河流动力学章节总结

1、绪论1、河流动力学的概念：河流动力学是研究冲击河流在自然状态下以及受人工建筑物影响以后所发生 的变化和发展规律的一门科学。河流变化是水流与河床相互作用的结果：水流是动力条件，河床是边界条件；通过泥沙交换来相互 作用。本课研究内容：水流结构，泥沙运动，河床演变及预测。谢才公式p= 6河曼宁公式对数流速垂线分布摩阻流速u*=（gHJ）0.5第一章泥沙特性1泥沙的基本特性：几何特性，重力特性，水力特性2等容粒径：体积与泥沙颗粒相等的球体的直径（详见p5）算术平均值，几何平均值3泥沙的孔隙率：泥沙中孔隙的容积占沙样总容积的百分比成为孔隙率4泥沙孔隙率的影响因素：泥沙孔隙率因沙粒大小及均匀度，沙粒的形状

2、，沉积的情况及沉积后受力 及历时长短5比表面面积：颗粒表面及与体积之比。表达式：6/D详见p86沙粒的干容重与干密度：经过100105度烘干后的沙样质量与为烘干前原样沙体积比（概念，影 响因素及规律详见p1011）影响因素：泥沙颗粒大小，组成均匀程度，淤积深度，淤积历时，泥沙 的化学成分，淤积环境及水文条件等。7干容重的影响因素：1）泥沙粒径2）泥沙淤积厚度3）淤积历时8泥沙沉速：单颗粒泥沙在无大静止清水体中匀速下沉时的速度称为泥沙的沉降速度9影响沉速的因素：绕流状态，泥沙形状，水质，含沙量等其重量（或质量）与原状沙样整个体积之比，称为泥沙的干重度（或密度）。干容重影响因素：1泥沙粒径（粒径粗

3、，干容重大，变化范围小）2泥沙淤积厚度（淤积厚度越深， 干容重越大）3淤积历时。沉速：单颗粒泥沙在无限大静止清水水体中匀速下沉时的速度。水体绕流状态与沙粒雷诺数RD有关，Rd= wD/v，D为粒径，w为沉速，v为水的运动粘滞系数。当R0.5时，绕流状态属层流，颗粒沿铅垂线下沉；当0.5R1000，紊流螺旋形轨迹下沉。沉速影响因素：1泥沙形状（越接近球体，阻力越小）2水质（即絮凝影响因素）3含沙量干容重：烘干后土的重量除以未经扰动的土体体积。影响因素：粒径，淤积深度，淤积历时1、单颗粒泥沙粒径：等容粒径，体积与泥沙颗粒相等的球体的直径：算术平均值几何平均值2、群体泥沙特征粒径：粒配曲线，中值粒径

4、，表示大于和小于该粒径的泥沙重量占沙样总重量的50%；平均粒径，沙样内各泥沙粒径 组的加权平均值，分组，组内平均粒径，百分数。求和/总百分数 近似关系： 均方差分选系数，为1时沙样均匀3、细颗粒泥沙物化特征电化学性质：比表面积，颗粒表面积与体积之比，物化作用/重力作用，细颗粒泥沙比表面积。 双电层结构：细颗粒泥沙在含有电解质的水中，由于静电吸引作用，在颗粒 周围形成吸附层和扩散层。表面离子层+吸附层+扩散层二双电层结构。双电层外为中性水 束缚水= 粘结水+粘滞水，不能传递静水压力 絮凝现象：分子引力相互吸引，同号电荷相互排斥。分散的颗 粒相互吸引，聚合成结构疏松、类似棉花团的较大团粒或团块，成

5、为絮团。细颗粒泥沙在静电引力和 分子引力作用下彼此聚合的过程叫做絮凝。压密过程：在自重或外力作用下，絮团结构破坏，并逐渐压实。淤泥，粒径小于0.03mm的泥沙，可固结多年4、泥沙沉降力学分析：沉速：单颗粒泥沙在无限大静止清水水体中匀速下沉的速度。与泥沙粗细有 关，故其绕流阻力和运动状态不同。使用沉速公式判别流动状态，R=wD/v沉速，粒径，运动粘滞系 数5、 球体沉降力学分析：有效重力、绕流阻力平衡，斯托克斯公式层 紊6、张瑞瑾公式：粒径大，粘滞阻力小，粒径小，紊动阻力小。常温下，D4mm常温下，D5）进入悬浮状态（z5）的临界判断值。劳斯方程适用条件：泥沙颗粒较细、含沙浓度不大，通常的冲积平

6、原河流正是属于这种挟沙情况， 扩散理论适用。悬移质输沙率：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河段下泻的悬 移质中床沙质泥沙的数量。9.S,叫水流挟沙力，饱和含沙量或临界含沙量：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质数量的平均值。影响挟沙力S因素：水力半径R、床沙质沉速w、断面平均流速U，无因次数，U3/gRw代表紊动扩 散作用与重力作用的对比关系。总输沙率：在一定水流与河床条件下，单位时间内能够通过河段下泄的沙量。床沙质总输沙率：推移质与悬移质中床沙质输沙率之和。全沙总输沙率：推移质输沙率与全部悬移质包括冲泻质在内的输沙

7、率之和。床沙质与冲泻质：为何区分：一定水流及河床组成条件，不冲不淤，床沙质数量由水流及床沙条件确 定，冲泻质次饱和，与河床演变无明确关系，与水流条件关系紊乱，研究河床演变时常将其排除。按 照相对于床沙组成的粗细及来源不同；床沙质：悬移质中较粗部分及推移质的大部分，来自相邻上游 河段或本河段，与河床有交换。冲泻质（悬移质大部分，推移质小部分）与河床没有交换，来自上游 流域冲刷，次饱和状态。悬移质泥沙的紊动扩散理论：含沙量分布上稀下浓，分布不均，重力使得下沉，淤积作用明显；扩散 使其悬浮，冲刷增强；悬沙垂线分布（劳斯）：扩散方程，可求相对含沙量悬浮指数，反映重力与紊动之间的对比。研究含沙量垂线分布

8、要用到z；颗粒细，重力作用小，Z小， 紊动强，分布均匀，z=5为悬浮临界判别值。公式结构正确，z大时，实测值小于理论值。由实测值反推z，可发现，实际分布更均匀。没有考虑颗粒对水团作用，悬浮对水流影响，泥沙扩散与动量扩散的区别，颗粒间相互碰撞适用：泥沙颗粒较细，含沙浓度不大，冲积平原河流重力理论适用：托起泥沙做功（悬浮功）+阻力损失=水流提供的能量，考虑了水流对泥沙垂向运动速 度的影响；悬浮功所消耗的是紊动动能，并非机械能。适用性：适用于粗颗粒泥沙，含沙量大，山区河流水流携沙能力概念及影响因素S*水流携沙力、饱和含沙量、临界含沙量：一定水流与泥沙条件下，河流处于不冲不淤状态，单位水 体所能携带的

9、悬移质中床沙质数量的平均值，kg/m3，N、m3不平衡输沙概念：挟沙水流的含沙量大于或小于其平衡挟沙能力时的输沙状态第四章 异重流1密度差异导致异重流2异重流概念：异重流是指两种密度相差不大，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，在运动过程中，各层流体能基本保持原来的面貌，不因交界面上存在在的紊动掺混作用而 发生全局性的混合现象3异重流分类：上异重流（温差异重流），下异重流（盐水异重流，浑水异重流），中异重流（天空中云 层的运动）注意一下他们几个的概念4异重流的产生原因：温度，含盐量，含沙量差异引起的5异重流特性：重力对异重流的作用显著减小（最主要特性）；阻力作用相对的也显

10、得十分突出；惯 性力相对的也显得十分突出。均是与重力相比（详见p89）异重流：是指两种或两种以上密度相差不大、可以相混的的流体，在条件适宜时因密度差异而产 生的相对运动；在运动过程中，各层流能维持一定的界面不发生全局性混合的现象。清浑水密度的差异是产生浑水异重流的根本原因。异重流的特性：浑水异重流的一个最主要特征是重力作用显著减小，惯性力、阻力作用相对突出。异重流要维持长距离运动，必须要有较大能坡。防淤措施：1.布置水利枢纽时，避开凸岸，避开洪水时大范围的回流区、缓流区2.减小门口宽度3 减小门口轴线与主流交角。工程措施：1.长期有意识地维持小股外泄水流，显著减少异重流的淤积2.在口门处设置防

11、淤帘3. 设置水力门帘4.合理安排疏浚时间第五章河床演变1河床演变的概念：河床演变是指河床在自然条件下或受人工建筑物的影响而发生的变化。2分类：从表现形式上可分为纵向变形和横向变形；从发展过程来说，可分为单向变形和复归性变形。 3特征：1）一定的河床形态和河床组成，必然有一定的与之相适应的水流结构和水流条件2）一定的 河床形态与河床组成，必然有一定的与之相适应的输沙率4基本原理：产生原因是输沙率的不平衡（详见p98）5影响河床演变的主要因素：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址情况6河床演变的基本类型:1 ）平原河流可分

12、为游荡型，分汊型，弯曲型，顺直型（详见p100表）7主要考核弯曲和分汉型河道p105p1138弯道水流动力轴线：水流动力轴线的定义及特点（详见P106-107）9水流流经弯道时的纵向流速分布，横向流速分布（详见p107）10环流旋度：环流旋度是垂线上某点横向流速与纵向流速的比值11推移质运动的同岸输移与异岸输移（两个概念）同岸输移：泥沙由弯道凹岸输移到下游弯道的同 一岸的；异岸输移：输移到本河湾的凸岸和下游弯道的另一岸。12河相关系：冲击平原河流处于平衡或准平衡状态时，起河床形态的有关要素之间及其与流域来水 来沙条件按和河床边检条件之间存在着某种函数关系13如何计算造床流量：求解步骤详见p12

13、314河床稳定性概念：河床稳定性是指随着流域来水来沙条件因时间的变化，河流所表现出来的局部 的，暂时的，相对变异幅度，而不是只一条河流是否正处于相对平衡状态。15水利枢纽对港口及航道的影响:1）变动回水去内航道水深变浅，过度住槽摆动不定，浅点增多，流 路紊乱，阻碍航行2）水库水位消落过程中冲刷初期碍航严重3）泥沙淤积使港口码头前沿水深不足， 装卸作业困难4）河岸边滩的极细淤积物将造成机械进场，工人行走，货物堆存等困难。16河床演变分析：历史演变分析的基本方法，近期演变分析的基本方法（详见p130）河床演变：是指河床在自然条件下或受人工建筑物影响而发生的变化。河床演变从表现形式上分为纵向变形、横

14、向变形。河道演变的发展过程可分为单向变形、复归性变形河床演变基本原理（根本原因）：输沙的不平衡性。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；当上游来沙量小于本河段水流输沙能力时，本河段将发生冲刷。河床演变因素：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（可人工调整）河流分为：山区河流、平原河流、潮汐河流。平原河流根据形态、演变特征可分为：弯曲河道、 分汊河道、顺直河道、游荡河道。弯道水流特征：凹岸水位低，凸岸水位高；凹岸冲刷，凸岸淤积。水流动力轴线：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

15、线。水流动力轴线的主要特点：1.在弯道的进口段或者在弯道上游的过渡段常偏靠凸岸。2.主流线“低 水傍岸”“高水居中”；顶冲点“低水上提”“高水下挫”。横比降Jz为离心加速度与重力加速度的比值。11 .裁弯后的河床演变过程：1.新河发展2.老河淤废3上游河段变化（河段有所冲深）4.下游河段 变化5.撇湾切摊造床流量：是指其造床作用与多年流量过程的综合造床作用相当，对塑造河床形态起着控制作用 的某一个流量。确定造床流量两方法：1.平滩流量法（其中平河漫滩水位为第一造床流量，平边滩水位流量为第 二造床流量）2.计算法1、河床演变概念：河床演变：河床在自然条件下或受人工建筑物影响发生的变化，是水流、泥

16、沙与 河床相互作用的结果。演变特征：一定的河床形态和组成，对应一定的水流结构和水流条件；一定的 河床形态和组成，对应一定的输沙率2、河床变形：沿流程发生的变形（纵向）和河床在与水流垂直方向上的变形（横向）单一朝某一方 向（单向）周期性往复（恢复性变形）。3、河床演变基本原理：主要原因是输沙不平衡，不饱和则冲刷，过饱和则淤积，上游来沙量与本段 输沙能力之间的调节；横向输沙不平衡引起横向变化，纵则纵变。水流与河床相互作用中，泥沙是枢 纽。水流携带泥沙，泥沙影响水流结构，水流影响河床形态，河床也作用于水流（2反馈体系）。河 床演变向着停止变形，达到平衡的方向发展。河道变形，断面面积，流速变化；平衡是

17、暂时的，上游 来水来沙变化。4、造床流量与马卡维耶夫法：造床流量是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个流量。计算法（马）：某个造床作用的大小与其输沙能力大小有关，还有 该流量的历时。比降J，历时（出现频率）P，G=QmJP方法：将某断面历年观测到的全部流量分级，求出每级的平均Q；确定各级流量的概率P；绘制 该河段流量比降关系，分别求出J；计算各级造床作用G；绘制QG关系，G最大时对应的Q即为 造床流量5、河床横向稳定及纵向稳定：河床纵向稳定性决定于泥沙抗拒运动的能力与水流对泥沙作用力之间 的对比关系。稳定系数=D/J6、横向稳定性决定于土壤抗冲能力（强）

18、、滩槽高差（大）。稳定系数=Q0.5/BJ0.27、断面河相关系：纵剖面并非连续光滑曲线，而是波浪或阶梯形曲线，对数、指数、双曲线、抛物 线形。8、横断面河相关系， =B0.5/h （苏联）有关要素，需取造床流量时相应值9、水流动力轴线：河段中沿流程各断面最大垂线平均流速所在位置的连线，反映水流最大动量所在 位置。偏靠凹岸。10、影响河床演变的主要因素：河段来水量及其过程；河段来沙量、来沙组成及变化过程；河段的河谷比降；河段的河床形态及地质情况。主要反映了水流与河床这对矛盾，前三者决定水流泥沙条件， 反映输沙不平衡，是难以人工控制的因素，后者决定河床条件，可以进行人工改变。对于平原河流，前两项

19、主要作用，取决于流域的产水产沙条件；对于山区河流，后两项主导，河段比降、地质形 态及地质情况河流的类型：山区，平原，潮汐；平原河流按照形态及演变特征：顺直，弯曲，分汊，游荡。12、弯曲河道的水流运动及河床演变：水流特征：边界影响：水流作曲线运动；离心力作用，水面产 生横比降；封闭环流：表层水流流向凹岸，底层向凸，这一环流叠加在主流上，形成螺旋流；弯道水 流的动力轴线，主要特点：在弯道进口段或上游过渡段，偏靠凹岸；随水位流量变化，主流线低水傍 岸，高水居中；顶冲点（主流开始逼近凹岸的位置）低水上提，高水下挫；水流特征决定泥沙运动特 点，决定弯曲河流的演变特征。13、演变：（横向环流+含沙分布）凹

20、岸崩退和凸岸淤长，凹岸冲刷与凸岸淤积的数量基本相等。河湾 发展和河线蠕动，横向发展，弯顶之间互动，纵向有向下游的蠕动。裁弯取直，河湾消长，整个河段 的变化。撇弯切滩，河道内主流线发生变化。14、分汊河道：洲滩的移动和分合，洪水期洲面淤积，小洲合并成大洲或被水冲开；河岸的崩坍和弯 曲；汊道的交替兴衰，主支汊交替发展。15、游荡河道：一般特点：河身宽浅，沙滩密布，汊道众多，水流散乱；产生条件：河床组成较细， 流速比降较大16、演变特点：多年：河床不断淤积抬高，变成地上河；年内：汛期主槽冲刷，滩地淤积，非汛期相 反；沙洲移动迅速，冲淤变化幅度很大；主槽经常摆动，速度幅度均较大-河槽极不稳定，对于港

21、口航道工程不利第六章潮汐河口的水流泥沙特点及河床演变1河口区分段1）河流近口段2）河流河口段3） 口外海滨段2潮汐河口区：河流注入到海洋的过渡区域；河口口门：指和后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；潮流界：当潮波推荐到达某一地点时，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3潮汐河口的分类：一、按河口的形态特征分类1）三角港河口 2）三角洲河口二、岸河口区的动力 和来沙特征分类1）强潮海相河口 2）弱潮陆相河口 3）湖源海相河口 4）陆海双相河口三、按潮汐强 弱分类1）强潮河口 2）中潮河口 3）弱潮河口4潮汐河口区的水流特性：（详见p139-140）

22、可能为论述题5盐淡水混合类型：1）高度成层型2）弱混合型3）强混合型（以及各层的判别标准）河口区是指河流与受水水体的结合地段。当河流注入有潮海时，由于受潮汐作用的影响，常称为潮 汐河口。潮汐河口区：河流注入到海洋的过渡区域。河口口门：通常是指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的位置。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。潮流界以上潮波仍继续上溯，但由于受河水阻滞，潮波波高急剧减小，直至潮差为零， 此处称为潮区界。潮区界以上，河水运动不受潮汐影响。潮流界和潮区界的位置并非不变，随外海潮 差大小、径流量大小变化。自口门到

23、潮区界间的河段称为感潮河段。潮汐河口分类:一、按河口形态特征分：三角港河口、三角洲河口。二、按河口区动力和来沙特征分：强潮海相河口（钱塘江）、弱潮陆相河口（黄河）、湖源海相河口（黄 浦江）、陆海双向河口（长江）。三、按潮汐强弱分：大于4m为强潮河口，24m为中潮河口，小于2m为弱潮河口。5潮波变形是指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。河口区淡盐水混合类型：高度成层型、弱混合型、强混合型滞留点：在没有密度的河口上段，在涨落潮期间，从表层到底部，水流都是净的下泄流。河口下 段受密度梯度影响，径流主要从表层排走，底部水流涨潮总水量大于落潮，产生

24、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，沿程必有一个净泻量为零的地 点，该处称为“滞留点”。滞留点位置，用计算“优势流”方法求得：1.在 河口区沿河道设若干测站，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.在各个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、落潮流流速曲线与时间坐标轴所包围的面积A和A按公式计算0=100%X A/（A A）；3.算出各测点的值，将各测站同一相对水深各测点的值绘制成对距离的关系曲线， 即为优势流曲线。底层优势流曲线与50%坐标水平线的交点，即为滞留点位置。团聚作用：细颗粒泥沙经过海洋生物脏腑时，颗粒表面吸附脏腑分泌粘液，于是细颗粒泥沙便粘结 在一起，形成较大团粒。沉降时差：泥沙从水体降落到河底需要一个过程，泥沙并不就是在这个断面上沉降下来，而是向 前运动一段距离才落到河底。这样，在水流运动和泥沙运动之间会出现一个时差，即沉降时差。冲刷时差：水流上升到止动流速时，泥沙仍停留床面不动，知道流速继续上升到起动流速时，泥 沙才进入运动状态。这方面的时差即为冲刷时差。影响河口区河床演变的因素有水、来沙、边界条件等三方面，通常水流作用居主导地位，但河口 区的边界特征，如外形等，也有很大影