河水的纵向运动

1、第五节第五节 河水的运动河水的运动河水的受力状况：河水的受力状况： 河水沿河槽不断向下游流动，河水沿河槽不断向下游流动，重力重力是决定河水是决定河水纵纵向运动向运动的基本动力。的基本动力。 除受重力作用外，还有除受重力作用外，还有地转偏向力、惯性离心力地转偏向力、惯性离心力和机械摩擦力和机械摩擦力等的作用，产生各种形式的等的作用，产生各种形式的环流运环流运动动。 运动中，能量多消耗于运动中，能量多消耗于冲刷河槽、挟运泥沙和克冲刷河槽、挟运泥沙和克服各种摩阻力服各种摩阻力等方面。等方面。主要内容一、河水的运动状态一、河水的运动状态二、河水的纵向运动二、河水的纵向运动三、河水的环流运动三、河水的环

2、流运动四、河流的泥沙运动四、河流的泥沙运动一、河水的运动状态一、河水的运动状态（一）层流与紊流：（一）层流与紊流： 层流层流：全部水流呈平行流束运动，即水质点运动的全部水流呈平行流束运动，即水质点运动的轨迹线（流线）平行，在水流中运动方向一致，流轨迹线（流线）平行，在水流中运动方向一致，流速均匀；速均匀； 紊流紊流：水流中每个水质点运动速度与方向均随时随水流中每个水质点运动速度与方向均随时随地都在变化，而且其变化是围绕一个平均值上下跳地都在变化，而且其变化是围绕一个平均值上下跳动的。动的。 天然河道天然河道的水流一般均呈的水流一般均呈紊流状态紊流状态。（二）脉动强度（二）脉动强度 U=U+U

3、脉动流速有大有小，有正有负，为了比较脉动流速有大有小，有正有负，为了比较不同点水流脉动的强弱，常用脉动流速的不同点水流脉动的强弱，常用脉动流速的均方根均方根来表示，称为来表示，称为脉动强度脉动强度。二、河水的纵向运动二、河水的纵向运动 河水沿程的纵向运动过程，除了原来的河水沿程的纵向运动过程，除了原来的稳定水流稳定水流以外，还应加上河槽中以外，还应加上河槽中洪水波洪水波的运动过程。的运动过程。 （一）洪水波的概念 （二）洪水波的推移与变形 （三）洪水波的运动速度（一）洪水波的概念（一）洪水波的概念 降雨后流域地表径流大量注入河槽形成洪水波，稳降雨后流域地表径流大量注入河槽形成洪水波，稳定水面上

4、涌入的水量，称定水面上涌入的水量，称洪水波流量洪水波流量，或，或波流量波流量。 洪水波的传播方式：洪水波的传播方式：与一般海水波浪不同，它不仅与一般海水波浪不同，它不仅沿河道有沿河道有波形波形的传播，而且各个的传播，而且各个水质点水质点也确实在向也确实在向下游移动。下游移动。 波体轮廓线上任一点相对于稳定流水面的高度，称为波体轮廓线上任一点相对于稳定流水面的高度，称为洪水波高洪水波高。 波高随河长而变化，其中最大波高称波高随河长而变化，其中最大波高称洪水波峰洪水波峰，图中图中的的BD（h）所示所示。 波前波前（BC），波后波后（AB），洪水波长洪水波长（AC） 洪水波长一般为波高的洪水波长一般

5、为波高的数千倍数千倍，故属，故属长波长波。 洪水波水面比降与同水位下的稳定流水面比降之差称洪水波水面比降与同水位下的稳定流水面比降之差称为为附加比降附加比降。 在在涨洪时涨洪时附加比降附加比降0，落洪时落洪时附加比降附加比降0 。（二）洪水波的推移与变形（二）洪水波的推移与变形 洪水波洪水波位相：位相：洪水波轮廓线上的每一点都占据一定洪水波轮廓线上的每一点都占据一定的相对位置。的相对位置。相应于一定位相的流量，称为相应于一定位相的流量，称为相应流量相应流量，相应流量相应流量所对应的位相不变，但数值并非固定不变。所对应的位相不变，但数值并非固定不变。洪水波体上某一位相点沿河道的运动速度，称为洪水

6、波体上某一位相点沿河道的运动速度，称为该该位相点的波速位相点的波速，一般说洪水波各位相点的波速是不一般说洪水波各位相点的波速是不相同的。相同的。洪水波的运动并洪水波的运动并不是正平移运动不是正平移运动。洪水波运动的洪水波运动的两种现象两种现象： 1 1、洪水波的推移运动、洪水波的推移运动 洪水波上任一位相的水位（或流量），在河段洪水波上任一位相的水位（或流量），在河段下段面出现的时间总是下段面出现的时间总是迟于迟于在上断面出现的时在上断面出现的时间。间。 这个时间差，称为这个时间差，称为该位相的水位（或流量）的该位相的水位（或流量）的传播时间传播时间t t。6个断面个断面: A站洪峰出现于站洪

7、峰出现于8月月4日日21时整时整; 而而B站出现于站出现于8月月4日日23时，传播时间为时，传播时间为2小时，即经历小时，即经历2个小个小时，洪水波已从时，洪水波已从A站站推移到推移到B站了。站了。 洪水波总是以一定洪水波总是以一定速度缓变的波形不速度缓变的波形不断向下游河段推移断向下游河段推移运动的。运动的。2、洪水波的展开与扭曲变形、洪水波的展开与扭曲变形 图中图中0-0线（虚线）为行洪前稳定流的水面。线（虚线）为行洪前稳定流的水面。 洪水波的展开：洪水波的展开：洪水波自洪水波自t1时的时的A1B1C1传到传到t2时的时的A2B2C2位置时，波前位置时，波前BC的比降大于波后的比降大于波后

8、AB，波前波前水体运动速度大于波后，波长相对增大，波高则逐水体运动速度大于波后，波长相对增大，波高则逐渐减小，即渐减小，即A1C1A2C2，h1h2。 洪水波的扭曲：洪水波的扭曲：洪水波各处水深不同，波峰洪水波各处水深不同，波峰B点水点水深最大，受河底摩擦作用最小，运动速度最大，波峰深最大，受河底摩擦作用最小，运动速度最大，波峰超前，波前长度减小，波后长度拉开。超前，波前长度减小，波后长度拉开。 展开和扭曲展开和扭曲是洪水波运动过程中发生的是洪水波运动过程中发生的变形变形现象现象，主主要原因要原因是水面存在着是水面存在着附加比降附加比降。 洪水波变形的结果：洪水波变形的结果： 波前越来越短，波

9、后越来越长，波峰减低，波形波前越来越短，波后越来越长，波峰减低，波形不断变得平缓，波前水量向波后转移不断变得平缓，波前水量向波后转移。 洪水波的推移和变形，虽然表现形态不同，但在洪水波的推移和变形，虽然表现形态不同，但在洪水波运动中是同时发生的，它导致洪峰向下游推洪水波运动中是同时发生的，它导致洪峰向下游推移中的衰减。移中的衰减。 在在天然河道天然河道中，由于深槽与浅滩相间，断面宽窄不中，由于深槽与浅滩相间，断面宽窄不一，而且有时还有区间来水，所以洪水波运动的推一，而且有时还有区间来水，所以洪水波运动的推移、变形现象就更为复杂。移、变形现象就更为复杂。 （三）洪水波的运动速度（三）洪水波的运动

10、速度 图中图中A、B两站间距两站间距7.3公里，公里， 洪峰洪峰出现时间间隔出现时间间隔2小时，小时， 波峰运动速度为波峰运动速度为3.65公里公里/小小时。时。通常，在无支流汇入的平整河段中，仅有单一洪水波时，通常，在无支流汇入的平整河段中，仅有单一洪水波时，在任何断面上各在任何断面上各最大值最大值出现的次序为：出现的次序为：最大比降最大比降 最大流速最大流速 最大流量最大流量 最高水位最高水位虚线虚线单值关系。单值关系。实线实线多多值关系。值关系。 行洪时，行洪时，涨洪的涨洪的附加比降附加比降0，水面比降越大，断面水面比降越大，断面平均流速也越大，故水位相同的情况下，涨水段的平均流速也越大

11、，故水位相同的情况下，涨水段的流量必大于稳定流时的流量，导致涨水段的水位流流量必大于稳定流时的流量，导致涨水段的水位流量关系曲线偏于稳定流时的量关系曲线偏于稳定流时的右方右方。 相反，相反，退洪的退洪的附加比降附加比降0，在水位相同的情况下，在水位相同的情况下，退水段的流量小于稳定流时的流量，形成了退水段退水段的流量小于稳定流时的流量，形成了退水段的水位流量关系曲线偏于稳定流时的的水位流量关系曲线偏于稳定流时的左方左方。一次洪水过程线便形成了一次洪水过程线便形成了逆逆时针时针的的绳套绳套关系曲线关系曲线。 A为最大流量点，为最大流量点，B为最高水位点，二者并不重合。为最高水位点，二者并不重合。

12、 因此，因此，在洪水过程中，水位最高时流量不一定是最在洪水过程中，水位最高时流量不一定是最大值，流量最大时不一定水位最高。大值，流量最大时不一定水位最高。 断面上出现最高水位时，其最大流量已经过去了。断面上出现最高水位时，其最大流量已经过去了。三、河水的环流运动三、河水的环流运动河道水流的内部结构：河道水流的内部结构： 紊流结构：紊流结构：水质点脉动。水质点脉动。 环流结构：环流结构：局部水流环绕着一定的旋转轴作往复局部水流环绕着一定的旋转轴作往复运动，呈运动，呈螺旋状下移螺旋状下移，或是，或是漩涡状运动漩涡状运动。（一）环流的类型（二）环流结构对泥沙运动的影响（一）环流的类型（一）环流的类型

13、1、纵轴环流、纵轴环流2、横轴环流、横轴环流3、斜轴环流、斜轴环流4、竖轴环流、竖轴环流1 1、纵轴环流：、纵轴环流： 旋转轴呈旋转轴呈水平水平状，并基本上与纵向主流方向状，并基本上与纵向主流方向平行平行。l 纵轴环流分纵轴环流分弯道螺旋流弯道螺旋流与与复合螺旋流复合螺旋流两种。两种。（1）弯道螺旋流）弯道螺旋流主要是由弯道惯性离心力的作用形成主要是由弯道惯性离心力的作用形成的，它是蜿蜒性河段水流结构的主要形式。的，它是蜿蜒性河段水流结构的主要形式。弯道螺旋流的规模很大，往往充满全部河槽。弯道螺旋流的规模很大，往往充满全部河槽。各种环流中，弯道螺旋流对泥沙运动及河槽变形影响最大。各种环流中，弯

14、道螺旋流对泥沙运动及河槽变形影响最大。形成过程：形成过程：水流进入弯道，受弯道离心力作用，水流进入弯道，受弯道离心力作用，紧压凹岸，凹岸水面高于凸岸，形成横比降，表流紧压凹岸，凹岸水面高于凸岸，形成横比降，表流流向凹岸形成下降流，底流流向凸岸形成上升流，流向凹岸形成下降流，底流流向凸岸形成上升流，这样在横断面上的投影为一个封闭的环流。这样在横断面上的投影为一个封闭的环流。（2）复合环流）复合环流大多发生在较大的顺直河段，由两个大多发生在较大的顺直河段，由两个或两个以上旋转方向不同的纵轴环流组成，但在或两个以上旋转方向不同的纵轴环流组成，但在各个环流的交界面上流向必须相同。各个环流的交界面上流向

15、必须相同。 复合螺旋流多半是由于涨水或落水时，流量突然复合螺旋流多半是由于涨水或落水时，流量突然变化而形成的：变化而形成的：涨水过程涨水过程落水过程落水过程 横轴环流的旋转轴呈横轴环流的旋转轴呈水平水平状，它与纵向的主流相状，它与纵向的主流相垂直垂直。v桥墩前的横轴环流是由于前进桥墩前的横轴环流是由于前进 水流受阻，动量突变而形成的。水流受阻，动量突变而形成的。v 挡水建筑物下游的横轴环流，则是由于水流的离挡水建筑物下游的横轴环流，则是由于水流的离 解作用而形成的：解作用而形成的： 水质点到水质点到O点停滞，继续流来的水点停滞，继续流来的水 质点离开边壁沿着质点离开边壁沿着OA运动，下游的运动

16、，下游的 水倒转进行补充，形成漩涡或回流。水倒转进行补充，形成漩涡或回流。2、横轴环流、横轴环流3、斜轴环流：、斜轴环流： 其旋转轴也呈其旋转轴也呈水平水平状，状，它与纵向主流它与纵向主流斜交斜交。v 如水流越过与主流斜如水流越过与主流斜交的岸边沙嘴后，在沙交的岸边沙嘴后，在沙嘴下游形成的环流，即嘴下游形成的环流，即属此类。属此类。水流离解作用还可以形成斜轴环流、竖轴环流。水流离解作用还可以形成斜轴环流、竖轴环流。4 4、竖轴环流、竖轴环流 ： 其旋转轴呈其旋转轴呈铅直铅直方向与主流及河底相方向与主流及河底相垂直垂直，是相对封，是相对封闭的回旋流。闭的回旋流。v 如在突然展宽的河段，两侧岸边形

17、成的环流；如在突然展宽的河段，两侧岸边形成的环流；v 如在弯曲河段由于洪水主流趋直，凹岸边形成的回流。如在弯曲河段由于洪水主流趋直，凹岸边形成的回流。（二）环流结构对泥沙运动的影响（二）环流结构对泥沙运动的影响 尽管环流的结构形式、规模和成因是多种多尽管环流的结构形式、规模和成因是多种多样的，但它们对泥沙运动及河槽演变的影响，样的，但它们对泥沙运动及河槽演变的影响，却具有如下的却具有如下的共同性质共同性质：1 1、具有水平轴、具有水平轴（包括纵轴、横轴及斜轴）（包括纵轴、横轴及斜轴）的环流的环流： 含沙较少的表层水流插入底部的地方，常常发生冲刷；含沙较少的表层水流插入底部的地方，常常发生冲刷；

18、 沙较多的底层水流上升处，常常发生淤积。沙较多的底层水流上升处，常常发生淤积。 在弯道中凹岸的冲刷，凸岸的淤积；在桥墩前的冲刷坑及其在弯道中凹岸的冲刷，凸岸的淤积；在桥墩前的冲刷坑及其边缘堆积物的形成等，都与环流的这一特性有关：边缘堆积物的形成等，都与环流的这一特性有关：2、纵轴环流在纵轴环流在临近临近河底河底处，处，螺旋流旋度螺旋流旋度较大较大，对泥沙的对泥沙的横向转移起着重要的作用，河流横向转移起着重要的作用，河流弯道段弯道段尤为明显尤为明显。3、相对封闭的竖轴环流或横轴环流能造成相对封闭的竖轴环流或横轴环流能造成冲冲刷刷，也可导致，也可导致淤积，淤积，取决于环流强度与纵向取决于环流强度与

19、纵向水流挟带泥沙的多寡。水流挟带泥沙的多寡。 河床组成物质细，环流强度大而水流实际挟沙少，河床组成物质细，环流强度大而水流实际挟沙少，则河槽遭则河槽遭冲刷冲刷；反之，则淤积。；反之，则淤积。 拦河建筑物下游的横轴环流，常具有拦河建筑物下游的横轴环流，常具有较大较大的强度，的强度，而该处水流含沙量小，常导致河床而该处水流含沙量小，常导致河床冲刷冲刷。 在凹岸形成的竖轴环流，强度一般较小，此时纵在凹岸形成的竖轴环流，强度一般较小，此时纵向水流挟沙又较多，故多造成河床向水流挟沙又较多，故多造成河床淤积淤积。 总之，河道水流内部的紊流及环流运动，总之，河道水流内部的紊流及环流运动，对对河流泥沙运动河流

20、泥沙运动及及河槽演变作用河槽演变作用很大很大:紊动结构紊动结构直接影响水流挟运泥沙的能力直接影响水流挟运泥沙的能力;环流结构环流结构主要决定泥沙冲淤动向。主要决定泥沙冲淤动向。四、河流的泥沙运动四、河流的泥沙运动河流泥沙主要是流域地表流水侵蚀作用的产物。河流泥沙主要是流域地表流水侵蚀作用的产物。侵蚀模数：侵蚀模数：每平方公里面积上，每年侵蚀下来并汇入每平方公里面积上，每年侵蚀下来并汇入 河流的泥沙吨数河流的泥沙吨数; 含沙量：含沙量：单位体积浑水中所含泥沙的重量。单位体积浑水中所含泥沙的重量。流域的侵蚀模数和河流含沙量主要取决于：流域的侵蚀模数和河流含沙量主要取决于： 流域上暴雨集中的程度流域

21、上暴雨集中的程度 土壤结构与组成土壤结构与组成 地表切割程度地表切割程度 地面坡度及植被覆盖的条件地面坡度及植被覆盖的条件 河流泥沙河流泥沙是指组成河床和随水流运动的矿物、是指组成河床和随水流运动的矿物、岩石固体颗粒。随水流运动的泥沙也称岩石固体颗粒。随水流运动的泥沙也称固体径流固体径流，它也是重要的水文现象之一它也是重要的水文现象之一。（一）泥沙的水力特性（二）推移质运动（三）悬移质运动（四）高含沙水流的群体泥沙运动（一）泥沙的水力特性（一）泥沙的水力特性 河流泥沙的运动不仅与河流泥沙的运动不仅与水力条件、水流结构水力条件、水流结构有有关，而且与关，而且与泥沙特性泥沙特性有关。有关。 泥沙特

22、性泥沙特性包括颗粒的大小、形状、容重及泥沙包括颗粒的大小、形状、容重及泥沙的水力特性。的水力特性。 泥沙的泥沙的沉降速度：沉降速度：泥沙以泥沙以均匀均匀速度下沉的运动速度下沉的运动速度，也称泥沙的速度，也称泥沙的水力粗度。水力粗度。泥沙的沉降速度是反映泥沙水力特性的一个十分泥沙的沉降速度是反映泥沙水力特性的一个十分重要的指标。重要的指标。a.组成河床的泥沙，沉降速度越大，抗冲性越强；组成河床的泥沙，沉降速度越大，抗冲性越强；b.随水运动的泥沙沉降速度越大，沉淀于河床的倾随水运动的泥沙沉降速度越大，沉淀于河床的倾向性越大。向性越大。 推移质推移质（亦称（亦称底沙底沙）：）：粒径较粗，不能悬浮，粒

23、径较粗，不能悬浮，沿河底跃移，能与床沙发生交换。沿河底跃移，能与床沙发生交换。 悬移质悬移质（亦称（亦称悬沙悬沙）：）：粒径较小，可悬浮，粒径较小，可悬浮，其较粗的部分常与推移质发生交换。其较粗的部分常与推移质发生交换。底沙、悬沙和床沙可相互转换，同一组粒径的泥底沙、悬沙和床沙可相互转换，同一组粒径的泥沙，在不同河段或同一河段的不同时间，可作推移沙，在不同河段或同一河段的不同时间，可作推移运动，也可呈悬移状态下移，主要取决于运动，也可呈悬移状态下移，主要取决于流速大小流速大小。（二）推移质运动（二）推移质运动1、单颗泥沙的推移运动2、群体泥沙的推移运动3、推移质输沙率1 1、单颗泥沙的推移运动

24、、单颗泥沙的推移运动1）泥沙的起动条件：）泥沙的起动条件： a.颗粒颗粒大大的泥沙或砾石，常常是的泥沙或砾石，常常是单粒单粒滑动或滚动；滑动或滚动；b.颗粒较颗粒较细细的泥沙往往是的泥沙往往是成片成片滚动或跃动。滚动或跃动。 作用于河底泥沙颗粒的力：作用于河底泥沙颗粒的力： 促成促成其起动的力其起动的力 抗拒抗拒起动的力起动的力促成泥沙起动的力：促成泥沙起动的力：a、正面推力（主要）正面推力（主要）b、上举力上举力c、脉动压力脉动压力u 促进起动的力是变数，取决于水流的平均速度。促进起动的力是变数，取决于水流的平均速度。抗拒起动的力：抗拒起动的力：a、有效重力有效重力b、摩擦力摩擦力c、粘结力

25、粘结力 FxFx：正面推力正面推力 FyFy：上举力上举力 FgFg：重力重力 FcFc：粘结力粘结力 FsFs：水柱压力水柱压力 艾里定律：艾里定律：d3rs=AV6 推移质的重量与水流速度的六次方成正比推移质的重量与水流速度的六次方成正比 该定律阐明了泥沙冲刷及运动的许多现象。该定律阐明了泥沙冲刷及运动的许多现象。 如果平原河流与山区河流流速之比为如果平原河流与山区河流流速之比为1 4，则被推，则被推移的泥沙颗粒的重量比将是移的泥沙颗粒的重量比将是1 46，即，即1 4096。2 2）起动流速）起动流速 起动流速起动流速：泥沙原来在河床上是静止不动的，如果泥沙原来在河床上是静止不动的，如果

26、接近河底的水流速度增加到一定数值时，作用于泥接近河底的水流速度增加到一定数值时，作用于泥沙颗粒的力开始失去平衡，泥沙便开始起动，这时沙颗粒的力开始失去平衡，泥沙便开始起动，这时的临界流速（的临界流速（Vc）。）。 泥沙的起动标志着河床冲刷的开始，即起动流速是泥沙的起动标志着河床冲刷的开始，即起动流速是河床不受冲刷的最大流速，又称河床不受冲刷的最大流速，又称允许流速允许流速。应用：应用：在河渠设计中，设计流速必须小于允许流速。在河渠设计中，设计流速必须小于允许流速。起动流速与起动流速与泥沙粒径泥沙粒径d，颗粒沉速颗粒沉速v，水深水深h等有等有密切关系。据实验表明，密切关系。据实验表明，最小最小的

27、起动流速发生的起动流速发生在粒径在粒径d=0.2毫米毫米处（水深越大粒径略有增大）处（水深越大粒径略有增大）:a.大于此粒径时，重力作用占主导地位，故粒径大于此粒径时，重力作用占主导地位，故粒径越大，起动流速越大；越大，起动流速越大；b.小于此粒径，粘结力占主导地位，故粒径越小，小于此粒径，粘结力占主导地位，故粒径越小，起动流速越大。起动流速越大。3 3）止动流速）止动流速 当流速减小到某数值时，运动着的泥沙便停止在河当流速减小到某数值时，运动着的泥沙便停止在河床上不动了，这时的临界流速。床上不动了，这时的临界流速。 泥沙颗粒越细，起动流速与止动流速的差值越大。据泥沙颗粒越细，起动流速与止动流

28、速的差值越大。据试验，泥沙的起动流速一般为止动流速的试验，泥沙的起动流速一般为止动流速的1.2-1.4倍。倍。4 4）扬动流速）扬动流速 当流速超过起动流速，泥沙开始滑动，流速增大到一定当流速超过起动流速，泥沙开始滑动，流速增大到一定程度，泥沙不再回到河床，而悬浮在水中，随水流一起程度，泥沙不再回到河床，而悬浮在水中，随水流一起下移，这时的水流速度称下移，这时的水流速度称扬动流速扬动流速，它是泥沙从推移到，它是泥沙从推移到悬移运动的一个参数。悬移运动的一个参数。 泥沙悬浮以后，水流的脉动强度和泥沙的沉降速度泥沙悬浮以后，水流的脉动强度和泥沙的沉降速度就成为泥沙运动的主要力学因素。就成为泥沙运动

29、的主要力学因素。2.群体泥沙的推移运动群体泥沙的推移运动 沙波运动：沙波运动：冲积河流推移质运动达到一定规模时，冲积河流推移质运动达到一定规模时，河床表面便逐渐形成外形与风成沙丘类似的起伏的河床表面便逐渐形成外形与风成沙丘类似的起伏的水下沙波。水下沙波。 沙波运动沙波运动是推移质群体运动的一种主要形式，也是是推移质群体运动的一种主要形式，也是构成构成河床地形河床地形的基本单位。的基本单位。沙波表面的沙波表面的水流速度分布水流速度分布是不均匀的（上图）。是不均匀的（上图）。a.迎水坡面流速逐渐增大，到波峰达最高值；迎水坡面流速逐渐增大，到波峰达最高值；b.水流越过波峰后，发生离解现象，在背水坡引

30、起横水流越过波峰后，发生离解现象，在背水坡引起横轴环流性质的漩涡流，使谷底流速为负值。轴环流性质的漩涡流，使谷底流速为负值。a.迎水坡为水流加速区，坡面不断受迎水坡为水流加速区，坡面不断受冲刷冲刷；b.冲刷下来的泥沙越过波峰，粗粒的跌入谷底，细冲刷下来的泥沙越过波峰，粗粒的跌入谷底，细粒的可随横轴环流掀起。粒的可随横轴环流掀起。因此，因此，沙波沙波迎水坡迎水坡不断被不断被冲刷冲刷，背水坡背水坡不断不断淤积淤积，整个沙波能大体维持固定的外形，缓慢地向下游整个沙波能大体维持固定的外形，缓慢地向下游移动。移动。3 3、推移质输沙率、推移质输沙率 推移质输沙率推移质输沙率是指是指单位时间内通过河槽单宽

31、的推单位时间内通过河槽单宽的推移质数量移质数量，其单位为，其单位为公斤公斤/米米秒秒或或米米3/米米秒秒。表示。表示天然河道的推移质输沙天然河道的推移质输沙能力能力。 如果上游推移质来量小于本河段推移质输沙率，如果上游推移质来量小于本河段推移质输沙率，就形成冲刷；反之，则发生淤积。就形成冲刷；反之，则发生淤积。（三）悬移质运动（三）悬移质运动 悬移质是泥沙运动的主要方式之一。悬移质是泥沙运动的主要方式之一。 紊动作用：紊动作用：泥沙悬浮，泥沙悬浮，重力作用：重力作用：抑制泥沙悬移。抑制泥沙悬移。 天然河道里的悬移质，常常是一部分处于下沉状态，另一天然河道里的悬移质，常常是一部分处于下沉状态，另

32、一部分处于上浮状态；某一瞬间上浮部分占优势，另一瞬间部分处于上浮状态；某一瞬间上浮部分占优势，另一瞬间下沉部分占优势，全部悬沙绝对、恒定的呈悬浮状态是极下沉部分占优势，全部悬沙绝对、恒定的呈悬浮状态是极少有的。少有的。 1、悬移质的分布与变化 2、水流挟沙能力 3、河流总输沙量1 1、悬移质的分布与变化、悬移质的分布与变化 （垂线、断面、河流纵向、时间）（1）悬移质含沙量沿垂线的分布）悬移质含沙量沿垂线的分布 有自水面向河底增加的趋势；有自水面向河底增加的趋势； 泥沙的泥沙的粒径粒径也是近河底的较大，向上逐渐变小。也是近河底的较大，向上逐渐变小。 原因：由于河水的紊动能量由下向上逐渐减小。原因

33、：由于河水的紊动能量由下向上逐渐减小。 不同粒径的悬沙不同粒径的悬沙垂线上分布垂线上分布均匀性不同，颗粒均匀性不同，颗粒越细，垂线分布越均匀，越粗则越不均匀。越细，垂线分布越均匀，越粗则越不均匀。一般说，同一条河流，洪水期由于来自流域表面的细沙一般说，同一条河流，洪水期由于来自流域表面的细沙较多，故含沙量沿垂线分布较均匀，枯水期，流域来沙较多，故含沙量沿垂线分布较均匀，枯水期，流域来沙少，河中粗粒较多，分布就较不均匀。少，河中粗粒较多，分布就较不均匀。（2）悬移质含沙量在断面内的分布）悬移质含沙量在断面内的分布 规律性较差：规律性较差： 一般近主流和局部冲刷处的含沙量一般比岸边大；一般近主流和

34、局部冲刷处的含沙量一般比岸边大； 顺直段、断面形状较规则处含沙量分布较均匀，弯顺直段、断面形状较规则处含沙量分布较均匀，弯道段，断面形状不规则处往往不均匀。道段，断面形状不规则处往往不均匀。（3）悬移质含沙量沿河流纵向变化）悬移质含沙量沿河流纵向变化主要决定于河段比降、流量及河段产沙等自然条件：主要决定于河段比降、流量及河段产沙等自然条件： 黄河中游流经水土流失严重的黄土高原，故中游龙黄河中游流经水土流失严重的黄土高原，故中游龙门、陕县等站的含沙量，门、陕县等站的含沙量，远远比上游和下游都大。比上游和下游都大。悬移质粒径沿河床分布总的趋势是向下游逐渐变小：悬移质粒径沿河床分布总的趋势是向下游逐

35、渐变小： 例如，黄河悬移质泥沙的平均粒径，在龙门为例如，黄河悬移质泥沙的平均粒径，在龙门为0.021毫米，潼关为毫米，潼关为0.019毫米，陕县为毫米，陕县为0.0165毫米，至泺毫米，至泺口则为口则为0.0105毫米。毫米。2、水流挟沙能力、水流挟沙能力单位水体积的饱和含沙量单位水体积的饱和含沙量，称为，称为水流挟沙能力水流挟沙能力。 当上游来水中实际含沙量超过本河段水流挟沙能当上游来水中实际含沙量超过本河段水流挟沙能力时，河槽就会淤积，相反则发生冲刷；力时，河槽就会淤积，相反则发生冲刷； 如果两者正好相适应，即处于输沙平衡状态，即如果两者正好相适应，即处于输沙平衡状态，即河槽处于不冲不淤的

36、稳定状态。河槽处于不冲不淤的稳定状态。3、河流总输沙量、河流总输沙量 河流总输沙量河流总输沙量应为推移质与悬移质输沙量之总和。应为推移质与悬移质输沙量之总和。 除了山区河槽或水库坝上游等特定河段外，在除了山区河槽或水库坝上游等特定河段外，在平平原河流原河流冲淤计算中，通常多冲淤计算中，通常多以以悬移质输沙量悬移质输沙量代替代替总输沙量总输沙量。（四）高含沙水流的群体泥沙运动（四）高含沙水流的群体泥沙运动 含沙量很高的河流，在汛期常出现一种特殊的含沙量很高的河流，在汛期常出现一种特殊的高浓高浓度输沙度输沙情况，一般当含沙量情况，一般当含沙量超过超过500公斤公斤/米米3后，泥后，泥沙组成絮凝结构

37、体，即转化为沙组成絮凝结构体，即转化为流动的均质浆体流动的均质浆体，而，而进行群体运动。进行群体运动。高含沙水流的群体泥沙运动主要特点高含沙水流的群体泥沙运动主要特点：1、运动模式2、悬移运动3、推移运动4、浆河现象5、揭河底现象1.1.运动模式：运动模式：1）以以细粉砂细粉砂以下的以下的细颗粒细颗粒为主的高含沙水流：为主的高含沙水流： 随着含沙量的增大，随着含沙量的增大，粘性粘性增加，颗粒在沉降增加，颗粒在沉降过程中过程中不不因粒径不同而发生因粒径不同而发生分选分选，而作为一个，而作为一个整体整体，以清浑水交界面的形式缓慢下沉，整个，以清浑水交界面的形式缓慢下沉，整个水流呈水流呈均质浆液均质

38、浆液状态。状态。2）以细沙以上以细沙以上粗颗粒粗颗粒为主的高含沙水流：为主的高含沙水流： 泥沙的沉降速度虽因含沙量增大而减小，但减泥沙的沉降速度虽因含沙量增大而减小，但减 小的程度要比前一种情况为小小的程度要比前一种情况为小; 粗颗粒泥沙分选，以推移、悬移的形式运动，粗颗粒泥沙分选，以推移、悬移的形式运动，随着含沙量的增加，紊动强度减弱，最后紊流转随着含沙量的增加，紊动强度减弱，最后紊流转化为化为层流层流，含沙量的垂线分布变得十分均匀，呈，含沙量的垂线分布变得十分均匀，呈层移运动层移运动。3）既有既有细颗粒细颗粒物质作为骨架，又富含物质作为骨架，又富含粗颗粒粗颗粒的高含的高含沙水流：沙水流：

39、含沙量达一定程度后，含沙量达一定程度后，细粒细粒泥沙形成结构，和清泥沙形成结构，和清水组成物质浆液，水组成物质浆液，粗颗粒粗颗粒泥沙则在浆液中自由下沉，泥沙则在浆液中自由下沉，整个水流保持整个水流保持二相二相挟沙水流的特点，只不过组成液挟沙水流的特点，只不过组成液相的不是清水而是浆液。相的不是清水而是浆液。2 2、悬移运动、悬移运动 二相紊流型高含沙水流的泥沙运动一般仍以二相紊流型高含沙水流的泥沙运动一般仍以悬移悬移为为主，随着含沙量的增加，沉降速度大大减小，故高主，随着含沙量的增加，沉降速度大大减小，故高含沙水流条件下含沙量垂线分布含沙水流条件下含沙量垂线分布特别均匀特别均匀； 据观测，含沙

40、量大于据观测，含沙量大于900公斤公斤/米米3以后，垂线含沙量以后，垂线含沙量基本是均匀分布的，这时的水流可能正自紊流向层基本是均匀分布的，这时的水流可能正自紊流向层流过渡。流过渡。超过一定含沙量后，增加泥沙并不增添水流的负担，超过一定含沙量后，增加泥沙并不增添水流的负担，这就是高含沙水流能这就是高含沙水流能高浓度输沙高浓度输沙的主要原因。的主要原因。3 3、推移运动、推移运动 高含沙水流中的推移运动，就是高含沙水流中的推移运动，就是浆液浆液挟带粗颗粒推挟带粗颗粒推移质的问题。移质的问题。清水与浆液体系的清水与浆液体系的差别差别为：为：1）浆液的单位浆液的单位容重容重比清水大，比清水大，拖曳力

41、大拖曳力大，并使泥沙，并使泥沙 所承受的所承受的浮力也要大浮力也要大得多。得多。2）浆液的浆液的粘性粘性比清水大，泥沙颗粒一旦跳离床面比清水大，泥沙颗粒一旦跳离床面 后，其下沉速度要比在清水中为小。后，其下沉速度要比在清水中为小。3）浆液的浆液的紊动强度紊动强度比清水弱，使作用在河床表面泥比清水弱，使作用在河床表面泥 沙颗粒上的有效作用力减小。沙颗粒上的有效作用力减小。 这三重影响的综合效应将使浆液挟带推移质这三重影响的综合效应将使浆液挟带推移质的能力较清水为大：的能力较清水为大： 据试验，细颗粒泥沙与清水组成的浆液所能推动泥据试验，细颗粒泥沙与清水组成的浆液所能推动泥沙的重量要沙的重量要比清水大几十倍比清水大几十倍，浆液的有效粘性系数，浆液的有效粘性系数愈大，流速愈小，这个比值也愈大。愈大，流速愈小，这个比值也愈大。4 4、浆河现象、浆河现象 当含沙量超过某一极限后，在洪峰忽然退落、流当含沙量超过某一极限后，在洪峰忽然退落、流速迅速减小的情况下，有时整个水流已不能保持速迅速减小的情况下，有时整个水流已不能保持流动状态，就地停滞不前。这种高含沙水流所造流动状态，就地停滞不前。这种高含沙水流所造成的成的河槽堵塞河槽堵塞现象，称为现象，称为浆河浆河。 浆河