河流動(dòng)力學(xué)考試要點(diǎn)

1、河流定義河流定義是在自然因素及人類影響下水流與河床以泥沙是在自然因素及人類影響下水流與河床以泥沙為中介相互作用的產(chǎn)物，有其自身的發(fā)展變化為中介相互作用的產(chǎn)物，有其自身的發(fā)展變化客觀規(guī)律客觀規(guī)律主要研究水流、泥沙、河床邊界三者共同作用主要研究水流、泥沙、河床邊界三者共同作用下的變化規(guī)律的學(xué)科下的變化規(guī)律的學(xué)科主要包括：主要包括：u水流結(jié)構(gòu)：研究水流內(nèi)部運(yùn)動(dòng)特征及運(yùn)動(dòng)要素的空水流結(jié)構(gòu)：研究水流內(nèi)部運(yùn)動(dòng)特征及運(yùn)動(dòng)要素的空間分布間分布u泥沙運(yùn)動(dòng)：研究泥沙沖刷、搬運(yùn)和堆積機(jī)理泥沙運(yùn)動(dòng)：研究泥沙沖刷、搬運(yùn)和堆積機(jī)理u河床演變：研究流域水系的形成和發(fā)展、河流系統(tǒng)河床演變：研究流域水系的形成和發(fā)展、河流系統(tǒng)、

2、河流分類與河型成因、不同類型河流的河床演變、河流分類與河型成因、不同類型河流的河床演變規(guī)律等規(guī)律等應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)用領(lǐng)域水庫(kù)泥沙水庫(kù)泥沙水利樞紐下游的河床沖刷水利樞紐下游的河床沖刷引水工程中的泥沙問(wèn)題引水工程中的泥沙問(wèn)題港口航道泥沙問(wèn)題港口航道泥沙問(wèn)題河道泥沙淤積問(wèn)題河道泥沙淤積問(wèn)題理論研究理論研究包括泥沙運(yùn)動(dòng)力學(xué)基本理論和河流演變?cè)硌芯堪嗌尺\(yùn)動(dòng)力學(xué)基本理論和河流演變?cè)硌芯垦芯繉?duì)象物理機(jī)理相當(dāng)復(fù)雜，一方面表現(xiàn)出力學(xué)作研究對(duì)象物理機(jī)理相當(dāng)復(fù)雜，一方面表現(xiàn)出力學(xué)作用規(guī)律的必然性，另一方面又表現(xiàn)出統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上用規(guī)律的必然性，另一方面又表現(xiàn)出統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上的隨機(jī)性的隨機(jī)性研究方法研究方法試驗(yàn)研究試驗(yàn)研

3、究包括水槽試驗(yàn)和河工模型試驗(yàn)包括水槽試驗(yàn)和河工模型試驗(yàn)水槽試驗(yàn)主要為理論研究服務(wù)，河工模型試驗(yàn)主要為水槽試驗(yàn)主要為理論研究服務(wù)，河工模型試驗(yàn)主要為解決工程問(wèn)題解決工程問(wèn)題原型觀測(cè)原型觀測(cè)數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型河道水流的基本特性河道水流的基本特性天然河道中的水流屬于明渠流，在很多情況下可以天然河道中的水流屬于明渠流，在很多情況下可以沿用水力學(xué)中明渠流的有關(guān)結(jié)果沿用水力學(xué)中明渠流的有關(guān)結(jié)果 二相流特性、三維性、不恒定性、非均勻性 明渠二維水流的阻力損失 河道水流阻力損失與水力學(xué)中順直管道和棱柱體明槽水流中發(fā)生的紊動(dòng)相比，河道水流的紊動(dòng)在尺度、紊源上要復(fù)雜得多明槽主要是粗糙邊壁附近小尺度的紊動(dòng)，由大、中、

4、小尺度構(gòu)成的紊動(dòng)結(jié)構(gòu)雖不能完全排除，但不占主導(dǎo)地位河道水流，根據(jù)張瑞理的研究，紊源除了普通意義的粗糙邊壁外，還包括河勢(shì)、河相、成型淤積體、河底或河岸的大凸大凹、沙紋及沙波等，這些紊源的尺度是邊壁粗糙完全不能比擬的 因此對(duì)于河道水流，“糙率系數(shù)”n的內(nèi)含應(yīng)該是極為復(fù)雜的 作為屬于阻力平方區(qū)的時(shí)均流速U的表達(dá)式中代表水流阻力效果的綜合因素，它當(dāng)然直接與水流中的紊源和紊動(dòng)結(jié)構(gòu)有關(guān)，與大至河勢(shì)，小至河床床沙粒徑有關(guān) 河道水流的流型、主副流及流速分布河道水流的主流與副流 主流(又稱正流、元生流)是水流沿著河槽總方向的流動(dòng)。它一般是在重力作用下產(chǎn)生的。在流動(dòng)過(guò)程中，水流的流線基本上是相互平行的，水流的速度

5、向量也是互相平行的，而且都平行于河槽的軸線 河道水流的主流與副流 副流與主流不同是由于縱比降以外的其它因素所促成的 副流實(shí)際是在水流內(nèi)部產(chǎn)生的一種大規(guī)模的水流旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。它可以因重力作用而引起，也可在其它的力(內(nèi)力或外力)作用下產(chǎn)生。在副流中，有的具有復(fù)歸性，或者基本上與主流脫離，在一個(gè)區(qū)域內(nèi)呈循環(huán)式的封閉流動(dòng)；或者與主流或其它副流結(jié)合在一起。呈螺旋式的非封閉的復(fù)歸性流動(dòng)。具有復(fù)歸性的次生流，我們稱之為環(huán)流因產(chǎn)生的原因不同，具有不同的軸向 河道水流的流速分布河道水流中環(huán)流結(jié)構(gòu) 因產(chǎn)生原因的不同，環(huán)流可以分為因離心力產(chǎn)生的彎道環(huán)流、因柯里奧里（GCriorid)力而產(chǎn)生的環(huán)流、因水流與固體周界分離

6、而產(chǎn)生的環(huán)流等等。 水流在彎道內(nèi)作曲線運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，必然產(chǎn)生指向凹岸的離心力。水流為了平衡這個(gè)力。通過(guò)調(diào)整，使得凹岸的水面升高，凸岸方向的水面降低，從而形成橫比降 彎道環(huán)流圖圖中，a為平面，b為橫剖面泥沙的來(lái)源泥沙的來(lái)源 河流泥沙的最根本來(lái)源是巖石的風(fēng)化河流泥沙的最根本來(lái)源是巖石的風(fēng)化 河流中運(yùn)動(dòng)著的泥沙，其來(lái)源主要包括流域地表的河流中運(yùn)動(dòng)著的泥沙，其來(lái)源主要包括流域地表的沖蝕和河床的沖刷沖蝕和河床的沖刷風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)給河流帶來(lái)的泥沙首先在規(guī)模上不如前風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)給河流帶來(lái)的泥沙首先在規(guī)模上不如前二者；其次，從廣義的角度也可以歸入流域地表二者；其次，從廣義的角度也可以歸入流域地表的沖蝕；再者，風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)帶來(lái)

7、的泥沙絕大部分屬的沖蝕；再者，風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的泥沙絕大部分屬于沖瀉質(zhì)，對(duì)河流的沖淤影響較小于沖瀉質(zhì)，對(duì)河流的沖淤影響較小 流域地表的侵蝕與氣候、土壤、地形地貌及人類活流域地表的侵蝕與氣候、土壤、地形地貌及人類活動(dòng)等因素有關(guān)動(dòng)等因素有關(guān)地形對(duì)流域的侵蝕，也起著重要的作用。坡度大地形對(duì)流域的侵蝕，也起著重要的作用。坡度大則地面徑流下滲量小、匯流速度大，侵蝕作用也則地面徑流下滲量小、匯流速度大，侵蝕作用也隨之增大，侵蝕量也隨坡長(zhǎng)的增大而增加隨之增大，侵蝕量也隨坡長(zhǎng)的增大而增加 從流域地表侵蝕下來(lái)的泥沙，經(jīng)過(guò)河流的搬運(yùn)作用，大部分匯流大海，但也有不少沉積在低洼湖泊地帶。 從流域地表沖蝕而來(lái)的泥沙數(shù)量，通

8、常是用每平方公里地面每年沖蝕若干噸泥沙來(lái)衡量，稱為侵蝕模數(shù)，也稱輸沙量模數(shù)。泥沙隨水流匯集到河流之中，加上河床上泥沙被水流沖刷起來(lái)，使得河道水流中含有一定數(shù)量的泥沙，常以每單位體積河水中的泥沙重量表示河流的含沙量。一般來(lái)說(shuō)，我國(guó)北方，特別是黃河中游的一些干支流，年平均含沙量有些高達(dá)300 kgm3以上；而在南方一些省份，年平均含沙量不足1kgm3，這樣的分布狀況，是與我國(guó)各地區(qū)的水土流失程度緊密相關(guān)的。泥沙的礦物成分與分類 泥沙的礦物成分泥沙的礦物成分既然泥沙來(lái)源于巖石風(fēng)化，則風(fēng)化巖石的礦物既然泥沙來(lái)源于巖石風(fēng)化，則風(fēng)化巖石的礦物成分決定泥沙的礦物成分；不同的風(fēng)化方式對(duì)成分決定泥沙的礦物成分；

9、不同的風(fēng)化方式對(duì)巖石礦物成分的影響程度不同，因此風(fēng)化方式巖石礦物成分的影響程度不同，因此風(fēng)化方式也影響泥沙的礦物成分也影響泥沙的礦物成分物理風(fēng)化、化學(xué)風(fēng)化以及生物過(guò)程物理風(fēng)化、化學(xué)風(fēng)化以及生物過(guò)程 礦物的物理性質(zhì)礦物的物理性質(zhì)比重或密度：比重或密度：2.652.65硬度：硬度：55，水輪機(jī)過(guò)流部件硬度一般，水輪機(jī)過(guò)流部件硬度一般55 河流泥沙的分類礦物分、運(yùn)動(dòng)方式分類以及粒徑分類我國(guó)泥沙分類的分界數(shù)字為：2002021/201/200(即2002020.50.005) 泥沙的粒徑大小與泥沙的水力學(xué)特性與物理化泥沙的粒徑大小與泥沙的水力學(xué)特性與物理化學(xué)特性有著密切的關(guān)系學(xué)特性有著密切的關(guān)系不同粒

10、徑級(jí)的顆粒所形成的土壤具有不同的力學(xué)性不同粒徑級(jí)的顆粒所形成的土壤具有不同的力學(xué)性質(zhì)質(zhì)不同粒徑級(jí)的顆粒具有不同的礦物組成不同粒徑級(jí)的顆粒具有不同的礦物組成不同粒徑級(jí)的顆粒具有不同的物理化學(xué)特性不同粒徑級(jí)的顆粒具有不同的物理化學(xué)特性泥沙的粒徑 泥沙的幾何特性系指泥沙顆粒的形狀和大小，或者說(shuō)泥沙顆粒的形狀與粒徑 泥沙的粒徑 泥沙的粒徑是泥沙顆粒大小的量度 所謂等容粒徑，就是體積與泥沙顆粒相等的球體的直徑。設(shè)某一顆沙的體積為v，則其等容粒徑為，單位mm31)6(Vd 幾何平均粒徑：相當(dāng)于橢球體的等容粒徑3 / 1abcD (橢球體的體積6 /abc球體的體積6 /3D)算術(shù)平均粒徑：長(zhǎng)、中、短軸的算

11、術(shù)平均值3cbaD篩分粒徑：通過(guò)篩分法獲得的粒徑近似值泥沙的粒徑（續(xù)） 對(duì)較粗的天然沙粒測(cè)量成果的統(tǒng)計(jì)分析表明，沙粒的中軸長(zhǎng)度，和其長(zhǎng)、中、短三軸的幾何乎均值(即等容粒徑)接近相等且略大 對(duì)于粒徑在0.06232.0mm之間的沙粒，一般采用篩析法 用篩析法量得的粒徑應(yīng)相當(dāng)于各粒徑組界限沙粒的中軸長(zhǎng)度?？梢越频乜闯傻热萘?，或者直接稱為篩徑 對(duì)于粒徑在0.062mm以下粉粒和粘粒，已不可能進(jìn)一步篩分，只能采用沉降法泥沙的粒配曲線 通過(guò)對(duì)沙樣顆粒組成的分析，得出其中各粒徑級(jí)的重量百分比或者小于某粒徑的重量百分比，并據(jù)以繪制如右圖所示的泥沙粒配曲線 粒配曲線可直接表現(xiàn)泥沙沙樣粒徑的大小和沙樣的均勻

12、程度代表較細(xì)的沙樣代表較均勻的沙樣 從粒配曲線上，可以查出 小于某粒徑的泥沙在總沙樣中占的重量百分?jǐn)?shù) 在總沙樣中占某重量百分?jǐn)?shù)的泥沙的上限粒徑 后者通常以重量百分?jǐn)?shù)為腳標(biāo)，附注在粒徑的右下角，表示該上限粒徑如d5、d20、d50、d90等d50稱為中值粒徑，它表示在全部沙樣中，大于和小于這一粒徑的泥沙重量剛好相等三、泥沙的空隙率 孔隙率：泥沙中孔隙的容積占沙樣總?cè)莘e的百分比稱為孔隙率 泥沙孔隙率因沙粒的大小及均勻度、沙粒的形狀、沉積的情況以及沉積后受力大小及歷時(shí)長(zhǎng)短而有不同。 對(duì)各類泥沙孔隙率一般為粗沙：的孔隙率3940，中沙：41-48，細(xì)沙：4449。 通常泥沙的平均粒徑與中值粒徑直并不相

13、等。二者之間的關(guān)系應(yīng)為 關(guān)于沙樣的均勻程度，常采用如下形式的非均勻系數(shù)或稱揀選系數(shù) 非均勻系數(shù)等于1，則沙樣均勻；愈大于1，則越不均勻2575DD2502eddpj細(xì)顆粒泥沙的物理化學(xué)特性河流動(dòng)力學(xué)電化學(xué)性質(zhì)電化學(xué)性質(zhì)DDD66/4/432比表面積的意義：比表面積的意義：反映泥沙顆粒的物化作用與重力作用的相對(duì)（顆粒越細(xì)，該值越大）越大，物化作用就越大1、比表面積、比表面積：泥沙顆粒表面積與其體積之比電化學(xué)性質(zhì)電化學(xué)性質(zhì)2、雙電層及吸附水膜的特性 （1）細(xì)泥沙顆粒在含有電解質(zhì)的水中，顆粒周圍會(huì)形成雙電層、吸附水膜。 細(xì)泥沙顆粒表面帶有負(fù)電荷，吸引反離子，形成吸附層（固定層）擴(kuò)散層 細(xì)泥沙顆粒表面

14、帶有負(fù)電荷，同時(shí)也吸引水分子形成粘結(jié)水粘滯水束縛水 （2）雙電層的電位變化 泥沙顆粒表面帶負(fù)電荷后，就有一定的電位值，此電位值與擴(kuò)散層外的自由電位之差稱為熱力學(xué)電位，或0電位。 在吸附層內(nèi)，電位線性降落，所剩余的電位差，即吸附層與擴(kuò)散層交界面的電位與擴(kuò)散層外自由電位之差稱為電動(dòng)電位，或電位。 電位的數(shù)值及雙電層的厚度與水中電解質(zhì)的離子濃度及價(jià)數(shù)有關(guān)。 沙、礫石、卵石類粗顆粒泥沙一旦沉積到河底，不再壓密 細(xì)顆粒泥沙，特別是粘土顆粒在沉積時(shí)會(huì)連結(jié)成絮團(tuán)， 在自重或其他外力的作用下，沉積固結(jié)泥沙的一般重力特性 泥沙的容重與密度 泥沙各個(gè)顆粒實(shí)有重量與實(shí)有體積的比值，稱為泥沙的容重或重度 ，采用國(guó)際單

15、位為牛/米3(N/m3) 由于構(gòu)成泥沙的巖石成分不同泥沙的容重 也不相同，常以26kNm3(國(guó)際單位)或2650kgfm3(工程單位)為代表值 有效容重系數(shù)或有效密度系數(shù)ss河流動(dòng)力學(xué) 泥沙的干容重與干密度 沙樣經(jīng)100l05溫度烘干后，其重量與原狀沙樣整個(gè)體積的比值，稱為泥沙的干容重 ，單位為N/m3 泥沙干容重與粒徑的大小、埋藏的深淺，以及淤積歷時(shí)的長(zhǎng)短有關(guān)，其變化幅度是相當(dāng)大的 實(shí)際觀測(cè)資料中，曾經(jīng)得到的淤積泥沙干容量的變化幅度約在2.9421.56kN/m3 泥沙的水下休止角 在靜水中的泥沙，由于摩擦力的作用，可以形成一定的傾斜面而不致塌落，此傾斜面與水平面的交角稱為泥沙的水下休止角，

16、其正切值即為泥沙的水下摩擦系數(shù)f，即泥沙的沉陣速度 沉降形式 泥沙在靜止的清水中等速下沉?xí)r的速度，稱為泥沙的沉降速度，簡(jiǎn)稱沉速 反映著泥沙在與水流相互作用時(shí)對(duì)運(yùn)動(dòng)的抗拒能力。組成河床的泥沙沉速越大，則泥沙參與運(yùn)動(dòng)的傾向越小 泥沙重度水的重度，在水中的泥沙顆粒將受重力作用而下沉。初始速度為零，抗拒下沉的阻力也為零，有效重力起作用，泥沙顆粒的下沉具有加速度。隨著下沉速度的增大，阻力增大，終于使下沉速度達(dá)到某一極限值。此時(shí)，泥沙所受的有效重力和阻力恰恰相等， 泥沙顆粒的繼續(xù)下沉便以等速方式進(jìn)行 泥沙在靜水中下沉?xí)r，從加速到等速所經(jīng)歷的時(shí)間是十分短暫的：3mm，1/10s；1mm，1/20s 泥沙顆粒

17、在靜水中下沉?xí)r的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與沙粒雷諾數(shù) 有關(guān) 式中d和分別為泥沙的粒徑及沉速。為水的運(yùn)動(dòng)粘滯性系數(shù) 當(dāng)Red較小時(shí)（約小于0.5）運(yùn)動(dòng)狀態(tài)屬于滯性狀態(tài)，泥沙顆?；旧涎劂U垂線下沉，附近的水體幾乎不發(fā)生紊亂現(xiàn)象 當(dāng)Red較大時(shí)(約大于1000)，泥沙顆粒脫離鉛垂線以極大的紊動(dòng)狀態(tài)下沉，附近的水體產(chǎn)生強(qiáng)烈的繞動(dòng)和渦動(dòng)，這時(shí)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)屬于紊動(dòng)狀態(tài) 當(dāng)Red介于0.5到1000之間時(shí)，泥沙顆粒下沉?xí)r的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)為過(guò)渡狀態(tài)ddRe 球體的沉速 單顆粒圓球在無(wú)限水體中等速下沉?xí)r，其沉降可看做對(duì)稱繞流運(yùn)動(dòng)，則繞流阻力的一般表達(dá)式為，其中Cd為阻力系數(shù)，與沉降物體的形狀、方位、表面粗糙度、水流紊動(dòng)強(qiáng)度，特別是沙粒

18、雷諾數(shù)有關(guān)，其尚難以通過(guò)理論計(jì)算求得，多通過(guò)試驗(yàn)加以確定 分不同沉降狀態(tài)介紹沉速公式泥沙沉速的計(jì)算公式 泥沙顆粒沉降滯流區(qū)的阻力與d成比例，紊流區(qū)的阻力與d22成比例 有多家過(guò)渡區(qū)泥沙沉降時(shí)的阻力規(guī)律和沉降速度公式，本課程介紹張瑞瑾公式泥沙的運(yùn)動(dòng)形式河流動(dòng)力學(xué) 通常我們把在床面附近隨著水流以滑動(dòng)、滾動(dòng)或跳躍的形式運(yùn)動(dòng)著的泥沙叫做推移質(zhì)泥沙，簡(jiǎn)稱推移質(zhì) 把懸浮在水流中，基本上與水流以相同速度做懸移運(yùn)動(dòng)的泥沙，稱為懸移質(zhì)泥沙，簡(jiǎn)稱懸移質(zhì) 在運(yùn)動(dòng)的河流泥沙中，推移質(zhì)的數(shù)量一般都比懸移質(zhì)來(lái)得少，特別是平原地區(qū)的大中河流，推移質(zhì)輸沙率在總輸沙率中所占比重更小 河流泥沙還有兩種特殊的運(yùn)動(dòng)方式，即高含沙水流

19、運(yùn)動(dòng)和異重流運(yùn)動(dòng) 所謂高含沙水流，是指水流挾帶的泥沙顆粒非常多，含沙量很大，以至于該挾沙水流在物理特性、運(yùn)動(dòng)特性和輸沙特性等方面基本上不再像一般挾沙水流那樣用牛頓流體進(jìn)行描述高含沙水流實(shí)際上已經(jīng)不是普通意義的固液兩相流，其中運(yùn)動(dòng)的泥沙甚至也不能按照懸移質(zhì)和推移質(zhì)劃分。泥沙顆粒之間、泥沙顆粒與水流之間已經(jīng)產(chǎn)生了足夠的相互作用，使泥沙的運(yùn)動(dòng)不再僅僅是水流與泥沙顆粒之間的相互作用，而更多地呈現(xiàn)出“群體“的特征。有些情況可以被稱為“層移質(zhì)”，有些情況干脆與水流一起被叫做“偽一相流”異重流異重流運(yùn)動(dòng)是指這樣一種運(yùn)動(dòng)，兩種或兩種以上的流體相互接觸，而流體間有一定的但是較小的重度差異，如果其中一種流體沿著交

20、界面的方向流動(dòng)，在流動(dòng)過(guò)程中不與其它流體發(fā)生全局性的摻混現(xiàn)象的運(yùn)動(dòng) 由于異重流的重度差很小，異重流中運(yùn)動(dòng)的泥沙所受到的重力作用遠(yuǎn)小于一般挾沙水流中的泥沙，因此泥沙的懸浮機(jī)理不同于一般挾沙水流中泥沙顆粒的懸??；慣性作用相對(duì)地顯得十分突出，從而使得異重流具有輕易翻越障礙以及較強(qiáng)的爬高的能力 由于推移運(yùn)動(dòng)與懸移運(yùn)動(dòng)的外在特征差異較大，為方便起見(jiàn)，將河流泥沙的推移運(yùn)動(dòng)與懸移運(yùn)動(dòng)分開(kāi)來(lái)闡述 泥沙的推移運(yùn)動(dòng)，主要包括：泥沙的起動(dòng)，沙波運(yùn)動(dòng)，推移質(zhì)輸沙率，動(dòng)床阻力 懸移質(zhì)運(yùn)動(dòng)，包括懸移質(zhì)運(yùn)動(dòng)的基本概念、水流挾沙力、懸移質(zhì)含沙量沿垂線的分布等泥沙的起動(dòng)河流動(dòng)力學(xué) 設(shè)想在具有一定泥沙組成的床面上，使水流的速度由

21、小到大逐漸增加，直到使床面泥沙(簡(jiǎn)稱床沙)由靜止轉(zhuǎn)入運(yùn)動(dòng)，這種現(xiàn)象稱為泥沙的起動(dòng) 泥沙顆粒由靜止?fàn)顟B(tài)變?yōu)檫\(yùn)動(dòng)狀態(tài)的臨界水流條件稱為泥沙的起動(dòng)條件 常見(jiàn)的表達(dá)方式有兩種：當(dāng)用平均流速來(lái)表示時(shí)，稱為起動(dòng)流速；當(dāng)用水流剪切力來(lái)表示時(shí)，稱為起動(dòng)剪切力或起動(dòng)拖曳力 泥沙的起動(dòng)條件是泥沙的基本水力特性之一，同時(shí)，它又是河床沖刷的臨界條件 泥沙的起動(dòng)是一個(gè)非常復(fù)雜的問(wèn)題，不僅決定于水流對(duì)泥沙的作用力，也與泥沙顆粒本身的性質(zhì)和床面組成的均勻程度密切相關(guān)散粒體均勻泥沙的起動(dòng)流速 大量的研究表明，促使水平河床上的散粒體粗顆粒泥沙運(yùn)動(dòng)的力主要是水平方向上水流的推移力和垂直方向上水流的上舉力，而抗拒運(yùn)動(dòng)的力主要是泥沙

22、顆粒的有效重力 推移力和上舉力產(chǎn)生的解釋是： 當(dāng)水流流經(jīng)泥沙顆粒時(shí)，在顆粒迎水面流速成小，壓力增大，而在顆粒背后水流離解，形成漩渦，產(chǎn)生負(fù)壓，兩者合起來(lái)構(gòu)成水平方向上的推移力FD； 同時(shí)，由于流速分布不均勻，顆粒上、下的繞流不對(duì)稱，顆粒下方流速小、壓力大，顆粒上方流速大、壓力小兩者合起來(lái)構(gòu)成了垂直方向上的上舉力FL 從上述公式可知，對(duì)于散粒體泥沙而言，粒徑越粗越難起動(dòng)，但實(shí)際現(xiàn)觀測(cè)表明，對(duì)于粒徑較細(xì)的散粒體泥沙，這一規(guī)律卻并不適用，即當(dāng)粒徑小于一定數(shù)值時(shí)，細(xì)顆粒泥沙也難以起動(dòng)。 對(duì)于這一現(xiàn)象的解釋，目前還存在不同看法。一部分研究者認(rèn)為，在床面附近存在著一層很薄的邊界層流層當(dāng)泥沙顆粒很細(xì)時(shí)，顆粒

23、有可能部分甚至全部淹沒(méi)在邊界層流層內(nèi)，從而使得泥沙顆粒受到達(dá)界層流層的隱蔽作用，使起動(dòng)變得因難。根據(jù)這一設(shè)想，可以推得另一種類型的起動(dòng)公式，即起動(dòng)拖曳力公式。散粒體均勻泥沙的起動(dòng)拖曳力 如果確定垂線平均流速時(shí)采用如下的對(duì)數(shù)流速分布公式散粒體及粘性泥沙的統(tǒng)一起動(dòng)流速公式河流動(dòng)力學(xué) 從與實(shí)測(cè)資料的符合情況看，對(duì)于比較細(xì)的泥沙顆粒，各式都比較接近。對(duì)于粗顆粒，各式存在著一定差異：沙玉清的公式偏上，竇國(guó)仁的公式偏下，張瑞瑾、唐存本的公式介于兩者之間。顯然，盡管各個(gè)公式中粘結(jié)力的表達(dá)式有比較大的差別，即起動(dòng)流速公式推導(dǎo)出發(fā)點(diǎn)不同、但由于推導(dǎo)過(guò)程中均包含了兩個(gè)以上的待定系數(shù)，只要選擇比較可靠的實(shí)測(cè)資料就可

24、以便公式的系數(shù)比較恰當(dāng)?shù)卮_定，從而使計(jì)算結(jié)果比較符合實(shí)際情況 泥沙起動(dòng)臨界狀態(tài)的判別 實(shí)際上隨著水流的加強(qiáng)，推移質(zhì)泥沙運(yùn)動(dòng)大致包括下列四種情形： 無(wú)泥沙運(yùn)動(dòng)，全部床沙處于靜止?fàn)顟B(tài) 輕微的泥沙運(yùn)動(dòng)：有屈指可數(shù)的泥沙在推移運(yùn)動(dòng)有關(guān)問(wèn)題的討論 中等強(qiáng)度的泥沙運(yùn)動(dòng)，推移質(zhì)泥沙運(yùn)動(dòng)已達(dá)到無(wú)法計(jì)數(shù)的程度 普遍性的泥沙運(yùn)動(dòng)，引起床面外形的改變 天然河流中床沙是否起動(dòng)一般不易觀測(cè)。通常采用的辦法是測(cè)推移質(zhì)泥沙輸沙率和水流強(qiáng)度的關(guān)系曲線，然后特此曲線延長(zhǎng)到底沙輸沙率為零的地方，其相應(yīng)的水流強(qiáng)度即為泥沙的起動(dòng)條件 非均勻沙的起動(dòng) 一般沖積河流的床沙組成都比較均勻，此時(shí)用平均粒徑或中值粒徑來(lái)計(jì)算，與實(shí)際基本相符 泥

25、沙組成不均勻，由于非均勻沙的起動(dòng)情況相當(dāng)復(fù)雜，其起動(dòng)時(shí)的水流強(qiáng)度較均勻沙的相應(yīng) 礫石及卵石的起動(dòng) 山區(qū)丘陵河流局部河段內(nèi)的河床常由礫石或卵石組成，習(xí)慣上將粒徑大于10 mm的稱為卵石，小于10mm的稱為礫石 這類粒徑的泥沙的起動(dòng)問(wèn)題目前的研究成果仍很少 卵石的幾何形狀及其相互問(wèn)的排列對(duì)起動(dòng)有一定影響，如扁平狀的卵石較球形的難起動(dòng)，魚(yú)鱗狀排列的較松散的難起動(dòng) 泥沙的止動(dòng)和揚(yáng)動(dòng)條件 泥沙止動(dòng)條件是指泥沙顆粒由運(yùn)動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)殪o止?fàn)顟B(tài)時(shí)的臨界水流條件。 一種意見(jiàn)認(rèn)為，由于運(yùn)動(dòng)中的泥沙顆粒是松動(dòng)的，因而粘結(jié)力不起作用，所以止動(dòng)流速常小于起動(dòng)流速 另一種意見(jiàn)則認(rèn)為，粘結(jié)力只能解釋粘性沙的情形，而散粒體泥沙

26、就應(yīng)該從泥沙運(yùn)動(dòng)的慣性角度解釋。 止動(dòng)流速與起動(dòng)流速的關(guān)系常以下式表示 式中K為小于1.0的系數(shù)，岡恰洛夫認(rèn)為K0.71；沙莫夫認(rèn)為K0.83 泥沙揚(yáng)動(dòng)條件是指泥沙顆粒躍起后不再回落在床面上，而且懸浮于水中，并隨水流呈懸浮方式運(yùn)動(dòng)時(shí)的臨界水流條件沙波運(yùn)動(dòng)與動(dòng)床阻力河流動(dòng)力學(xué)沙波 從天然河道及實(shí)驗(yàn)室水槽中均可觀察到，當(dāng)推移質(zhì)泥沙運(yùn)動(dòng)達(dá)到一定程度時(shí)，河床表面就會(huì)出現(xiàn)起伏不平但又比較規(guī)則的被狀起伏，稱為沙波 沙波是推移質(zhì)泥沙運(yùn)動(dòng)的主要外在表現(xiàn)形式，對(duì)水流結(jié)構(gòu)、泥沙運(yùn)動(dòng)和河床演變均有重大影響 為沙波的縱剖面。沙波向上隆起的最高點(diǎn)部分叫波峰，最低點(diǎn)部分稱波谷，相鄰波峰之間或波谷之間的距離為波長(zhǎng)，波谷底至

27、被速頂?shù)你U直距離為波高。 沙波迎水面較平坦，在波谷的最低點(diǎn)，坡度為0，自此往上，坡度逐漸增加，在波谷和波峰之間的某個(gè)位置，坡度達(dá)到最大值沙波的形態(tài)和運(yùn)動(dòng)特性過(guò)此之后，坡度又逐漸減小，到達(dá)波峰頂處，坡度趨近于0；背水面較陡峻。背水面因受到漩渦的推擋作用，坡度一般要比泥沙在水下的休止角稍陡一些。背水面的坡度變化與迎水面不同，在波峰處最大，此后逐漸減小，到坡底(波谷)處為0。沙波迎、背水面不是光滑連續(xù)的曲線沙波表面附近的水流流態(tài)和沙被的縱剖面形態(tài)緊密相關(guān)實(shí)際觀測(cè)表明：沙波表面附近的水流速度不是均勻分柜的，而是在波谷處最小，在波峰處最大河流動(dòng)力學(xué) 水流越過(guò)波峰后，常常發(fā)生離解現(xiàn)象，產(chǎn)生橫軸環(huán)流，此時(shí)波

28、谷背水面的水流速度將出現(xiàn)負(fù)值，而波谷以下迎水面上的水流速度仍為正值，正負(fù)流速之間的停滯點(diǎn)位于波谷底附近。 沙波表面附近的水流流態(tài)決定了沙波表面的泥沙運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和沙波運(yùn)動(dòng)狀態(tài) 流速大的地方，泥沙運(yùn)動(dòng)得快；流速較小的地方，泥沙運(yùn)動(dòng)得慢；流速小于泥沙起動(dòng)流速時(shí)，泥沙將停止運(yùn)動(dòng)；流速為正值的地方，泥沙將向下游方向運(yùn)動(dòng)；流速為負(fù)值的地方，泥沙將向上游方向運(yùn)動(dòng)；水流的停滯點(diǎn)同樣也是泥沙的停滯點(diǎn) 沙波的迎流面實(shí)際上為沖刷區(qū)，而沙波的背流面則是淤積區(qū)。沖刷區(qū)泥沙不斷被沖刷帶走，淤積區(qū)泥沙不斷淤高所造成的動(dòng)態(tài)結(jié)果是整個(gè)沙波向下游整體爬行 沙波的運(yùn)動(dòng)有兩個(gè)重要現(xiàn)象 沙波對(duì)床沙的分選作用 從上游沿著迎水而帶來(lái)的泥沙，

29、當(dāng)落入背水面的漩渦時(shí)，粗泥沙堆積在谷底；細(xì)泥沙在負(fù)流速作用下沿著背水面向上運(yùn)動(dòng)，越細(xì)的泥沙就越向上；這樣就形成上細(xì)下粗的分層淤積， 沙波表面泥沙運(yùn)動(dòng)的間歇性 表現(xiàn)在雖然每一顆運(yùn)動(dòng)的泥沙，其速度接近水流的運(yùn)動(dòng)速度，但當(dāng)它落入波谷時(shí)就不再前進(jìn)，要等到這些泥沙再次處于下一個(gè)沙波的迎水面上時(shí)才繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，因此組成沙波的全部泥沙的平均運(yùn)動(dòng)速度，也就是沙波的運(yùn)動(dòng)速度是很慢 沙波分類（四種） 帶狀沙波（少見(jiàn)） 波峰線基本上成平行線、與水流方向垂直，或略顯斜交。只在平面二維水流中，沙波剛開(kāi)始形成時(shí)，才可能出現(xiàn) 斷續(xù)蛇曲狀沙波（最常見(jiàn)） 波峰線成不規(guī)則曲線，時(shí)繼時(shí)續(xù)，大致與流向垂直 新月形沙波(堆狀沙波：常見(jiàn))

30、沙波的波長(zhǎng)與波寬基本上相等，此交錯(cuò)的，呈魚(yú)鱗狀，排列整齊，也稱沙鱗。波峰多凸向上游，如弦月 舌狀沙波 與新月型沙波類似只是波峰紋凸向下游-從沙波的幾何尺度來(lái)分，主要有以下種類 沙紋，波高l2cm，波長(zhǎng)幾厘米到十幾厘米，在天然河道的沙灘上可以經(jīng)常看 中等大小的沙波叫沙壟，尺度變幅很大，波高由不足1m到23m，波長(zhǎng)由幾米至100 m以上不等。在天然河道的邊灘上，這種沙壟也?？煽吹?最大的一種叫做沙丘或者沙灘，實(shí)際上是一種泥沙成型堆積體 河床形態(tài)的判別 要判別河床形態(tài)，即要判別沙波發(fā)展所處的階段，就要在分析決定各類沙波形成和發(fā)展的一些動(dòng)力因素，以及它們的分區(qū)情況，然后找到?jīng)Q定河床形態(tài)的無(wú)量綱力學(xué)參數(shù)

31、 反映了水流促使泥沙運(yùn)動(dòng)的力和床沙抗拒運(yùn)動(dòng)的力的比值 希爾茲數(shù)一個(gè)描述泥沙從不動(dòng)到運(yùn)動(dòng)、從微動(dòng)到大動(dòng)的重要指標(biāo) 數(shù)越大，泥沙可動(dòng)性越強(qiáng) 沙粒雷諾數(shù)可以直接反映床沙高度與粘性底層的厚度之比，也可以間接衡量水流促使泥沙運(yùn)動(dòng)的力與粘滯力的比值。由于沙紋的產(chǎn)生可能與粘性底層有關(guān)，因此沙粒雷諾數(shù)也是一個(gè)重要的無(wú)量綱參數(shù) 弗汝德數(shù)對(duì)于運(yùn)動(dòng)與水深和流速沿程變化相關(guān)的沙壟的發(fā)展具有十分明顯的意義動(dòng)床阻力 定義： 沖積河流河床上常有泥沙運(yùn)動(dòng)，并是往往形成起伏不平的沙波。因此，它的阻力與定床阻力不同，稱為動(dòng)床阻力 一般說(shuō)來(lái)，動(dòng)床阻力由以下兩部分組成 沙粒阻力，也稱表面阻力，是沙波迎水坡面上泥沙顆粒產(chǎn)生的阻力，與定

32、床沙阻不同 沙波阻力，也稱形態(tài)阻力，是沙波背后水流分離，形成波渦而產(chǎn)生的阻力，這部分阻力是定床阻力所沒(méi)有的，它隨著沙波的形態(tài)和尺度而改變 動(dòng)床阻力不是一個(gè)常數(shù)，隨水力條件變化的推移質(zhì)泥沙輸沙率河流動(dòng)力學(xué) 定義 在一定水力、泥沙條件下，單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)過(guò)水?dāng)嗝娴耐埔瀑|(zhì)數(shù)量稱為推移質(zhì)輸沙率。用Gb表示，單位一般用kg/s或者t/s 在一定水力、泥沙條件下，單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)過(guò)水?dāng)嗝鎲挝粚挾鹊耐埔瀑|(zhì)數(shù)量稱為推移質(zhì)單寬輸沙率，簡(jiǎn)稱單寬輸沙率、用gb表示，單位一般用kg/ms或者t/ms 推移質(zhì)通?？蓜澐譃樯迟|(zhì)推移質(zhì)與卵石推移質(zhì)兩種，前者多出現(xiàn)在沖積平原由中細(xì)沙(也包括少量粗沙)組成的河床上，后者多出現(xiàn)在山區(qū)

33、由卵石(也包括少量礫石及粗沙組成的河床上 推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)弱與水流強(qiáng)度關(guān)系極大 由于推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)對(duì)流速的變化十分敏感、而河道水流具有紊動(dòng)特性，推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)的時(shí)空變化規(guī)律反映出如下的突出特點(diǎn)： 對(duì)于一定的水流、斷面形態(tài)和床沙組成的河床來(lái)說(shuō)，推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)在空間上僅出現(xiàn)在斷面的一定寬度內(nèi)，即存在所謂推移質(zhì)輸移帶，而在有推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)的地方，其輸沙率在時(shí)間總是以隨機(jī)變量的形式出現(xiàn)，存在一定的分布規(guī)律。通常所說(shuō)的推移質(zhì)輸沙率系指其數(shù)學(xué)期望河流動(dòng)力學(xué) 在來(lái)水來(lái)沙不變的平衡狀態(tài)下，對(duì)單顆泥沙來(lái)說(shuō)，其主要表現(xiàn)形式是不連續(xù)的，時(shí)快時(shí)慢，走走停停。粒徑愈大，停的時(shí)間愈長(zhǎng)，走的時(shí)間愈短，運(yùn)動(dòng)的速度愈慢 對(duì)群體泥沙來(lái)說(shuō)，推移質(zhì)運(yùn)

34、動(dòng)主要表現(xiàn)形式為連續(xù)的沙波運(yùn)動(dòng) 基于水動(dòng)力學(xué)原理的輸沙率公式 以流速為主要參數(shù)的推移質(zhì)輸沙率公式 以拖曳力為主要參變數(shù)的推移質(zhì)輸沙率公式 基于能量平衡概念的輸沙率公式 基于統(tǒng)計(jì)法則的輸沙率公式懸移質(zhì)運(yùn)動(dòng)的基本概念河流動(dòng)力學(xué) 天然河流中的床沙(組成河床的泥沙，有的文獻(xiàn)稱河床質(zhì))、推移質(zhì)、懸移質(zhì)的粒徑組成，以懸移質(zhì)的粒徑為最細(xì)，非均勻性最大 與推移質(zhì)不同，懸移質(zhì)在水流中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，不是滾動(dòng)、滑動(dòng)或躍移，而是在水流的諸流層中懸移前進(jìn)，時(shí)而接近水面、時(shí)而接近河床，留下只具有統(tǒng)計(jì)學(xué)機(jī)遇性質(zhì)而無(wú)力學(xué)必然規(guī)律的跡線 推移質(zhì)泥沙運(yùn)動(dòng)的間斷性強(qiáng)，而懸移質(zhì)泥沙運(yùn)動(dòng)的持續(xù)性一般是相當(dāng)大的 重力作用與紊動(dòng)擴(kuò)散作用除特

35、殊情況外，懸移質(zhì)含沙量沿水深的分市都是上稀下濃，即存在自下而上逐漸減小的含沙量梯度 懸移質(zhì)在紊動(dòng)水流中，既因承受重力作用而下沉，又因承受紊動(dòng)擴(kuò)散作用而上升 懸移質(zhì)圍受重力作用而下沉和因受紊動(dòng)擴(kuò)散作用而上升的效果的對(duì)比，使成為導(dǎo)致河床沖刷、淤積或暫時(shí)平衡的決定性因素 重力作用對(duì)于連續(xù)介質(zhì)、散粒群體及散粒個(gè)體都是適用的；紊動(dòng)擴(kuò)散作用只能適用于連續(xù)介質(zhì)與可作為連續(xù)介質(zhì)處理的散粒群體，不適用于散粒個(gè)體床沙質(zhì)與沖瀉質(zhì) 在河流的水文測(cè)驗(yàn)工作中發(fā)現(xiàn)床沙及懸移質(zhì)泥沙的組成具有以下特點(diǎn)： 床沙比較均勻，而懸移質(zhì)泥沙組成則很不均，反映在級(jí)配曲線上就是床沙的級(jí)配曲線坡度比較陡，而懸移質(zhì)的級(jí)配曲線比較緩 床沙的平均粒

36、徑常較后者的平均粒徑力大 床沙中的粗顆粒多于細(xì)顆粒，而懸移質(zhì)中的細(xì)顆粒則多于粗顆粒，并且懸移質(zhì)中較粗的一小部分泥沙是床沙中大量有在的，而大部分較細(xì)的泥沙卻是床沙中少有的或根本沒(méi)有的 、通常把相當(dāng)于組成床沙主體的粗顆粒泥沙稱為床沙質(zhì)，把懸移質(zhì)中大部分細(xì)顆粒泥沙稱為沖瀉質(zhì) 懸移質(zhì)中的床沙質(zhì)和沖瀉質(zhì)是既有區(qū)別又相聯(lián)系的兩種泥沙 河段的床沙質(zhì)輸沙率和上游來(lái)沙量無(wú)關(guān)，只與本河段的水流條件有關(guān)，同時(shí)床沙質(zhì)與河道的沖淤變化有密切的關(guān) 一般情況下，河流中的沖瀉質(zhì)往往處于不飽和狀態(tài)，它的含沙量大小主要決定于上游河段的來(lái)沙情況，而上游河段的來(lái)沙條件在很大程度上取決于流域內(nèi)的地表沖蝕狀況，所涉及的因素是復(fù)雜的 床沙

37、質(zhì)和沖瀉質(zhì)在一定條件可以相互轉(zhuǎn)化床沙質(zhì)和沖瀉質(zhì)的界限是相對(duì)的在具體的資料分析工作中，通常將懸移質(zhì)級(jí)配曲線與相應(yīng)的(即相同的水流條件下的)床沙粒配曲線進(jìn)行對(duì)比來(lái)劃分懸移質(zhì)中的床沙質(zhì)與沖瀉質(zhì)水流挾沙力河流動(dòng)力學(xué)定義 一般情形下，當(dāng)發(fā)生泥沙沖刷的時(shí)候，必定是水流有富余的挾帶泥沙的能力；當(dāng)發(fā)生泥沙淤積的時(shí)候，必定是水流挾帶的泥沙已經(jīng)超過(guò)它的能力 水流挾沙力的確切定義為： 在一定的水流和泥沙綜合條件(這些條件包括水流總流的平均流速u、過(guò)水?dāng)嗝婷娣eA、水力半徑R、清水水流的比降J、渾水水流的比降J、泥沙沉速、水的密度，泥沙的密度s和床面組成等邊界條件)下，水流能夠挾帶的懸移質(zhì)中的床沙質(zhì)的臨界含沙量S*從能

38、量平衡觀點(diǎn)建立挾沙力公式 能量平衡觀點(diǎn)的核心是： 河道水流的能量損失包括其內(nèi)部的粘性損失、紊動(dòng)損失和挾帶泥沙所消耗的能量 如果泥沙懸浮在水流中增強(qiáng)水流的紊動(dòng)，那么懸浮泥沙所消耗的能量就是直接取自水流的勢(shì)能；如果泥沙懸浮在水流當(dāng)中制約并使水流的紊動(dòng)減弱，那么懸浮泥沙所消耗的能量就是取自水流的紊動(dòng)能 大量的事實(shí)表明泥沙的存在減弱了水流的紊動(dòng)，懸浮泥沙的能量取自水流的紊動(dòng)能。張瑞瑾正是據(jù)此創(chuàng)立了制紊假說(shuō)，建立了水流挾沙力公式 應(yīng)注意的問(wèn)題 以具有中、低含沙量的牛頓式紊流為限，含沙量達(dá)10-1102， 達(dá)10-1104 在運(yùn)用中，m及k的準(zhǔn)確選定是重要 是按沙樣粒徑大小分為若干組，分別求出各組的中值粒

39、徑，再以之作代表粒徑計(jì)算各組的 及相應(yīng)的水流扶沙力S* 河道演變規(guī)律河床演變的基本原理河床演變是輸沙不平衡的直接后果如果進(jìn)入這一區(qū)域的沙量大于該區(qū)域水流所能輸送的沙量，河床將淤積抬高；相反，如果進(jìn)入這一區(qū)域的沙量小于該區(qū)域水流所能輸送的沙量時(shí)，河床將沖刷降低若進(jìn)一步追溯輸沙不平衡的根本原因，可區(qū)分為兩種不同的情況，起因于動(dòng)床水沙兩相流的內(nèi)在矛盾外部條件的不恒定性造成 當(dāng)外部條件，即進(jìn)口水沙條件、出口侵蝕基點(diǎn)條件和河床周界條件保持恒定，且整個(gè)河段處于輸沙平衡狀態(tài)時(shí)，河段的各個(gè)部分仍可能處于輸沙不平衡狀態(tài) 這是由于推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)往往采取沙被運(yùn)動(dòng)形式，而在天然河流上還往往采取成型堆積體運(yùn)動(dòng)形式造成的。沙

40、波和成型堆積體的存在將原來(lái)均勻一致的水流改造成為在近底部分的收縮段和擴(kuò)張段，也就是加速區(qū)和減速區(qū)交替出現(xiàn)的非均勻水流，泥沙在水流加速區(qū)發(fā)生沖刷，而在水流減速區(qū)發(fā)生淤積，其結(jié)果使得整體上仍處于輸沙平衡狀態(tài)的河床，在局部上己處于輸沙不平衡狀態(tài)，同一瞬間河床高程沿流程呈波狀變化；同一空間點(diǎn)河床高程沿時(shí)程呈波狀變化。 值得注意的是，水沙兩相流動(dòng)床的平直狀態(tài)是不穩(wěn)定的，施加一個(gè)小的擾動(dòng)波之后就會(huì)轉(zhuǎn)變成為波動(dòng)狀態(tài)，并在相當(dāng)大的范圍內(nèi)，有能力將這種波動(dòng)狀態(tài)保持下去，這是由水沙兩相流的內(nèi)在矛盾決定的，它反映了輸沙不平衡的絕對(duì)性，從而也反映了河床演變的絕對(duì)性 使河流經(jīng)常處于輸沙不平衡狀態(tài)的另一重要原因是，河流的

41、進(jìn)出口條件經(jīng)常處于發(fā)展變化過(guò)程之中進(jìn)口水沙條件幾乎總在變化 這主要是由氣候因素，特別是降水因素在數(shù)量及地區(qū)分布上的不穩(wěn)定性造成的，由此產(chǎn)生的水沙量的因時(shí)變化比較顯著 其它因素，如地形、土壤、植被等也存在一些緩慢的變化，對(duì)進(jìn)口水沙條件的變化也有一定的影響 出口條件 如果著眼點(diǎn)是前面提到的侵蝕基面，其變化是很緩慢的； 如果著眼點(diǎn)是水流條件的變化，如干支流的相互頂托，潮汐波對(duì)洪水波的影響等，仍可能產(chǎn)生很大的變化河床周界條件 通常是比較穩(wěn)定的，但當(dāng)局界發(fā)生急劇變形之后，如周界的形態(tài)和地質(zhì)組成出現(xiàn)急變，也可能激發(fā)新的輸沙不平衡河床演變的分析方法河流動(dòng)力學(xué)分類 按時(shí)間特征：長(zhǎng)期變形和短期變形； 按空間特征

42、：大范圍變形和局部變形； 按形式特征：縱深向變形和橫寬向變形； 按方向性特征：?jiǎn)蜗蜃冃?單向沖刷或淤積)和復(fù)歸性變形(沖刷淤積交替進(jìn)行)； 按是否受人類活動(dòng)干擾：自然變形和受人為干擾變形河流動(dòng)力學(xué) 影響河床演變的主要因素可概括為 河段上游來(lái)水量及其變化過(guò)程 河段上游來(lái)沙量、來(lái)沙組成及其變化過(guò)程 河段出口處的侵蝕基點(diǎn)高程及河床周界條件等 目前常用的幾種演變分析方法 天然河道實(shí)測(cè)資料分析 運(yùn)用泥沙運(yùn)動(dòng)基本規(guī)律及河床演變基本原理、對(duì)河床變形進(jìn)行理論計(jì)算 運(yùn)用河流模擬的基本理論，對(duì)河床演變進(jìn)行預(yù)測(cè) 對(duì)條件相類似的河段進(jìn)行類比分析（在所研究的河段資料不完備的條件下采用）天然河道實(shí)測(cè)資料分析 河段來(lái)水來(lái)沙

43、資料分析 根據(jù)多年平均流量、多年平均輸沙量資料，確定要分折的年份屬什么類型的典型年， 若為豐水枯沙年則有利于河道沖刷；若為枯水豐沙年，則有利于淤積；若為中水中沙年，河道可能會(huì)處于沖淤平衡狀態(tài)。進(jìn)一步劃分又可分為豐水豐沙年、豐水中沙年、中水豐沙年：、中水枯沙年、枯水枯沙年等。不同的水沙典型，河道演變的方向、演變的幅度會(huì)有明顯著異 若需要進(jìn)一步分析河床演變的細(xì)節(jié)，則需仔細(xì)分析水沙過(guò)程的年內(nèi)變化情況，特別是研究淺灘河段年內(nèi)沖淤變化規(guī)律時(shí)，漲水和退水時(shí)間的長(zhǎng)短、沙峰和洪峰孰先孰后、洪峰與沙峰的峰型及峰量等，往往關(guān)系到淺灘河段年內(nèi)沖淤變化及礙航情況 對(duì)水道地形觀測(cè)資料的整理分析 河道縱向演變及沖淤量估算

44、 河段歷年實(shí)測(cè)的深泓線(或河床平均高程線)繪制在同一幅圖上，通過(guò)分析對(duì)照，即可看出該河段沿深泓線(或沿幾何軸線)的縱向沖淤變化 點(diǎn)繪水位流量關(guān)系圖，可以間接判斷河床的沖淤情況，并據(jù)此分析河段沖淤發(fā)展趨勢(shì) 根據(jù)歷年水位、流量實(shí)測(cè)資料，可繪制同流量下的水位過(guò)程線，用于分析河段年際沖淤變化 當(dāng)河道上設(shè)有多處水文站，并有歷年實(shí)測(cè)懸移質(zhì)輸沙率資料時(shí)，可以根據(jù)輸沙平衡原理，計(jì)算某時(shí)段內(nèi)上、下水文站輸沙量之差，據(jù)此可判斷該時(shí)段內(nèi)河床的沖淤變化及其沖淤量 當(dāng)河段內(nèi)有若干次實(shí)測(cè)大斷面成果時(shí)，則可進(jìn)行河道斷面的沖淤計(jì)算，具體做法是： 每個(gè)斷面選擇一個(gè)定常的比較高的控制高程作為斷面沖淤計(jì)算的基準(zhǔn)面； 分別計(jì)算各斷面

45、歷次實(shí)測(cè)控制基準(zhǔn)面以下的斷面面積； 計(jì)算各斷面相鄰兩個(gè)側(cè)次的斷面面積之差，并根據(jù)上、下相鄰兩個(gè)斷面的間距，計(jì)算其間的沖淤量； 根據(jù)計(jì)算所得沖淤量，繪制沿程沖淤變化圖 對(duì)河床地質(zhì)資料的整理分析 河床地質(zhì)條件是影響河床演變的重要團(tuán)素之一 當(dāng)河床由易沖刷的松散沙質(zhì)組成時(shí)，河床的變化將較急劇，河床將不穩(wěn)定 當(dāng)河床由不易沖刷的土質(zhì)組成時(shí)，河床演變的過(guò)程將較緩慢，河床將比較穩(wěn)定 如果河床的地質(zhì)組成極為復(fù)雜，則河床演變的過(guò)程也將很復(fù)雜河流動(dòng)力學(xué)河相關(guān)系河流動(dòng)力學(xué)定義 能夠自由發(fā)展的沖積平原河流的河床，在水流的長(zhǎng)期作用下，有可能形成與所在河段具體條件相適應(yīng)的某種均衡的河床形態(tài)，亦這種均衡和表達(dá)來(lái)水來(lái)沙條件(如

46、流量、含沙量、泥沙粒徑等)及河床地質(zhì)條件(在沖積平原河流中其本身的部分甚至整體往往又是來(lái)水來(lái)沙條件的函數(shù)）的特征物理量之間，常存在某種函數(shù)關(guān)系，這種函數(shù)關(guān)系稱為河相關(guān)系或均衡關(guān)系 由于河床形態(tài)常處在發(fā)展變化的過(guò)程之中，所謂均衡形態(tài)并不意味著一成不變，而只是就空間和時(shí)間的平均情況而言河流動(dòng)力學(xué) 存在兩種河相關(guān)系， 相應(yīng)于某一特征流量，如造床流量的河相關(guān)系，利用這樣的河相關(guān)系，對(duì)于某一斷面，只能確定惟一的河寬、水深及比降。這樣的河相關(guān)系，適用于一個(gè)河段的不同斷面，同一河流的不同河段，甚至不同河流。它只涉及斷面的宏觀形態(tài)，而不涉及其細(xì)節(jié)。在文獻(xiàn)中有時(shí)稱之為沿程河相關(guān)系 同一斷面相應(yīng)于不同流量的河相關(guān)

47、系，它能確定斷面形態(tài)隨流量變化的細(xì)節(jié)，在文獻(xiàn)中有時(shí)稱之為斷面河相關(guān)系。通常所說(shuō)的河相關(guān)系，常指沿程河相關(guān)系，在用沿程河相關(guān)系確定斷面的總體輪廓之后，再用斷面河相關(guān)系確定其變化細(xì)節(jié) 沖積河流水力計(jì)算和河道整治的依據(jù)造床流量 無(wú)論是河床的穩(wěn)定系數(shù)，還是河相關(guān)系，都要使用單一的所謂造床流量作為特征流量。而實(shí)際上影響河床形態(tài)及其演變特性的流量是變化不定的，因此，這個(gè)單一的造床流量應(yīng)該是其造床作用與多年流量過(guò)程的綜合造床作用相當(dāng)?shù)哪骋环N流量。這種流量對(duì)塑造河床形態(tài)所起的作用最大，但它不等于最大洪水流量，因?yàn)楸M管最大洪水流量的造床作用劇烈，但時(shí)間過(guò)短，所起的造床作用并不是很大；它也不等于枯水流量，因?yàn)楸M管

48、枯水流量作用時(shí)間甚長(zhǎng)，但流量過(guò)小，所起的造床作用也不可能很大。因此，造床流量應(yīng)該是一個(gè)較大但又并非最大的洪水流量 確定造床流量方法 馬卡維也夫法:某個(gè)流量造床作用的大小，既與該流量的輸沙能力有關(guān)，同時(shí)也與該流量所持續(xù)的時(shí)間有關(guān)。前者可認(rèn)為與流量Q的m次方及比降J的乘積成正比，后者可用該流量出現(xiàn)的頻率P來(lái)表示。 因此，當(dāng)QmJP的乘積力最大時(shí)，其所對(duì)應(yīng)的流量的造床作用也最大，這個(gè)流量便是所要求的造床流量 計(jì)算的具體步驟如下 將河段某斷面歷年(或選典型年)的流量過(guò)程分成相等的流量級(jí) 確定各級(jí)流量出現(xiàn)的頻率P 繪制該河段的流量比降關(guān)系曲線，以確定特級(jí)流量相應(yīng)的比降 算出相應(yīng)于每一級(jí)流量的QmJP值，

49、其中Q為該流量級(jí)的平均值；m為指數(shù)，可由實(shí)測(cè)資料確定，即在雙對(duì)數(shù)紙上作GsQ關(guān)系曲線(Gs為與Q相應(yīng)的實(shí)測(cè)斷面的輸沙率)，曲線斜率即為m值，對(duì)平原河流來(lái)說(shuō)，一般可取m2 繪制Q QmJP關(guān)系曲線 從圖中查出QmJP的最大值，相應(yīng)于此最大值的流量Q即為所求的造床流量 實(shí)際資料分析表明，平原河流的QmJP值通常都出現(xiàn)兩個(gè)較大的峰值(見(jiàn)右圖)。相應(yīng)最大峰值的流量值約相當(dāng)于多年平均最大洪水流量，其水位約與河漫灘齊平，一般稱此流量為第一造床流量。相應(yīng)次大峰值的流量值略大于多年平均流量，其水位約與邊灘高程相當(dāng)，一般稱此流量為第二造床流量決定中水河槽的流量應(yīng)為第一造床流量，第二造床流量?jī)H對(duì)塑造枯水河床有一定

50、的作用，通常所說(shuō)的造床流量系指第一造床流量 平灘水位法 用漫灘水位確定造床流量，是由于按前述方法計(jì)算的造床流量水位大致與河漫灘齊平，同時(shí)，也只有當(dāng)水位平灘時(shí)，造床作用才最大，因?yàn)楫?dāng)水位再升高漫灘時(shí)，水流分散，造床作用降低，水位低于河漫攤時(shí)，流速較小，造床作用也不強(qiáng)。這一方法亦稱漫灘流量法。 使用這一方法的困難之處在于河漫灘高程不易準(zhǔn)確確定。為了避免用一個(gè)斷面時(shí)河漫灘高程難以確定及代表性不強(qiáng)的缺點(diǎn)，可以在河段內(nèi)取若干個(gè)有代表性的斷面，取其平灘水位時(shí)的平均流量值作為造床流量 此法概念清楚，簡(jiǎn)便易行，實(shí)際工作中應(yīng)用較廣泛 造床流量的保證率法河相關(guān)系 早期的河相關(guān)系 早期的河相關(guān)系基本上是經(jīng)驗(yàn)性質(zhì)的

51、具體做法是，選取比較穩(wěn)定或沖淤幅度不大，年內(nèi)輸沙接近平衡的可以自由發(fā)展的人工渠道和天然河道進(jìn)行觀測(cè)，在形態(tài)因素與水力泥沙因素之間建立經(jīng)驗(yàn)關(guān)系祈成果，如格魯什科夫提出的如下寬深關(guān)系式 其中河寬B及平均水深h是相應(yīng)于平攤流量而言的、單位為米，通稱河相系數(shù)，山區(qū)河段為1.4，細(xì)沙河段為5.5hB 上反映了天然河流隨著河道尺度或流量的增大，河寬增加遠(yuǎn)較水深增加為快的般性規(guī)律。進(jìn)一步的研究表明。與河型密切相關(guān) 近代河相關(guān)系 量綱分析法 謝鑒衡方法 最小活動(dòng)性假說(shuō) 能耗最小假說(shuō)河床穩(wěn)定性 縱向穩(wěn)定系數(shù) 河床在縱深方向的穩(wěn)定性主要決定于泥沙抗拒運(yùn)動(dòng)的摩阻力與水流作用于泥沙的拖曳力的對(duì)比 這個(gè)比值愈大，泥沙運(yùn)

52、動(dòng)強(qiáng)度愈弱，河床因沙坡、成型堆積體運(yùn)動(dòng)及與之相應(yīng)的水流變化產(chǎn)生的變形愈小，因而愈穩(wěn)定；相反、比值愈小，泥沙運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度愈大，河床產(chǎn)生的變形愈大，因而愈不穩(wěn)定河床穩(wěn)定性（續(xù)） 橫向穩(wěn)定系數(shù) 橫向穩(wěn)定與河岸穩(wěn)定密切相關(guān)。 從問(wèn)題的物理實(shí)質(zhì)來(lái)看，決定河岸穩(wěn)定的因素主要是主流的頂沖地點(diǎn)及其走向和河岸土壤的抗沖能力。主流頂沖河岸，而河岸土壤的抗沖能力愈弱，則河岸愈不穩(wěn)定。 灘槽高差對(duì)河岸的抗沖能力也有一定的影響。灘槽高差愈小，則沖刷同樣寬度帶走的土方量愈少，因而需要的時(shí)間愈短，河岸也愈不穩(wěn)定，但灘槽高差較小，也可看成河岸抗沖能力甚弱的直接后果 平灘流量橫向穩(wěn)定系數(shù) 枯水流量橫向穩(wěn)定系數(shù) 綜合穩(wěn)定系數(shù) 由于河

53、流是否穩(wěn)定，既決定于河床的縱向穩(wěn)定，也決定于河床的橫向穩(wěn)定，很自然地會(huì)聯(lián)想到將這兩個(gè)穩(wěn)定系數(shù)聯(lián)系在一起，構(gòu)成一個(gè)綜合的穩(wěn)定系數(shù)蜿蜒型河道的演變規(guī)律河流動(dòng)力學(xué)定義 蜿蜒河流(meander)一詞起源于土耳其西南部的梅安德(Meander)河，因該河很清楚地呈現(xiàn)出的扭曲折的流路，后來(lái)即以該何名代表蜿蜒型河流 蜿蜒型河段是沖積平原河流最常見(jiàn)的一種河型，在流域條件變化十分廣泛的范圍內(nèi)，都存在這種河型 從土壤地質(zhì)看，絕大多數(shù)河岸是粘性土壤和中細(xì)沙或沙礫組成的二元相結(jié)構(gòu)，河谷都比較開(kāi)闊 在我國(guó)這種河型分市得十分廣泛河流動(dòng)力學(xué)形態(tài)特征 從平面上看，蜿蜒型河段是由一系列正反相間的彎道和介乎其間的過(guò)渡段銜接而成

54、的 在較長(zhǎng)的蜿蜒型河道上，自上游過(guò)波段中點(diǎn)起沿河道中心線至最后一個(gè)過(guò)渡段中點(diǎn)止的曲線長(zhǎng)度L0與起點(diǎn)至終點(diǎn)的直線長(zhǎng)度L1之比，稱為曲折系數(shù) 下荊江的曲折系數(shù)原為2.84，幾經(jīng)裁彎取直后，降為1.89，南運(yùn)河的曲折系數(shù)為1.96河流動(dòng)力學(xué) 單個(gè)河彎而言，上下兩個(gè)過(guò)渡段的中點(diǎn)之間的曲線長(zhǎng)度L c與直線長(zhǎng)度Ll之比為該河彎的曲折系數(shù) 相鄰兩彎頂?shù)臋M向距離Bm稱為擺幅 單個(gè)彎道的彎曲程度是沿程變化的。但在一定的范圍內(nèi)常近似為圓弧形，因而可用圓弧半徑只來(lái)表示其彎曲程度，稱為曲率半徑 R的大小與河流尺度和動(dòng)量有關(guān)河流動(dòng)力學(xué) 在曲率半徑為尺的單個(gè)彎段內(nèi)，上游起點(diǎn)和下游終點(diǎn)輻射線所構(gòu)成的夾角稱為中心角 凹向水流

55、的河岸為凹岸，凸向水流的稱為凸岸二者在平面上都是左右相對(duì)的。兩反向彎道之間的直線段稱為過(guò)渡段河流動(dòng)力學(xué) 從橫斷面看，彎道段呈不對(duì)稱三角形，凹岸一例坡陡水深，凸岸一側(cè)坡緩水淺。過(guò)波段基本是呈對(duì)稱的拋物線形或梯形。由彎道段至過(guò)波段斷面形態(tài)沿程是逐漸變化的 從縱剖面看，其深泓線是沿程起伏相間的，彎道段高程較低，而過(guò)渡段則較高水流特性 蜿蜒型河段的水流運(yùn)動(dòng)受重力和離心慣性力的雙重作用，其等壓面與重力和離心慣性力的合力相垂直，因而水位沿橫向呈曲線變化，凹岸一現(xiàn)象決定了彎道水流結(jié)構(gòu)的特點(diǎn) 這些特點(diǎn)主要反映在水面橫比降J，凹岸和凸岸的縱比降、橫向環(huán)流、縱向垂線平均流速和水流動(dòng)力軸線的變化上河流動(dòng)力學(xué) 菲德曼

56、實(shí)測(cè)的彎道水位等高線 橫比降的存在，使得水流縱比降沿凹岸和凸岸不同 橫比降的水體受力特點(diǎn)，必然會(huì)形成橫向環(huán)流，環(huán)流的方向，其上部恒指向凹岸，下部橫指向凸岸 凡是水流彎曲的部位都存在環(huán)流邊灘的存在促使水流彎曲，故順直型河段也存在環(huán)流。在汊道的分流區(qū)和匯流區(qū)同樣存在環(huán)流輸沙特性河段泥沙的縱向輸移，從長(zhǎng)時(shí)段看基本上是平衡的。除某些特殊情況(例如壩下游的長(zhǎng)距離沖刷)外，一般不存在顯著的單向淤積或沖刷。但由上述水力泥沙因素變化所引起的汛期槽沖灘淤，枯水期槽淤灘沖，則很有規(guī)律性演變規(guī)律 一般演變 平面變化 蜿蜒型河段的平面變化是，蜿蜒曲折的程度不斷加劇，河長(zhǎng)增加，曲折系數(shù)也隨之增大 原因：主要是凹岸的不斷

57、崩退和凸岸的相應(yīng)淤長(zhǎng)，使河彎在平面上不斷發(fā)生位移，并且隨彎頂向下游蠕動(dòng)而不斷改變其平面形狀 平面變形雖然比較大但仍有一定的限度平面變形時(shí)河彎固然不斷變化，但各河彎之間過(guò)渡段的中間部位則基本不變，只是過(guò)渡段長(zhǎng)短不等而已。即，蜿蜒型河段的平面變形，基本上是圍繞由這些中間部位聯(lián)成的擺軸進(jìn)行的 一般演變（續(xù)） 橫向變化 橫斷面變形主要表現(xiàn)為凹岸崩退和凸岸相應(yīng)淤長(zhǎng) 在變化過(guò)程中不僅斷面形態(tài)相似，且沖淤的橫斷面面積也接近相等 可根據(jù)前后兩次實(shí)測(cè)斷面資料，對(duì)斷面的進(jìn)一步發(fā)展趨勢(shì)作出判斷如果崩退的面積大于淤長(zhǎng)的面積，則凸岸會(huì)繼續(xù)淤長(zhǎng)如果凸岸淤長(zhǎng)的面積大于崩退的面積，則凹岸會(huì)繼續(xù)崩退如果崩淤面積接近相等，則表明

58、斷面已接近平衡狀態(tài) 橫斷面變形最本質(zhì)的原因是橫向輸沙不平衡 過(guò)渡段兩岸也會(huì)發(fā)生一定的沖淤變化，但強(qiáng)度較弱。兩岸沖淤面積接近相等，斷面形態(tài)保持不變河流動(dòng)力學(xué)縱向變化 即彎道段洪水期沖刷而枯水期淤積，過(guò)渡段則相反 年內(nèi)沖淤變化雖不能完全達(dá)到平稠，但就較長(zhǎng)時(shí)期的平均情況而言，基本上是平衡的 突變:自然裁彎 蜿蜒型河段的發(fā)展由于某些原因（例如河岸土壤抗沖能力較差)，使同一岸兩個(gè)彎道的彎頂崩退，形成急劇河環(huán)和狹頸。狹頸的起止點(diǎn)相距很近，而水位差較大，如遇水流漫灘，在比降陡流速大的情況下便可將狹頸沖開(kāi)，分泄一部分水流而形成新河。這一現(xiàn)象稱為自然裁彎 突變 撇彎 當(dāng)河彎發(fā)展成曲率半徑很小的急彎后，遲到較大的

59、洪水，水流彎曲半徑遠(yuǎn)大于河彎曲率半徑，這時(shí)在主流帶與凹岸急彎之間產(chǎn)生回流。使原凹岸急彎淤積。這種突變稱為撇彎 撇彎時(shí)凹岸是淤積的，有異于彎道演變的一般規(guī)律 切灘 河彎曲率半徑適中，而凸岸邊灘延展較寬且較低時(shí)，遇到較大的洪水，水流彎曲半徑大于河岸的曲率半徑較多，這時(shí)凸岸邊灘被水流切割而形成串溝，分泄一部分流量，這種突變稱為切灘 產(chǎn)生這一現(xiàn)象的主要原因，是凸岸邊灘較低，抗沖能力較差 自然裁彎與切灘雖然有一些共同點(diǎn)，但實(shí)際上是兩個(gè)不同的概念 自然裁彎是在兩個(gè)河彎之間的狹頸上進(jìn)行的，而切灘發(fā)生在同一河彎的凸岸 切灘所形成的串溝，雖然也可以成為新河，但原河彎不會(huì)被淤積成牛軛湖，而是形成兩條水道并存的分汊

60、河段 兩者對(duì)河勢(shì)的影響，自然裁彎比切灘要大很多分汊型河道的演變規(guī)律河流動(dòng)力學(xué) 分汊型河段是沖積平原河流中常見(jiàn)的一種河型，西方國(guó)家稱之為辮狀河型。我國(guó)各流域內(nèi)都存在這種河型 分汊型河段由于水流和泥沙分股輸移，這樣的水、沙狀況往往是難于穩(wěn)定的，容易引起汊道的變化 分汊型河段的幾何形態(tài)三維性特別強(qiáng)，分別就平面、橫斷面和縱剖面形態(tài)加以敘述平面特性 單個(gè)的分汊河段，其平面形態(tài)是上端放寬、下端收縮而中間最寬。中間段可能是兩汊，也可以是多汊，各汊之間為江心洲。自分流點(diǎn)至江心洲頭為分流區(qū)，洲后至匯流點(diǎn)為匯流區(qū)，中間則為分汊段 長(zhǎng)江中下游按平面形態(tài)的不同，可分為順直型分汊、微彎型分汊和鵝頭型分汊三類 從較長(zhǎng)的河