河流動力學章節(jié)總結(jié)

1、緒論1、河流動力學的概念：河流動力學是研究沖擊河流在自然狀態(tài)下以及受人工建筑物影響以后所發(fā)生 的變化和發(fā)展規(guī)律的一門科學。河流變化是水流與河床相互作用的結(jié)果：水流是動力條件，河床是邊界條件；通過泥沙交換來相互 作用。本課研究內(nèi)容：水流結(jié)構，泥沙運動，河床演變及預測。謝才公式p= 6河曼寧公式對數(shù)流速垂線分布摩阻流速u*=（gHJ）0.5第一章泥沙特性1泥沙的基本特性：幾何特性，重力特性，水力特性2等容粒徑：體積與泥沙顆粒相等的球體的直徑（詳見p5）算術平均值，幾何平均值3泥沙的孔隙率：泥沙中孔隙的容積占沙樣總?cè)莘e的百分比成為孔隙率4泥沙孔隙率的影響因素：泥沙孔隙率因沙粒大小及均勻度，沙粒的形狀

2、，沉積的情況及沉積后受力 及歷時長短5比表面面積：顆粒表面及與體積之比。表達式：6/D詳見p86沙粒的干容重與干密度：經(jīng)過100105度烘干后的沙樣質(zhì)量與為烘干前原樣沙體積比（概念，影 響因素及規(guī)律詳見p1011）影響因素：泥沙顆粒大小，組成均勻程度，淤積深度，淤積歷時，泥沙 的化學成分，淤積環(huán)境及水文條件等。7干容重的影響因素：1）泥沙粒徑2）泥沙淤積厚度3）淤積歷時8泥沙沉速：單顆粒泥沙在無大靜止清水體中勻速下沉時的速度稱為泥沙的沉降速度9影響沉速的因素：繞流狀態(tài)，泥沙形狀，水質(zhì)，含沙量等其重量（或質(zhì)量）與原狀沙樣整個體積之比，稱為泥沙的干重度（或密度）。干容重影響因素：1泥沙粒徑（粒徑粗

3、，干容重大，變化范圍?。?泥沙淤積厚度（淤積厚度越深， 干容重越大）3淤積歷時。沉速：單顆粒泥沙在無限大靜止清水水體中勻速下沉時的速度。水體繞流狀態(tài)與沙粒雷諾數(shù)RD有關，Rd= wD/v，D為粒徑，w為沉速，v為水的運動粘滯系數(shù)。當R0.5時，繞流狀態(tài)屬層流，顆粒沿鉛垂線下沉；當0.5R1000，紊流螺旋形軌跡下沉。沉速影響因素：1泥沙形狀（越接近球體，阻力越?。?水質(zhì)（即絮凝影響因素）3含沙量干容重：烘干后土的重量除以未經(jīng)擾動的土體體積。影響因素：粒徑，淤積深度，淤積歷時1、單顆粒泥沙粒徑：等容粒徑，體積與泥沙顆粒相等的球體的直徑：算術平均值幾何平均值2、群體泥沙特征粒徑：粒配曲線，中值粒徑

4、，表示大于和小于該粒徑的泥沙重量占沙樣總重量的50%；平均粒徑，沙樣內(nèi)各泥沙粒徑 組的加權平均值，分組，組內(nèi)平均粒徑，百分數(shù)。求和/總百分數(shù) 近似關系： 均方差分選系數(shù)，為1時沙樣均勻3、細顆粒泥沙物化特征電化學性質(zhì)：比表面積，顆粒表面積與體積之比，物化作用/重力作用，細顆粒泥沙比表面積。 雙電層結(jié)構：細顆粒泥沙在含有電解質(zhì)的水中，由于靜電吸引作用，在顆粒 周圍形成吸附層和擴散層。表面離子層+吸附層+擴散層二雙電層結(jié)構。雙電層外為中性水 束縛水= 粘結(jié)水+粘滯水，不能傳遞靜水壓力 絮凝現(xiàn)象：分子引力相互吸引，同號電荷相互排斥。分散的顆 粒相互吸引，聚合成結(jié)構疏松、類似棉花團的較大團?；驁F塊，成

5、為絮團。細顆粒泥沙在靜電引力和 分子引力作用下彼此聚合的過程叫做絮凝。壓密過程：在自重或外力作用下，絮團結(jié)構破壞，并逐漸壓實。淤泥，粒徑小于0.03mm的泥沙，可固結(jié)多年4、泥沙沉降力學分析：沉速：單顆粒泥沙在無限大靜止清水水體中勻速下沉的速度。與泥沙粗細有 關，故其繞流阻力和運動狀態(tài)不同。使用沉速公式判別流動狀態(tài)，R=wD/v沉速，粒徑，運動粘滯系 數(shù)5、 球體沉降力學分析：有效重力、繞流阻力平衡，斯托克斯公式層 紊6、張瑞瑾公式：粒徑大，粘滯阻力小，粒徑小，紊動阻力小。常溫下，D4mm常溫下，D5）進入懸浮狀態(tài)（z5）的臨界判斷值。勞斯方程適用條件：泥沙顆粒較細、含沙濃度不大，通常的沖積平

6、原河流正是屬于這種挾沙情況， 擴散理論適用。懸移質(zhì)輸沙率：指一定的水流與河床組成條件下，水流在單位時間內(nèi)所能挾帶并通過河段下瀉的懸 移質(zhì)中床沙質(zhì)泥沙的數(shù)量。9.S,叫水流挾沙力，飽和含沙量或臨界含沙量：是一定水流與泥沙條件下，河流處于不沖不淤臨界 狀態(tài)時，單位水體所能挾帶的懸移質(zhì)中床沙質(zhì)數(shù)量的平均值。影響挾沙力S因素：水力半徑R、床沙質(zhì)沉速w、斷面平均流速U，無因次數(shù)，U3/gRw代表紊動擴 散作用與重力作用的對比關系。總輸沙率：在一定水流與河床條件下，單位時間內(nèi)能夠通過河段下泄的沙量。床沙質(zhì)總輸沙率：推移質(zhì)與懸移質(zhì)中床沙質(zhì)輸沙率之和。全沙總輸沙率：推移質(zhì)輸沙率與全部懸移質(zhì)包括沖瀉質(zhì)在內(nèi)的輸沙

7、率之和。床沙質(zhì)與沖瀉質(zhì)：為何區(qū)分：一定水流及河床組成條件，不沖不淤，床沙質(zhì)數(shù)量由水流及床沙條件確 定，沖瀉質(zhì)次飽和，與河床演變無明確關系，與水流條件關系紊亂，研究河床演變時常將其排除。按 照相對于床沙組成的粗細及來源不同；床沙質(zhì)：懸移質(zhì)中較粗部分及推移質(zhì)的大部分，來自相鄰上游 河段或本河段，與河床有交換。沖瀉質(zhì)（懸移質(zhì)大部分，推移質(zhì)小部分）與河床沒有交換，來自上游 流域沖刷，次飽和狀態(tài)。懸移質(zhì)泥沙的紊動擴散理論：含沙量分布上稀下濃，分布不均，重力使得下沉，淤積作用明顯；擴散 使其懸浮，沖刷增強；懸沙垂線分布（勞斯）：擴散方程，可求相對含沙量懸浮指數(shù)，反映重力與紊動之間的對比。研究含沙量垂線分布

8、要用到z；顆粒細，重力作用小，Z小， 紊動強，分布均勻，z=5為懸浮臨界判別值。公式結(jié)構正確，z大時，實測值小于理論值。由實測值反推z，可發(fā)現(xiàn)，實際分布更均勻。沒有考慮顆粒對水團作用，懸浮對水流影響，泥沙擴散與動量擴散的區(qū)別，顆粒間相互碰撞適用：泥沙顆粒較細，含沙濃度不大，沖積平原河流重力理論適用：托起泥沙做功（懸浮功）+阻力損失=水流提供的能量，考慮了水流對泥沙垂向運動速 度的影響；懸浮功所消耗的是紊動動能，并非機械能。適用性：適用于粗顆粒泥沙，含沙量大，山區(qū)河流水流攜沙能力概念及影響因素S*水流攜沙力、飽和含沙量、臨界含沙量：一定水流與泥沙條件下，河流處于不沖不淤狀態(tài)，單位水 體所能攜帶的

9、懸移質(zhì)中床沙質(zhì)數(shù)量的平均值，kg/m3，N、m3不平衡輸沙概念：挾沙水流的含沙量大于或小于其平衡挾沙能力時的輸沙狀態(tài)第四章 異重流1密度差異導致異重流2異重流概念：異重流是指兩種密度相差不大，可以相混的流體，在條件適宜時因密度差異而產(chǎn)生的 相對運動，在運動過程中，各層流體能基本保持原來的面貌，不因交界面上存在在的紊動摻混作用而 發(fā)生全局性的混合現(xiàn)象3異重流分類：上異重流（溫差異重流），下異重流（鹽水異重流，渾水異重流），中異重流（天空中云 層的運動）注意一下他們幾個的概念4異重流的產(chǎn)生原因：溫度，含鹽量，含沙量差異引起的5異重流特性：重力對異重流的作用顯著減?。ㄗ钪饕匦裕?；阻力作用相對的也顯

10、得十分突出；慣 性力相對的也顯得十分突出。均是與重力相比（詳見p89）異重流：是指兩種或兩種以上密度相差不大、可以相混的的流體，在條件適宜時因密度差異而產(chǎn) 生的相對運動；在運動過程中，各層流能維持一定的界面不發(fā)生全局性混合的現(xiàn)象。清渾水密度的差異是產(chǎn)生渾水異重流的根本原因。異重流的特性：渾水異重流的一個最主要特征是重力作用顯著減小，慣性力、阻力作用相對突出。異重流要維持長距離運動，必須要有較大能坡。防淤措施：1.布置水利樞紐時，避開凸岸，避開洪水時大范圍的回流區(qū)、緩流區(qū)2.減小門口寬度3 減小門口軸線與主流交角。工程措施：1.長期有意識地維持小股外泄水流，顯著減少異重流的淤積2.在口門處設置防

11、淤簾3. 設置水力門簾4.合理安排疏浚時間第五章河床演變1河床演變的概念：河床演變是指河床在自然條件下或受人工建筑物的影響而發(fā)生的變化。2分類：從表現(xiàn)形式上可分為縱向變形和橫向變形；從發(fā)展過程來說，可分為單向變形和復歸性變形。 3特征：1）一定的河床形態(tài)和河床組成，必然有一定的與之相適應的水流結(jié)構和水流條件2）一定的 河床形態(tài)與河床組成，必然有一定的與之相適應的輸沙率4基本原理：產(chǎn)生原因是輸沙率的不平衡（詳見p98）5影響河床演變的主要因素：1）河段的來水量及其變化過程2）河段的來沙量、來沙組成及其變化過 程3）河段的河谷比降4）河段的河床形態(tài)及地址情況6河床演變的基本類型:1 ）平原河流可分

12、為游蕩型，分汊型，彎曲型，順直型（詳見p100表）7主要考核彎曲和分漢型河道p105p1138彎道水流動力軸線：水流動力軸線的定義及特點（詳見P106-107）9水流流經(jīng)彎道時的縱向流速分布，橫向流速分布（詳見p107）10環(huán)流旋度：環(huán)流旋度是垂線上某點橫向流速與縱向流速的比值11推移質(zhì)運動的同岸輸移與異岸輸移（兩個概念）同岸輸移：泥沙由彎道凹岸輸移到下游彎道的同 一岸的；異岸輸移：輸移到本河灣的凸岸和下游彎道的另一岸。12河相關系：沖擊平原河流處于平衡或準平衡狀態(tài)時，起河床形態(tài)的有關要素之間及其與流域來水 來沙條件按和河床邊檢條件之間存在著某種函數(shù)關系13如何計算造床流量：求解步驟詳見p12

13、314河床穩(wěn)定性概念：河床穩(wěn)定性是指隨著流域來水來沙條件因時間的變化，河流所表現(xiàn)出來的局部 的，暫時的，相對變異幅度，而不是只一條河流是否正處于相對平衡狀態(tài)。15水利樞紐對港口及航道的影響:1）變動回水去內(nèi)航道水深變淺，過度住槽擺動不定，淺點增多，流 路紊亂，阻礙航行2）水庫水位消落過程中沖刷初期礙航嚴重3）泥沙淤積使港口碼頭前沿水深不足， 裝卸作業(yè)困難4）河岸邊灘的極細淤積物將造成機械進場，工人行走，貨物堆存等困難。16河床演變分析：歷史演變分析的基本方法，近期演變分析的基本方法（詳見p130）河床演變：是指河床在自然條件下或受人工建筑物影響而發(fā)生的變化。河床演變從表現(xiàn)形式上分為縱向變形、橫

14、向變形。河道演變的發(fā)展過程可分為單向變形、復歸性變形河床演變基本原理（根本原因）：輸沙的不平衡性。當上游來沙量大于本河段水流輸沙能力時，本 河段將發(fā)生淤積；當上游來沙量小于本河段水流輸沙能力時，本河段將發(fā)生沖刷。河床演變因素：1.河段的來水量及其變化過程2.河段的來沙量、來沙組成及其變化過程3.河段的 河谷比降4.河段的河床形態(tài)及地質(zhì)情況（可人工調(diào)整）河流分為：山區(qū)河流、平原河流、潮汐河流。平原河流根據(jù)形態(tài)、演變特征可分為：彎曲河道、 分汊河道、順直河道、游蕩河道。彎道水流特征：凹岸水位低，凸岸水位高；凹岸沖刷，凸岸淤積。水流動力軸線：河段中沿流程各斷面最大垂線平均流速所在位置的連線，亦稱主流

15、線。水流動力軸線的主要特點：1.在彎道的進口段或者在彎道上游的過渡段常偏靠凸岸。2.主流線“低 水傍岸”“高水居中”；頂沖點“低水上提”“高水下挫”。橫比降Jz為離心加速度與重力加速度的比值。11 .裁彎后的河床演變過程：1.新河發(fā)展2.老河淤廢3上游河段變化（河段有所沖深）4.下游河段 變化5.撇灣切攤造床流量：是指其造床作用與多年流量過程的綜合造床作用相當，對塑造河床形態(tài)起著控制作用 的某一個流量。確定造床流量兩方法：1.平灘流量法（其中平河漫灘水位為第一造床流量，平邊灘水位流量為第 二造床流量）2.計算法1、河床演變概念：河床演變：河床在自然條件下或受人工建筑物影響發(fā)生的變化，是水流、泥

16、沙與 河床相互作用的結(jié)果。演變特征：一定的河床形態(tài)和組成，對應一定的水流結(jié)構和水流條件；一定的 河床形態(tài)和組成，對應一定的輸沙率2、河床變形：沿流程發(fā)生的變形（縱向）和河床在與水流垂直方向上的變形（橫向）單一朝某一方 向（單向）周期性往復（恢復性變形）。3、河床演變基本原理：主要原因是輸沙不平衡，不飽和則沖刷，過飽和則淤積，上游來沙量與本段 輸沙能力之間的調(diào)節(jié)；橫向輸沙不平衡引起橫向變化，縱則縱變。水流與河床相互作用中，泥沙是樞 紐。水流攜帶泥沙，泥沙影響水流結(jié)構，水流影響河床形態(tài)，河床也作用于水流（2反饋體系）。河 床演變向著停止變形，達到平衡的方向發(fā)展。河道變形，斷面面積，流速變化；平衡是

17、暫時的，上游 來水來沙變化。4、造床流量與馬卡維耶夫法：造床流量是造床作用與多年流量過程的綜合造床作用相當，對塑造河 床形態(tài)起著控制作用的某個流量。計算法（馬）：某個造床作用的大小與其輸沙能力大小有關，還有 該流量的歷時。比降J，歷時（出現(xiàn)頻率）P，G=QmJP方法：將某斷面歷年觀測到的全部流量分級，求出每級的平均Q；確定各級流量的概率P；繪制 該河段流量比降關系，分別求出J；計算各級造床作用G；繪制QG關系，G最大時對應的Q即為 造床流量5、河床橫向穩(wěn)定及縱向穩(wěn)定：河床縱向穩(wěn)定性決定于泥沙抗拒運動的能力與水流對泥沙作用力之間 的對比關系。穩(wěn)定系數(shù)=D/J6、橫向穩(wěn)定性決定于土壤抗沖能力（強）

18、、灘槽高差（大）。穩(wěn)定系數(shù)=Q0.5/BJ0.27、斷面河相關系：縱剖面并非連續(xù)光滑曲線，而是波浪或階梯形曲線，對數(shù)、指數(shù)、雙曲線、拋物 線形。8、橫斷面河相關系， =B0.5/h （蘇聯(lián)）有關要素，需取造床流量時相應值9、水流動力軸線：河段中沿流程各斷面最大垂線平均流速所在位置的連線，反映水流最大動量所在 位置。偏靠凹岸。10、影響河床演變的主要因素：河段來水量及其過程；河段來沙量、來沙組成及變化過程；河段的河谷比降；河段的河床形態(tài)及地質(zhì)情況。主要反映了水流與河床這對矛盾，前三者決定水流泥沙條件， 反映輸沙不平衡，是難以人工控制的因素，后者決定河床條件，可以進行人工改變。對于平原河流，前兩項

19、主要作用，取決于流域的產(chǎn)水產(chǎn)沙條件；對于山區(qū)河流，后兩項主導，河段比降、地質(zhì)形 態(tài)及地質(zhì)情況河流的類型：山區(qū)，平原，潮汐；平原河流按照形態(tài)及演變特征：順直，彎曲，分汊，游蕩。12、彎曲河道的水流運動及河床演變：水流特征：邊界影響：水流作曲線運動；離心力作用，水面產(chǎn) 生橫比降；封閉環(huán)流：表層水流流向凹岸，底層向凸，這一環(huán)流疊加在主流上，形成螺旋流；彎道水 流的動力軸線，主要特點：在彎道進口段或上游過渡段，偏靠凹岸；隨水位流量變化，主流線低水傍 岸，高水居中；頂沖點（主流開始逼近凹岸的位置）低水上提，高水下挫；水流特征決定泥沙運動特 點，決定彎曲河流的演變特征。13、演變：（橫向環(huán)流+含沙分布）凹

20、岸崩退和凸岸淤長，凹岸沖刷與凸岸淤積的數(shù)量基本相等。河灣 發(fā)展和河線蠕動，橫向發(fā)展，彎頂之間互動，縱向有向下游的蠕動。裁彎取直，河灣消長，整個河段 的變化。撇彎切灘，河道內(nèi)主流線發(fā)生變化。14、分汊河道：洲灘的移動和分合，洪水期洲面淤積，小洲合并成大洲或被水沖開；河岸的崩坍和彎 曲；汊道的交替興衰，主支汊交替發(fā)展。15、游蕩河道：一般特點：河身寬淺，沙灘密布，汊道眾多，水流散亂；產(chǎn)生條件：河床組成較細， 流速比降較大16、演變特點：多年：河床不斷淤積抬高，變成地上河；年內(nèi)：汛期主槽沖刷，灘地淤積，非汛期相 反；沙洲移動迅速，沖淤變化幅度很大；主槽經(jīng)常擺動，速度幅度均較大-河槽極不穩(wěn)定，對于港

21、口航道工程不利第六章潮汐河口的水流泥沙特點及河床演變1河口區(qū)分段1）河流近口段2）河流河口段3） 口外海濱段2潮汐河口區(qū)：河流注入到海洋的過渡區(qū)域；河口口門：指和后段多年平均中潮位水面縱坡降線與平 均海平面交點所在位置；潮流界：當潮波推薦到達某一地點時，漲潮流速和徑流下泄流速相抵消，潮 水便停止倒灌，此處稱為潮流界3潮汐河口的分類：一、按河口的形態(tài)特征分類1）三角港河口 2）三角洲河口二、岸河口區(qū)的動力 和來沙特征分類1）強潮海相河口 2）弱潮陸相河口 3）湖源海相河口 4）陸海雙相河口三、按潮汐強 弱分類1）強潮河口 2）中潮河口 3）弱潮河口4潮汐河口區(qū)的水流特性：（詳見p139-140）

22、可能為論述題5鹽淡水混合類型：1）高度成層型2）弱混合型3）強混合型（以及各層的判別標準）河口區(qū)是指河流與受水水體的結(jié)合地段。當河流注入有潮海時，由于受潮汐作用的影響，常稱為潮 汐河口。潮汐河口區(qū)：河流注入到海洋的過渡區(qū)域。河口口門：通常是指河口段多年平均中潮位水面縱坡降線與平均海平面交點所在的位置。潮流界：當潮波推進到達某一地點時，漲潮流速和徑流下泄流速相抵消，潮水便停止倒灌，此處 稱為潮流界。潮流界以上潮波仍繼續(xù)上溯，但由于受河水阻滯，潮波波高急劇減小，直至潮差為零， 此處稱為潮區(qū)界。潮區(qū)界以上，河水運動不受潮汐影響。潮流界和潮區(qū)界的位置并非不變，隨外海潮 差大小、徑流量大小變化。自口門到

23、潮區(qū)界間的河段稱為感潮河段。潮汐河口分類:一、按河口形態(tài)特征分：三角港河口、三角洲河口。二、按河口區(qū)動力和來沙特征分：強潮海相河口（錢塘江）、弱潮陸相河口（黃河）、湖源海相河口（黃 浦江）、陸海雙向河口（長江）。三、按潮汐強弱分：大于4m為強潮河口，24m為中潮河口，小于2m為弱潮河口。5潮波變形是指潮波在河口區(qū)傳播過程中，其潮差、漲落潮歷時、潮位與潮流速過程線之間相位差 沿程變化的現(xiàn)象。河口區(qū)淡鹽水混合類型：高度成層型、弱混合型、強混合型滯留點：在沒有密度的河口上段，在漲落潮期間，從表層到底部，水流都是凈的下泄流。河口下 段受密度梯度影響，徑流主要從表層排走，底部水流漲潮總水量大于落潮，產(chǎn)生

24、凈的上溯流。所以在 一個潮周期內(nèi)計算總水量，底部水流從凈的上溯流轉(zhuǎn)變?yōu)閮舻南滦沽?，沿程必有一個凈瀉量為零的地 點，該處稱為“滯留點”。滯留點位置，用計算“優(yōu)勢流”方法求得：1.在 河口區(qū)沿河道設若干測站，將每個測站的垂線水 深分為若干等分，每個等分以一個測點代表；2.在各個測點都進行全潮流速測量，繪出各測點的流速 過程線，分別求出漲、落潮流流速曲線與時間坐標軸所包圍的面積A和A按公式計算0=100%X A/（A A）；3.算出各測點的值，將各測站同一相對水深各測點的值繪制成對距離的關系曲線， 即為優(yōu)勢流曲線。底層優(yōu)勢流曲線與50%坐標水平線的交點，即為滯留點位置。團聚作用：細顆粒泥沙經(jīng)過海洋生物臟腑時，顆粒表面吸附臟腑分泌粘液，于是細顆粒泥沙便粘結(jié) 在一起，形成較大團粒。沉降時差：泥沙從水體降落到河底需要一個過程，泥沙并不就是在這個斷面上沉降下來，而是向 前運動一段距離才落到河底。這樣，在水流運動和泥沙運動之間會出現(xiàn)一個時差，即沉降時差。沖刷時差：水流上升到止動流速時，泥沙仍停留床面不動，知道流速繼續(xù)上升到起動流速時，泥 沙才進入運動狀態(tài)。這方面的時差即為沖刷時差。影響河口區(qū)河床演變的因素有水、來沙、邊界條件等三方面，通常水流作用居主導地位，但河口 區(qū)的邊界特征，如外形等，也有很大影