河流动力学复习

1、河流动力学就是以力学及统计等方法研究河流在水流、泥沙和河床边界河流动力学的研究内容：水流结构，泥沙运动，河床演变。河流动力学的研究方法：理论研究，实验研究，原型研究，数学模型。河流特性：两相流，三维不恒定流，非均匀流。河流分类F山区河流-山前河流顺直型平原河流蜿蜒型分汉型游荡型风化作用：是岩石和矿物在地表环境中，受物理、化学和生物作用，发生结构破坏和化学成分变化的过程。泥沙的几何特性：一般来说，较粗的泥沙颗粒沿河底推移前进，碰撞机会较多，容易磨成较为圆滑的外形；较细的泥沙颗粒随水流悬浮前进，碰撞机会较少，相对不容易磨损，棱角比较分明。泥沙粒径分布的描述方法：（1）.泥沙粒径频率直方图（2）.泥

2、沙粒径累积频率分布曲线。（1）泥沙粒径频率直方图：采用一定的方法，将泥沙颗粒粒径按粒径大小顺序分为若干组，粒径位丁di至dj区间（di<dj）的泥沙称为didj粒径组，didj粒径组泥沙的质量与沙洋总质量的比值称为改组泥沙的质量比。以不同粒径组泥沙为横坐标，一般采用对数刻度，以不同粒径组泥沙质量白分比为纵坐标，绘成直方图。如果泥沙粒径组划分很细，即didj间距很小，则泥沙粒径频率直方图可以连成光滑的曲线，称为泥沙粒径频率分布曲线。泥沙粒径频率直方图的形状与泥沙粒径分组的数目和间距有很大的关系，组分分得越多，间距越小，所得结果越能真实反映泥沙的粒径分布。（2）泥沙粒径累积频率分布曲线：以横

3、坐标表示泥沙颗粒粒径大小，纵坐标表示小丁某一粒径di的泥沙质量与泥沙总质量的白分比。泥沙粒径频率分布曲线与泥沙粒径累积频率分布曲线统称为泥沙粒径级配曲线。泥沙来源：地表冲蚀（主要部分），河床的冲刷和风沙运动。最根本来源：岩土的风化。泥沙颗粒按粒径分类粒径（mmM0.0040.004-0.0620.062-2.02.0-16.016.0-250.0M250.0分类黏粒粉粒砂粒砾石卵石漂石量测方法水析沉降法筛析法、水析沉降法筛析法直接测量、筛析法直接测量直接测量中值粒径d50：泥沙粒径累积频率分布曲线上横坐标取值为50%寸所对应的粒径值。干容重（干密度）：将原状泥沙，经过110-105C的温度烘干

4、后，其重量（质量）与原泥沙整体体积的比值。等容粒径：体积与泥沙颗粒相等的球体直径，称为泥沙颗粒的等容粒径（6v/兀）三分之一次方从自然界取得的原状泥沙，经过100到105度的温度烘干后，其质量与原泥沙整体体积的比值称为泥沙的干密度。相应重量的比值称为干容重。容重：单位体积物体的重量。干密度（干容重）主要受以下方面的影响。泥沙粒径对干密度的影响：由大量的泥沙资料可知，泥沙的中值粒径越小，越不均匀，其干容重越小，而变化幅度越大，反之组成越均匀，粒径越大的泥沙沉积下来的干容重较大，很接近其极限值，随时间变化幅度较小。 泥沙淤积厚度对干容重的影响：泥沙淤积物埋深越深，压实越明显，干容重也越大。泥沙淤积

5、历时对干容重的影响：一般来说，泥沙干密度随淤积历时的增加而趋于一个稳定值。泥沙组成越均匀，粒径越大，其稳定后的最终干密度与初始干密度（干容重）越接近，而泥沙组成越不均匀，粒径越小，其趋于稳定的时间越长，最终干容重与初始干容重相差甚远。另外，还有其他因素，泥沙是否有机会暴露在空气中，排水情况如何，细颗粒的化学成分如何等均与干密度有一定的影响。水下休止角：在静水中泥沙，由于颗粒之间的摩擦作用，可以堆积成一定角度的稳定倾斜面而不塌落，倾斜面与水平面的夹角。泥沙沉降速度：是指单颗泥沙在足够大的静止清水中等速下沉时的速度，简称沉速。由于泥沙颗粒越粗，泥沙愈大，因此又被称为水力粗度。Re=wd/v,<

6、;0.5，滞性状态；=0.5-1000，过渡状态;>1000,紊动状态。影响泥沙沉降速度因素有，颗粒形状，边壁条件，含沙浓度，紊动，絮凝等絮凝对泥沙颗粒沉速的影响？P37泥沙颗粒越细，其表面积越大，当泥沙粒径d<0.01mm时，颗粒表面的物理化学作用可使颗粒之间差生微观结构，随着这种细颗粒泥沙含量的增加，相邻的若干带有吸附水膜的细颗粒彼此连接在一起形成絮团，这种现象称为絮凝现象。当含有一定浓度的细颗粒泥沙在水中下沉时，由丁絮凝作用，不再是单颗下沉,而是形成絮团下沉，其沉速将远大丁单颗粒下沉的速度。 在含沙量不大时，徐凝作用是泥沙颗粒聚集成絮团，一相对较大的速度下沉。泥沙愈细，其比表

7、面积愈大，颗粒聚集成絮团的作用愈强，相对丁基本颗粒而言，所形成的絮团愈大。影响絮凝作用的因素包括泥沙颗粒、矿物组成、含沙浓度及水质等。泥沙的起动：在具有一定泥沙组成的床面上，逐渐增加水流强度，直到使床面泥沙由静止转入运动，这种现象称为泥沙的起动，相应的临界水流条件称为泥沙的起动条件。泥沙起动的判别标准： 弱动一一在床面这里或那里有屈指可数的细颗粒泥沙处丁运动状态。 中动一一床面各处有中等大小的颗粒在运动，运动强度已无法计数，但尚未引起床面形态发生变化，也不产生可以感知的输沙量。 普动一一各种大小的泥沙均已投入运动，并持续地普及床面各处。起动拖拽力:泥沙处丁起动状态的床面剪切力，其值等丁单位面积

8、床面上的水体重量在水流方向的分力。临界相对拖拽力9C意义：0c越大，泥沙的可动性越强；9c决定了推移质运动的速度，乂被称为水流强度/剪切强度。1、沙波作为河床表面推移质泥沙运动的主要外在表现形式，直接关系到河床的变形，决定河床的阻力。随水流强度的不断变化，沙波有其产生、发展和消亡的过程。2、沙波的五个发展阶段:沙纹沙垄r过渡、动平整沙浪r急滩与深潭i,耕拌疗uripl'S<d-JR.眼帖"心汁币，*fiff：i'.'J<>iffC沙坡的发展过程:1.沙纹2.沙垄3.过渡、动平整4.沙浪3、希尔兹数=o/(s)d:反映水流促使床沙运动的力和床沙

9、抗拒运动的力的比值。此参数越大，泥沙可动性越强，因而可以作为一个描述床沙由不动到动，由微动到大动的指标。4、沙粒雷诺数ReU*d/:直接反映床沙高度与黏性底层厚度的比值，也可间接衡量水流促使床沙运动的力与黏滞力的比值。5、弗汝德数FrU/顶:对于与水流重力波直接关联的特种沙波具有决定性意义。推移质及推移质输沙率：在河流床面附近以滚动、滑动、跳跃和层移等方式运动的泥沙称为推移质。在一定水流及床沙组成条件下，单位时间通过过流断面的推移质质量，称为推移质输沙率。悬移质：随着水流前进，实际运移速度与水流速度基本相同的泥沙当重力占主导地位时，悬:移质向河底下沉的倾向超过向水面上浮的倾向，水流中的含沙量将

10、逐渐减小，河床随之淤积；当紊动扩散作用占主导地位时，水流中含沙量将逐渐增加，河床随之冲刷。水流挟沙力:指在一定的水流及边界条件下，水流所能挟带的并通过河段下泄的包括推移质和悬移质在内的全部泥沙。1、流域侵蚀是指在内外力共同作用下，流域内地表土层剥离、输移的过程，从而导致流域自然环境的改变如地形起伏变化、水土资源质与量的改变等。2、流域侵蚀根据侵蚀动力分为水力侵蚀、风力侵蚀、重力侵蚀和人为侵蚀四种类型。水力侵蚀过程影响因子：降雨因子、地质地貌因子、土壤特性及组成、植被因子、土壤侵蚀的人为环境因素。程。4、水土保持即防止水土流失，保护、改良与合理利用水土资源，维护和提高土地生产力,以利于充分发挥水

11、土资源的生态效益、经济效益、和社会效益，建立良好的生态环境。悬移质运动时均三维方程：方程中各项的物理意义：方程左边为含沙量变化率；方程右侧前三项为对流项，表示由水流时均流速引起的悬移质对流输移；方程右侧第四项为由泥沙重力作用引起的含沙量变化，称为沉降项；方程右侧后三项为扩散项，表示由水流紊动扩散作用引起的悬移质输移。河床演变:是指在自然情况下及修建整治建筑物后河床发生的冲淤变化过程。引起河床演变的根本原因：河道水流的输沙不平衡的结果。即河床演变是输沙不平衡的直接后果。影响河床演变的主要因素:：河道来水量及其变化过程；河道来沙量、来沙组成及其变化过程；河段的河床形态及地质情况。河相关系：能够自由

12、发展的平原冲积河流的河床，在水流的长期作用下，有可能形成与所在河段具体条件相适应的某种均衡的河床形态，这种均衡形态的有关因子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,这种函数关系称为河相关系或均衡关系。河相系数根据鲁什科夫(1924)提出的计算公式:h式中为河相系数，对于砾石河床取1.4，一般沙质河床取2.75，极易冲刷的细沙河床取5.5。w为平滩水位时的水面宽度，h为对应平滩水位的平均水深的确定方法。造床流量：是指其造床作用与多年流量过程的综合造床作用相当的某种流量。平原河流在平面上具有顺直、弯曲、分汉、散乱等四种外形。确定造床流量的方法：马卡维也夫法：平滩水位法

13、；保证率法。河段的河谷比降；自然裁弯：蜿蜒型河段的发展由于某些原因（例如河岸土壤抗冲能力较差），使同一岸两个弯道的弯顶崩退，形成急剧河环和狭颈。狭颈的起止点相距很近，而水位差较大，如遇水流漫滩，在比降陡流速大的情况下便可将狭颈冲开，分泄一部分水流而形成新河。这一现象称为自然裁弯。撇弯：当河弯发展成曲率半径很小的急弯后，退到较大的洪水，水流弯曲半径远大于河弯曲率半径，这时在主流带与凹岸急弯之间产生回流。使原凹岸急弯淤积。这种突变称为撇弯切）难：河弯曲率半径适中，而凸岸边滩延展较宽且较低时，遇到较大的洪水，水流弯曲半径大于河岸的曲率半径较多，这时凸岸边滩被水流切割而形成串沟，分泄一部分流量，这种突

14、变称为切滩顺直型河段是一种最简单最基本的河段有其独特的演变规律:形态特性：从平面看，这种河段的河身比较顺直，河槽两侧分布有犬牙交错的边滩和深槽，上下深槽之间存在较短的过渡段，常称浅滩。顺直型河段深泓线纵剖面特性与蜿蜒型河段相似，沿程起伏相间，但变幅较小。顺直型河段的河相系数变化范围大，但对同一河流则变化较小。边滩的大小与河道的尺度相关。大尺度的河道，其边滩尺度也大，反之则小。 水流特性：顺直型河道由于存在深槽和浅滩，低水位时，浅滩段水深小，比降陡，而流速较大；河槽段则水深大，比降小，故流速较小。随着流量的增加，浅滩和深槽的水流也随之发生相应的变化。输沙特性：从横向分布看，边滩推移质输沙率远大于

15、深槽的；从纵向上看，边滩中部的输沙率大于滩头和滩尾的，而深槽则相反，中部输沙率小于深槽头部和尾部的，这样的输移规律是与流速场相应的。 演变规律：顺直型河段演变的最主要特征是相互交错的边滩向下游移动，与此相应，深槽和浅滩也同步向下游移动。至于流量变化对演变的影响，根据水流随流量变化的特点，枯水期浅滩冲刷，深槽淤积，洪水期则浅滩淤积，深槽冲刷。顺直型河段的演变，除体现在边滩下移外，根据河岸土质情况，还可能呈现出周期性展宽现象。蜿蜒型河段演变规律：形态特性：从平面上看，蜿蜒型河段是由一系列正反相间的弯道和介乎其间的过渡段衔接而成的。从横断面看，弯道段呈不对称三角形，凹岸一侧坡陡水深，凸岸一侧坡缓水浅

16、，过渡段基本上呈对称的抛物线或梯形。由弯道段至过渡段断面形态沿程是逐渐变化的。从纵剖面看，其深泓线是沿程起伏相同的，弯道段高程较低，而过渡段则较高。 水流特性：蜿蜒型河段的水流运动受离心惯性力的作用，凹岸一侧的水位恒高于凸岸一侧，这一力学现象决定了弯道水流结构的特点。输沙特'性：由环流横向输沙的基本图形可知，由于上下部的输沙率不等，横向输沙总是不平衡的。泥沙的横向净输移量总是朝向环流下部所指的方向，亦即凸岸方向。洪水期弯道段的水流挟沙力大于过渡段的水流挟沙力，引起弯道段冲刷过渡段淤积，而枯水期则相反。 演变规律：蜿蜒型河段的演变现象，按其缓急轻重程度，可分为两种情况：一种是经常发生的一

17、般演变，另一种是在特殊条件下发生的突变。1) 一般演变：平面变化：蜿蜒曲折的程度不断加剧，河长增加，曲折系数加大。横向变化：表现为凹岸崩退，凸岸淤长。纵向变化：弯道段洪水期冲刷而枯水期淤积，过渡段则相反。2) 突变：包括自然裁弯，撇弯和切滩等类型。游荡型河段演变规律：形态特性，平面形态看，河身比较顺直，往往宽窄相间，类视藕节状，河段内河床宽浅，洲摊密布，岔道交织。水流特性：因河床宽浅，平均水深很小。水文特性表现为暴涨暴落，年内流量变化大。输沙特性：含沙量大，而且同流量下含沙量变化很大，流量与含沙量关系不明显。同意流量，因上站含沙量的不同，其输沙率相差很大，出现多来多排，少来少排现象。演变规律：

18、冲淤变化，汛期主槽冲刷，滩地淤积。非汛期，主槽淤积，滩地坍塌。从长时间看，表现为主槽淤积抬高，而滩地持续抬高。平面变化上，主流摆动不定，主槽位置也摆动，摆幅相当大导致河势变化剧烈！分汉型河段演变规律：形态特性：a横断面特性：分汉型河段的横断面，在分流区和汇流区均呈中间部位凸起的马鞍形，分汉段则为江心洲分隔的复式断面；b纵剖面特性：分汉型河段的纵剖面，从宏观看，呈两端低中间高的上凸形态，而几个连续相间的单一段和分汉段，则呈起伏相间的形态，与蜿蜒型河段的过渡段和弯道段的纵剖面有相似之处；c从局部看，分流区至汉道入口，自分流点开始，两侧深泓线先为逆披而后转为顺坡，呈马鞍状；d汉道出口至汇流区，两侧的深泓线呈顺披下降，支汉一侧的费按常陡于主汉一侧的。就支汉一例进、出口两个陡坡而m言，出口的顺披更陡于进口的逆坡&QQmSm水流特性：S就磕高水下移，低水上提；分流区的水位，支汉一侧总高于