的平均 值Q2）确定各级流量出现的频率P3）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 J4）计算出各级流量的G QmJP5）绘制QQmJP关系曲线6）从图中查出QmJP地的最大值，相应于此最大值的流量 Q即为所求 之造床流量相应于最大峰值的流量约相当于多年平均最大洪水流量，其保证率为1%6%,水位约与河漫滩高程齐平，通常称此流量为第一造床流量。相应于次 大峰值的流量略大于多年平均流量，具保证率为 24%25%,水位约与边滩高程相当，一般称此流量为第二造床流量。第六章潮汐河口的水流泥沙特点及河床演变1、潮汐河口的分段（1）、潮汐河口段是河流注入到海洋的过渡区域。(2)、河口口门通常是指河口段多年平均中潮位纵坡降线与平均海平面交点所在位置。(3)、潮流界是指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；潮区界是指潮流界以上潮波仍继续上 溯，但由于受河水阻滞，潮流波波高急剧减小，直至潮差等于零，此处称为潮 区界。(4)、自口门到潮区界之间的