河流动力学3章-hxgmzhang

主讲教师：张红霞

Email:河流动力学概论Introductiontorivermechanics教材：邵学军王兴奎.

《河流动力学概论》第1版.

清华大学出版社3.1床面形态与水流条件、泥沙特性的关系3.2冲击河流床面形态的判别准则及特性研究3.3水流阻力和断面平均流速3.4峡谷或卵砾床面河道的综合糙率计算3.5沙粒阻力和沙波阻力-1-床面形态与水流阻力第3章-2-3.2冲击河流床面形态的判别准则及特性研究1、shields数（无量纲参数）：反映水流促使床沙起动的力和床沙抗拒运动的力的比值。表达床沙可动性的参数，shields数越大，泥沙的可动性越强。决定推移质运动的强度，shields数也称为水流强度、剪切强度。

3.2.1沙波运动的判别参数（3-6）-3-式中，τ0为床面上的剪切应力，或称壁面平均剪切应力，D为泥沙粒径，γs为固体泥沙颗粒的容重，γ为水的容重。3.2.1沙波运动的判别参数（3-6）-4-2、沙粒剪切雷诺数Re*：式中，U*为剪切流速或称摩阻流速。3.2.1沙波运动的判别参数-5-2、沙粒剪切雷诺数Re*：3.2.1沙波运动的判别参数反映床沙高度与壁面粘性底层厚度的比值。间接衡量水流促使床沙运动的力与粘滞力的比值。是决定沙纹运动的一个重要无量纲参数。-6-3、傅汝德数Fr反映了断面上水流惯性力与重力作用的比值。决定水流的流态。Fr在判别沙垄的运动时，是个常用参数。3.2.1沙波运动的判别参数-7-4、沙垄的波长λ是沙粒剪切雷诺数Re*和床面相对光滑度Z的函数。3.2.1沙波运动的判别参数-8-例3-1水力坡度表示单位流程上的水头损失。3.2.1沙波运动的判别参数均匀流沿程水头损失与切应力的关系：水力坡度：-9-3.2.2低水流能态区的判别：平整-沙垄-沙垄区

1、图3-5shields的泥沙起动条件及平整-沙纹-沙垄形态分区-10-

2、图3-6Chabert和Chauvin基于shields结果的平整-沙纹-沙垄形态分区（法国Chatou夏都试验室）3.2.2低水流能态区的判别：平整-沙垄-沙垄区-11-2、图3-6显示：当沙粒雷诺数Re*很小时，即沙粒较细时（如Re*<10)，床沙起动后立即出现沙纹（）。当沙粒雷诺数较大Re*时，即沙粒较粗时。床沙起动后尚能维持平整床面（）。只有当shields数进一步增大时才出现沙垄（）。3.2.2低水流能态区的判别：平整-沙垄-沙垄区-12-3、图3-7刘心宽和Albertson的平整-沙纹-沙垄形态判别准则3.2.2低水流能态区的判别：平整-沙垄-沙垄区-13-3、图3-7则：3.2.2低水流能态区的判别：平整-沙垄-沙垄区（3-9）-14-而CD是颗粒绕流雷诺数Red的函数，即：则：3.2.2低水流能态区的判别：平整-沙垄-沙垄区（3-8）（3-9）3、图3-7-15-则，平整-沙纹-沙垄区平面形态判别准则也可用Re*与U*/w来描述，如3-7所示。

图3-7显示，Re*=80，沙纹仍然存在。另外，从泥沙起动到出现沙纹，中间存在有泥沙运动的动平整床面。3.2.2低水流能态区的判别：平整-沙垄-沙垄区-16-用Re*和gD3/v2绘制关系图如3-8所示。3.2.2低水流能态区的判别：平整-沙垄-沙垄区(3-10)4、图3-8-17-图3-9，Garde和Albertson（加德和艾伯森）的沙垄-平整（过渡）-逆向沙垄区形态判别准则图。

图中，对于一定的shields数，沙纹、沙垄、过渡区、逆向沙垄随着Fr的增大而依次出现，这种发展趋势是合理的。但是，当shields数较大时，床沙具有较大的可动性，进入逆向沙垄需要较大的Fr；当shields数较小时，则相反。3.2.3高水流能态区的判别：沙垄-平整（过渡区）-逆向沙垄区-18-3.3水流阻力和断面平均流速

河道阻力损失与一般管道或明渠水流阻力损失不同之处在于：

一般的管道或明渠水流的雷诺数比较起来不是很大，不少情况下，粘性剪切应力与湍流剪切应力同时出现。

而河道水流则不同，一般情况下，可以只考虑湍流剪切应力作用，完全忽略粘性剪切应力作用。-19-3.3水流阻力和断面平均流速冲击河流阻力3.3.1动床床面水流阻力的分解沿程阻力局部阻力河底的床面阻力河岸、边壁阻力沙粒阻力沙波阻力源于河流平面形态特征的阻力，如主流先的摆动、河湾、河谷的突然扩大等源于个别特大粗糙的阻力，如孤岛、小岛等-20-沙粒阻力和沙波阻力是动床阻力的专门性问题。沙粒阻力：起源于河床可动边界上的颗粒粗糙和肤面摩擦的阻力，直接与推移质颗粒运动、沙波消长有关，称为沙粒阻力。沙粒阻力属于肤面阻力。（R’为沙粒阻力对应的水力半径）沙波阻力：天然河流的床面形态则产生沙波阻力。沙波阻力属于形体阻力。(R’’为沙波阻力对应的水力半径)3.3水流阻力和断面平均流速3.3.1动床床面水流阻力的分解-21-例如，

当床面处于动平整状态时，尽管河床由可动沙粒组成，其阻力状况与定床阻力类似，只需考虑沙粒阻力。当床面出现沙波