讲义《河流动力学》大学教材课件床面形态与水流阻力

第三章床面形态与水流阻力序言﹡冲击河流的床面形态是其流动边界可动性所引起的特有现象。（边界可动性的控制因素：水流的水动力学条件和泥沙颗粒自身的运动特性）这种情况下，河床的床面不是固体平面壁而是由松散颗粒组成。床面形态与河流的流动结构、水流阻力、泥沙输运等问题有密切的内在联系。§3-1床面形态与水流条件、泥沙特性的关系﹡理论上建立床面形态发展变化的方程式尚未完善，对其研究主要从试验、观测手段入手。﹡在冲击河流中，从平面形态上看，有时出现二维的床面形态，可以是垂直于水流方向，如图3-2顺直沙纹；也可以是平行于水流方向的沙脊，如图3-3所示。§3-1床面形态与水流条件、泥沙特性的关系§3-1床面形态与水流条件、泥沙特性的关系§3-1床面形态与水流条件、泥沙特性的关系一、水流流态与动床床面形态断面比能ES随水深的变化与流态有直接联系，用Froude表达。明渠水流有三种流态：缓流、临界流、急流。§3-1床面形态与水流条件、泥沙特性的关系二、动床床面形态分类

1.低能态流区

沙纹、沙垄

2.过渡区

平整床面从沙垄到逆行沙垄的过渡

3.高能态流区

平整床面；逆行沙垄；急滩与深潭§3-1床面形态与水流条件、泥沙特性的关系说明：床面形态一方面与水流的流态有密切关系，另一方面取决于床沙的物理性质，特别是其粒径。

床面形态的出现与推移质泥沙的输运过程密切相关，可以说是泥沙输运的表现形式。

冲击河流床面形态的分类与特性表如下：床面形态形状尺寸运动特征成因沙纹迎水面长而直；背水面短而陡波高0.5~2cm波长1~15cm泥沙粒径<0.6mm迎水面冲刷；背水面淤积，向下游运动的速度<水流流速近壁流层的不稳定性沙垄与沙纹相似波长数百米至千米波高1~3m迎水面冲刷；背水面淤积，向下游运动的速度<<水流流速水流的大尺度紊动结构平整床面平整“动平床”Fr在0.84~1.0之间水流强度的加大逆行沙垄接近正弦曲线最小波长2πU2/g迎水面淤积；背水面冲刷，泥沙向下游运动床面形态向上游运动时均水流的特性急滩与深潭极为陡峻的河流如山区河流中发生§3-1床面形态与水流条件、泥沙特性的关系三、沙波

1、概念

非平整状况下沙质河床的床面形态统称为沙波。从实际观察得知：凡是推移质运动达到一定规模的处所，河床表面便形成起伏的沙波（沙浪）。§3-1床面形态与水流条件、泥沙特性的关系

沙波运动——泥沙颗粒除了推移质、悬移质的运动形式以外，在河床表面还作各种不同形式的集体运动。包括泥颗在床面因不同水流强度构成不同阶段的群集运动（如：沙纹、沙垄、动平整、急滩等）。水槽中可复演每一阶段，但在天然河流中只包括了上述其中一部分。§3-1床面形态与水流条件、泥沙特性的关系

就同一地段来说，因不同季节有不同水流条件，故出现不同阶段的发展，表现为床面上不同的微地形形态，异于一级大地形（如：沙洲、边滩、心滩、沙咀等）。

注意：沙波的发展各阶段只属于河床周界过程边壁的粗糙性质方面，与大地形的属于河床演变的重要内容有较大区别。§3-1床面形态与水流条件、泥沙特性的关系2、形状﹤从平面角度看﹥

①带状沙波：波峰基本呈平行直线，与流向垂直或略斜交，仅限于沙波形成初期

②蛇状沙波：波峰为不规则曲线，大致与流向垂直，常见。§3-1床面形态与水流条件、泥沙特性的关系2、形状﹤从平面角度看﹥

③舌状沙波：与④相似，波峰凸向于下游。

④堆状沙波（新月形沙波）：波长（波宽）基本相等，排列整齐，似鱼鳞状，波峰多凸向于上游，常见。§3-1床面形态与水流条件、泥沙特性的关系3、“产生与消亡”说

⑴多种“产生”说

①水深较小的明渠，其产生与水面波相联系（不圆满）；

②河床组成的不均匀性与水流的不稳定性（脉动）的综合结果（不完整）。§3-1床面形态与水流条件、泥沙特性的关系3、“产生与消亡”说

⑴多种“产生”说

③系两种不同流体作相对运动时，交界面上的不稳定性造成的。（在推移质运动有一定规模的情况下，河床表面可视为两种不同流体的交界面）第三种在现阶段可采取，但仍未彻底解决。§3-你1床面探形态真与水缸流条令件、玩泥沙默特性纠的关壳系⑵芬“消亡端”说在沙装波开叠始形竖成时扮，波培长较牌长，湖波高绢较小李。随Fr增大扣，波舅长减灰小，徒水深距增大姜，若Fr增大翁到一偏定数瓜值，怖沙波扇趋向砖于消崭灭，伙此时割河床燥上已恩无大算量推怠移质垄存在挽。当Fr较大影时，泛以沙兔波形召成出趴现的偶推移穷质变辽成悬狸移质晌，即眉水流肥所携谨带的悲泥沙处已达粪到充分夜悬浮状态跃。§3-幻玉1床面旬形态过与水傲流条夏件、锋泥沙筐特性丢的关致系4、对逝河流笋的影打响﹤贴直接胡深刻侨﹥①是推残移质杏运动席的主闲要方亏式。（维推移旁质运阴动到钩一定勺规模狼之处乡丰形成门沙波纯）②沙波沉的消闹长对羞河流馅的阻拼力损投失有其很大止影响虑。（对府糙律尝系数魔的影愁响远递大于梢河床录组成郑的粒类径之闭影响潜）③沙波庄的消演长对矩航道习水深荐有影究响（较夜大沙烧波经鲜过浅灾滩滩蚕脊时葵，为讨航行班带来久一定正困难晓）§3-淘1床面花形态捷与水窜流条猪件、鲜泥沙蛮特性裁的关工系四、花床面沸形态昌各阶希段的以特征1、静平怕整：在平蒜整河售床上仓（泥员质的傲），水流膀速度休小于限沙粒摧的起煮动流针速的情愈况下愉，床堤底保具持平盖静。§3-税1床面翅形态揭与水今流条历件、礼泥沙丛特性泛的关军系2、沙纹⑴产生彩：当υ水>υ沙，床去面泥董沙开越始运趋动。只要肺泥沙卧存在颗持续驾的运信动，陈河段法内必而然在扯某些旷地方禁产生抢淤积耍，另彼一地壳方产罪生冲剥刷（括即表饱现在巴河床亿就会满有起启伏）横。在水瞒流不量变的贴条件凶下，薪床面端高低狂起伏饶渐渐掀显得茂有规争律。§3-忍1床面妙形态逝与水舒流条阁件、妈泥沙捡特性吓的关病系2、沙纹⑵主要让特点咐：大小举与水镰流尺接度无存关①尺寸溜：大江亩大河隙的滩拖地面模出现移与小娃河滩田出现稼的沙动纹，暗尺寸欺大小锡差不倒多。λ：30古~5陈0c蔑m共Δh：3~懂4c胡m§3-退1床面档形态括与水籍流条醒件、甩泥沙势特性腰的关恐系2、沙纹②形状：纵剖抹面外房诚形不炼对称狭，迎水习坡长写而平刻缓，四背水座坡短伟而陡，其虾坡度用近似察等于悟沙粒尺的水丘下休爪止角凶的正孩切。§3-国1床面纽奉形态哪与水勺流条苹件、间泥沙蜓特性防的关亏系2、沙纹③平面洗形态讨：较有也规则基，大致堂波峰拉线与绢水流害垂直，有魄的波雀峰线剪排列联平行何或呈吩鱼鳞规状，殊但总律有一寒定规低律性夸。§3-糊1床面叛形态层与水询流条兆件、澡泥沙脚特性荒的关渣系2、沙纹④运动垦特性：“徐迎冲灶背淤希”沙纹谷形成祝后，骑流线怒在波安峰处停产生达分离谨，背末水坡漆形成课一个茫横向灵漩涡建，产程生了票形状办阻力桨使流超速减常小，肌泥沙武在此疤沉积帽。由缝于冲歪刷和炭堆积鞋交替鹅出现为，使帐沙纹啊沿水胸流方扔向缓陆慢移隆动，紫并且东保持蜓形态唱基本缸不变往。Fr到=0凑.1渣5~参0.布3§3-铅1床面粱形态特与水昨流条提件、者泥沙厉特性怒的关婶系3、沙垄﹤随骗水流谁流速↑，沙夸纹→沙垄龙﹥⑴尺寸居：与水巾流尺县度有悼关，骗其大工小可独以相厉差悬冠殊河型熔不同吴，沙骆垄尺沈寸也泊异。代表荷性河倦流的由沙垄技尺寸河名Δh（m）λ（m）u（m/天）伏尔加0.7~1.520~400.4密西西比2~4100~1457~12长江（南京段）0.9~4.840~4573.5~13黄河（花园口）0.5~250~130090~120§3-代1床面寇形态伏与水裕流条艘件、否泥沙啄特性棚的关催系3、沙垄⑵形状杀：带状（弯嘴道凸损岸）新月洋形（宽霜浅河胞槽）犬牙峡交错万形（周情期性杂展宽抄河床弄）§3-稠1床面膏形态袄与水较流条糠件、贵泥沙盗特性屋的关猪系3、沙垄⑶运动锡特点罩：“迎嫩冲背深淤”水流裹流速云分布妙不均错匀，凳在迎济水坡υ↑，波颠峰处橡达最因大值跃，越简过后υ↓，产谢生分顶离，裹波谷浴处形织成横么向漩都涡（分其强豆度较好沙纹阳大）增，υ出现柱反向涝（负王值）香。Fr抽=0台.5驶~0储.8§3-育1床面修形态评与水代流条叔件、眯泥沙佳特性习的关怜系3、沙垄⑶运动矿特点健：“迎责冲背框淤”沉积棵物具林有明民显的卵分选性性：较挨粗颗晃粒因准自重户沉积猜于谷寺底，冒次粗怨的随部漩涡据上移蝴落在往背水惧坡斜壁面上伯，较认细的市停留健在顶炒部或滋成为庸悬移旦质或鱼随漩担涡流晨带入荣下一京个沙嗓垄。§3-闷1床面帽形态想与水学流条绍件、点泥沙睁特性怪的关丑系3、沙垄⑷研究达意义在河幼床地线貌中偿可单墓独成汗为一蠢个形供态单悼元，愤具有装自身岂的形说成机抬理和瓣相应钩的沉清积物羽特征鼓。可翠借助元于此营恢复堂历史急时期驴河道谎的外粗形、自平面内位置戒，对膨分析滨河床螺的演匹变有扎重要栏意义顿。§3-宋1床面束形态颤与水降流条楼件、逼泥沙丑特性番的关扔系4、过渡~动平普整：水流υ↑，沙棋垄发念展到他最后境也要挨走向道消亡。波峰椒处水垮流把捞较多除的泥沫沙悬悬浮起惰来成辉为悬猴移质蜜，峰帽顶后呆的漩渗涡区兽所占殊的空往间位肚置、兵范围姿也扩全大。句此时盯进入堪漩涡振区的惠泥沙蒸落在衫沙谷砖下淤贫地段例，久翻而久佛之沙使谷、悟沙峰眠逐渐消夷平垄。最厅后出姓现床面愉平坦个而泥忧沙群内集移挤动的胸现象户。§3-支1床面挣形态宽与水须流条姑件、歪泥沙禾特性靠的关培系5、逆行独沙垄⑴产生怒：υ↑至Fr＞1时，忍床面差再次弯产生半起伏芦。多见喝于水骑浅流桥急处舍。§3-侦1床面思形态奇与水拉流条啦件、著泥沙多特性放的关光系5、逆行撑沙垄⑵水流灯特点窝：“迎蔑淤背均冲”在迎蒙水坡蓬挟带温不了寄的泥包沙堆房诚积下跌来，覆而在封背水雪坡水归流顺橡坡而陪下，讨可担辞负更偏多的抱负荷湾量，聚水流妄挟沙界能力↑，致咬使沙锡波的油波峰轨逆水势流移换动。§3-流1床面辱形态呈与水络流条触件、遍泥沙姜特性疤的关液系6、急滩召和深播潭（平别原河驴流中络少见樱）⑴产生卵：υ↑沙波白进一诉步发栏育，直水面完波开胞始破迷碎，轨靠近小河底强的流间速在色一刹剪那→0，一雪部分被水体尾因υ突然↓，在心沙波掘消失探时，为水体候突然逮下泄坊促进另下一疼河段勿沙波充消失想。当υ持续↑时床桃面起给伏变服得与扣山区御河流考一样锐。§3-蜡1床面呆形态过与水富流条绝件、姨泥沙韵特性爽的关脚系6、急滩蹄和深醉潭（平岭原河于流中芬少见糠）⑵水流汇特点蔑：急滩服：急似流，腥利于旋冲刷之；深潭开：缓比流，帐利于袭淤积尖。§3-拦2床面舅形态心的判暴别准渣则及锈特性列研究一、沙波笛运动货的判欧别参据数：根据洋水流四作用捆在床差面上灰的剪演切应巾力与兰床沙底水下威重力豆的比搁值推详导而仙得出Sh枯ie愉ld但s数。§3-捐2床面洗形态剑的判班别准萍则及裁特性陈研究一、沙波袜运动佩的判卡别参梁数：Θ愈大纸，泥裹沙的麻可动脊性愈茶强，房诚可作争为床码沙运牵动状筒况的宽一个强重要桶指标励。Sh婆ie奖ld感s数决长定了术推移理质运朗动的果强度号，因欺此又绞被称回为水流增强度售、剪掩切强青度等。§3-故2床面猫形态谱的判屑别准越则及裙特性扁研究二、荐低水警流能耀态区毕的判倘别：平整—沙纹—沙垄马区泥沙心颗粒饼超过矛某一黎粒径剥不会游形成亚沙纹若。由实心验知Re﹡＞11竹.7即泥午沙粒销径超法过粘射性底屯层的露厚度乖，床辜面不沫再是膊水力滔光滑欺之后宫，就齐不再级形成胸沙纹皆。一炒般来箱说，泥沙复粒径慎超过0.渠6m怒m后，依将由职平整夜床面击直接弱过渡垂到沙仅垄。§3-宾2床面嘱形态捏的判组别准村则及惜特性园研究三、抚高水残流能谈态区宅的判怨别：沙垄—平整饿（过情渡区让）—逆行斧沙垄低区§3-挡3水流颗阻力搜和断世面平剂均流喜速一、扑水流干阻力阻力热问题奴即水位/流量关系拖问题岔。同率一Q、J下，典阻力输越大阿，U越小驼，故赵水深辈越大胖，水铸位越解高；家反之提亦然铸。§3-扒3水流面阻力技和断派面平居均流回速一、针水流爬阻力1、产府生人工堡：固物壁的笋摩擦恐力；天然外：还陵包括聚边界斩、床皇面形栽态引壁起的射形态阻蛙力及由水流系推动脂推移要质、喘消耗能量夫产生姨的阻袖力。§3-驶3水流明阻力思和断娇面平让均流策速2、影代响河瓜床阻炭力的坚主要娱因素苗：①河槽怖的沿反程阻娃力取决雾于河不床表苦面状宫况（主床沙筹组成梯及床昆面形猴态）此、岸抚壁状掠况及链水温洗变化己引起压的阻叶力变吨化等混。特友殊情暂况下改还要功分析桑冰棱适作用效、险蹦工作筋用对婶综合贴阻力歉的影及响。②河势脚或边萍界突横变引迟起的简局部浴阻力§3-诵3水流提阻力竹和断滔面平鱼均流滚速3、动老床条德件下逼水流礼阻力跳的分角解①推动倘泥沙傲颗粒页运动弓的力②床面挥形态愁引起升的压倚差阻面力阻力份由不蛛同原棚因引绵起，肝对总拾阻力值的划慰分、怠分解琴，有燃助于贿更准出确、痰严格柴地对选各阻疾力成佳分进浙行分萍析、仆表达著和计弊算。§3-铸3水流堂阻力瘦和断悉面平阔均流亭速4、冲毕击河私流阻寇力的秆分类菌：⑴沿程粘阻力①河底城的床谜面阻喉力（be碍d披re排si谋st唤an沿ce）a)沙粒枪阻力（gr践ai控n诵re债si休st浸an挂ce）泥颗丧粗糙烦度对锯水流棚产生齿的表梯面阻随力。b)沙波幕阻力（fo熟rm晶d遵ra猜g/冷lo筐ss）沙波馆背水筋坡的疯分离圾漩涡兵导致途的迎计水坡状和背权水坡恒的压惰力差镰。§3-军3水流澡阻力剖和断待面平升均流召速⑴沿程航阻力②河岸酿、边县壁阻益力（wa轨ll魔r债es性is卧ta扑nc相e）因河始岸（句滩地成）、彩植被桐、护浪坡等撑产生遥的水目流阻浙力。§3-涉3水流毙阻力尾和断笼面平趟均流校速⑵局部牧阻力①河道捷形态越阻力长：如辱主流扭线的笔摆动肯、河动弯河刮谷的辽突然稀扩宽塞等导优致的仇水流荷附加根阻力挑。②工程邮附加鼻阻力骆（导泊流堤纽奉、护竹岸、色码头光、桥驱渡等种）或测源于术个别娇特大正粗糙丘的阻叙力（欠孤石糕、小拿岛、叔潜滩亮等）揪。§3-遗3水流求阻力源和断漠面平珠均流如速5、床支面形新态与面阻力椒损失横的关听系（扬几个宪阶段啦）⑴增加聪段：在低喝水流爪能态缺下（Fr＜1），塞随水界流强吼度由砍弱变桑强，扣泥沙浅输运闹从无雅到有牵，床叉面从阵平整避开始疾，出掏现沙石纹、剑再发语展成职沙垄惰，阻力磁系数威越来掀越大，n可增挥大一尸倍左李右。§3-枝3水流烤阻力蒜和断怜面平欲均流格速⑵跌落志段：当水斯流强进度↑，由绘低水翼流能岔态转蚕化为律高水穴流能尿态（Fr≈1）时坊，床测面出饼现动平富整。此坑时输否沙率遍继续认增大能，因亩沙垄炒夷平碰，流索动阻课力反网而跌占到最猎低点突，n→最小搞值。§3-甜3水流乏阻力逮和断另面平利均流棚速⑶再增泊加：随水累流强牛度继换续增极加，弱达到炭急流丧流态皇之后互（Fr＞1），n又缓岭慢↑。§3-疫3水流芽阻力蹦和断示面平再均流估速二、棉断面印平均棍流速U的常翼用公魔式1、Ch庭ez轨y公式2、Ma踏nn吵in汁g公式3、Da船rc宪y-使We你is鼻ba咬ch公式§3-盆4综合跃糙率俘的计民算﹡出综华合糙解率n是河艳道水春流阻多力的台一种捎量度呈。对欣于河粥床类忙型为么砾石信、卵梅石、午卵石把夹砂径的河石道，央可忽配略床辉面沙示波的筛消长即对阻唉力的奖影响锈。此加时水常位流它量关责系可眠沿用Ma色nn淋in献g公式弟，即用边饶界糙兴率n代表妹沿程要阻力准。但考终虑n时，必须副把边绒界中钥的河础岸和越床面利区分蒜开来递计算去，然泊后再中组合艺为综振合糙含率。§3-简4综合梦糙率碧的计械算一、由综合叉糙率据阻侄力迭志加原盾理，免河床剪总湿术周上麻的阻裁力包胶括河计岸、槽河底叛两部寇分，案计算孙式如炕下：τ0P=τwPw+τbPbτ0=γ堤RJ其中懒计算τw和τb的表虹达方会法有新两种耽：§3-裁4综合纺糙率你的计信算1、水哪力半晃径分佳割法吐﹤Ei杂ns碧te狸in﹥公式练（1）河岸nw凭经位验确炕定式中河底声（蠢张友文龄式晨）§3-段4综合茫糙率做的计竭算适用：假开设一笛段边津界上待产生巴的紊庭动只哈能影疑响附粥近的协水流烘而非乌传播赤到全莫断面氧，即烛无贯泰穿整夫个断晃面的僵大尺窑度紊损动。瓶对于黎河道付边界钳粗糙刚突起酒不太财大或独平原忠宽浅竿河流厉、岸律壁区赤、河柏床区剖水流页速度蹄相同次的水颤流，据假设棍合理柴。提问树：公斥式如吉何推旬导而拆来？§3-赛4综合声糙率镇的计畅算2、能零坡分筝割法缝﹤棍姜国都干﹥公式讲（2）对比天两公鸟式得碑知：滨其他凡条件飘相同宾的情裹况下勺，公魂式（2）突法出了珠较大暴的粗清糙所肺产生槽的紊匙动对俗阻力乐的影醋响。§3-挥4综合夹糙率零的计苹算二、拉综合灾糙率苗系数潮的处椒理方翻法无论碧用水脊力半覆径分糠割法皂还是段能坡脊分割绒法，标只要绳设U=势Uw=Ub,即可谢得综后合的Da阵rc效y-稻We习is谣ba脱ch阻力亭系数粗表达毁式：相应荷于N组断右面分鼓区的灿情况贼，可冷得：§3-棵5沙粒袄阻力扩和沙求波阻灾力一、漆概念1、沙粒装阻力动床进条件莫下，紧起源得于可姐动边烘界上田的颗扯粒粗估糙和巩肤面于摩擦略的阻厉力。它直坏接与锁推移致质颗雨粒运斜动、非沙波遣消长阴有关塘，是渔水流煌与颗钟粒本业身直担接作潮用的缘瑞结果杆。§3-墓5沙粒得阻力沿和沙惠波阻穗力一、脆概念2、沙波德阻力又称羽形态池阻力鉴或压殃差阻箱力，昌起因吊于沙或波背厅水面寺流动脾边界怪层的醒分离看，对默应较效大尺旧度的招紊动拥（与氏沙波控的尺鞭度相剩仿）签。§3-戴5沙粒没阻力股和沙稍波阻乒力二、吴计算朽方法在水阀流作扬用于查床面收的全府部剪锈切力τ0中，聚只有连一部汗分τb′直接咸作用咏于颗吸粒上骡，引渡发