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文檔簡(jiǎn)介

1、(0)河流動(dòng)力學(xué)概念:研究沖積河流在自然狀態(tài)下以及受人工建筑物影響以后河道水流、泥沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律和河床演變規(guī)律及其應(yīng)用的學(xué)科。 主要研究?jī)?nèi)容: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;泥沙運(yùn)動(dòng):研究泥沙沖刷、搬運(yùn)和堆積的機(jī)理;河床演變:研究河流的河床形態(tài)、演變規(guī)律以及人為干擾引起的再造床過程;河床變形預(yù)測(cè):研究預(yù)測(cè)水流、泥沙運(yùn)動(dòng)及河床沖淤演變 的方法.研究方法:理論分析,室內(nèi)試驗(yàn),現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè),數(shù)值計(jì)算(1)河道水流的基本特性:河道水流的二相特性;河道水流的三維性;河道水流的不恒定性;河道水流的不均勻性河道水流的水流結(jié)構(gòu): 主流,副流,環(huán)流二維明渠流速的分布規(guī)律:1.直線層,也成粘滯底層,切

2、應(yīng)力只有粘滯切力,流速按直線分布2.過渡層,粘滯切力與紊動(dòng)切力同時(shí)存在,流動(dòng)是層流和紊流的過渡區(qū),該層沒有統(tǒng)一的流速分布公式,近似按直線層或?qū)?shù)層公式計(jì)算3.對(duì)數(shù)層,切應(yīng)力主要是紊動(dòng)切應(yīng)力, 流速按對(duì)數(shù)分布4外層區(qū).在對(duì)數(shù)層以上到水面的區(qū)間,切力主要是紊動(dòng)力,流速分布常以缺速 公式表示,故也稱缺速區(qū)。流速分布要受上部邊界影響,與邊壁糙率也有一定關(guān)系。河道水流阻力分解圖:見pptl 76頁(yè)明渠二維流的阻力損失表達(dá)方式:見pptl 77頁(yè)(3)按運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分,泥沙的運(yùn)動(dòng)形式有:(床沙),推移質(zhì)、懸移質(zhì)泥沙交換現(xiàn)象:推移質(zhì)泥沙運(yùn)動(dòng)特點(diǎn):間歇性、置換性、速度小、跳躍性、數(shù)量少、消耗時(shí)均能量懸移質(zhì)泥沙運(yùn)動(dòng)

3、特點(diǎn): 速度大、懸浮性、置換性、數(shù)量多、消耗紊動(dòng)能沖泄質(zhì):河流挾帶的泥沙中粒徑較細(xì)的部分,且在河床中數(shù)量很少或基本不存在的泥沙。床沙質(zhì):河流挾帶的泥沙中粒徑較粗的部分,且在河床中大量存在的泥沙。兩者主要區(qū)別:1.前者是非造床質(zhì)泥沙,后者是造床質(zhì)。2.前者粒徑較小,后者粒徑較大 3.前者在水流中的含量不僅取決于水流條件,還與河段上游流域供沙條件有關(guān)。推移質(zhì) 點(diǎn)移質(zhì)與床沙質(zhì)沖泄質(zhì)命名的區(qū)別:前者按運(yùn)動(dòng)方式分;后者按造床作用、顆粒 大小和泥沙來源分。異重流: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(密度)差異,如果其中一種流體沿著交界面的方向流動(dòng),在流動(dòng)過程中不與其它流體發(fā)生全局

4、性的摻混現(xiàn)象的運(yùn)動(dòng)。異重流主要特征:(1)異重流的重度差很小,重力作用小,慣性作用大(2)具有翻越障礙以及爬高的能力(5)泥沙懸浮機(jī)理: 含沙量具有上稀下濃的沿垂線梯度。泥沙懸浮擴(kuò)散理論: 基于泥沙顆粒在紊流中隨機(jī)運(yùn)動(dòng)來求解泥沙濃度垂向分布的理論重力理論:挾帶懸移質(zhì)的水流在運(yùn)動(dòng)過程中要消耗能量。所消耗能量分為兩部分,一部分用于克服邊界的阻力;另一部分用于維持懸移質(zhì)的懸浮。重力理論的觀點(diǎn)認(rèn)為,懸移質(zhì)的比重一般比水大得多,要使它在水里不下沉, 水流必須對(duì)它做功以維持懸浮,即水流必須為此而消耗能量。 推求懸移質(zhì)含沙量沿垂線分布規(guī)律有哪些方法:公式2.張瑞瑾公式3重力理論一一維利卡諾夫公。.Rouse

5、方程及其中懸浮指標(biāo) Z的意義和如何計(jì)算:Saz ,實(shí)kU際代表了重力作用與紊動(dòng)擴(kuò)散作用的相互關(guān)系Rouse公式主要缺點(diǎn): 計(jì)算得到的水面含沙量恒等于零,床面含沙量為無窮。含沙量幾種不同的表達(dá)方式 :流量平均含沙量;面積平均含沙量懸移質(zhì)輸沙率:一定的水流與河床組成條件下,水流在單位時(shí)間內(nèi)所能挾帶并通過河段下泄的懸移質(zhì)中床沙質(zhì)的數(shù)量。水流挾沙力:是指在一定水流、泥沙及邊界條件下,水流所能挾帶的包括推移質(zhì)和懸移質(zhì)在 內(nèi)的全部沙量。如何用愛因斯坦公式計(jì)算懸移質(zhì)泥沙輸沙率:30.2hgs 11-6sUaSva 2.303,1 ,21 2用愛因斯坦公式計(jì)算挾沙力:gbs gD3-一ppt5 102頁(yè)(6)

6、河床演變定義及其根本性原因是:自然條件及人類活動(dòng)影響下河床所發(fā)生的變化過程;輸沙不平衡河床調(diào)節(jié)作用:調(diào)整方向是從輸沙不平衡向平衡的方向發(fā)展,通過改變河寬、水深、比降、 床沙組成使挾沙力與來沙相適應(yīng)。河床演變的基本規(guī)律:一般演變:1、平面變化:蜿蜒曲折的程度不斷加劇,河長(zhǎng)增加,曲 折系數(shù)加大。2、橫向變化:表現(xiàn)為凹岸崩退,凸岸淤長(zhǎng)。3、縱向變化:彎道段洪水期沖刷而枯水期淤積,過渡段則相反;突變:包括自然裁彎,撇彎和切灘等類型。影響河床演變的主要因素:1.來水量及其變化過程 2.來沙量、來沙組成及其變化過程 3.河 段出口處的侵蝕基點(diǎn)高程,即河段的比降4.河床周界條件,即河段所在區(qū)域的地貌條件。河

7、相關(guān)系: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),在這種均衡狀態(tài)的有關(guān)因子(如水深、河寬、 比降等)和表達(dá)來水來沙條件(如流量、含沙量、泥沙粒徑等)及河床地質(zhì)條件的特征物理 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。造床流量:造床作用與多年流量過程的綜合作用相當(dāng)?shù)哪骋环N流量。實(shí)際工作中造床流量如何確定 :1.馬卡維也夫法2.平灘水位法3.采用某一頻率或重現(xiàn)期 的流量作為造床流量 4.有效輸沙流量法河床穩(wěn)定性指標(biāo)有哪些主要取決于什么河彎的形態(tài)有哪些:第2章泥沙的一般特性1、河流泥沙的最根本來源是什么河流泥

8、沙的最根本來源是巖石的風(fēng)化2、形成泥沙主要風(fēng)化類型是什么? 風(fēng)化種類:物理風(fēng)化:巖石在原地發(fā)生的崩解化學(xué)風(fēng)化:巖石發(fā)生的蝕變(溶解、水解、碳酸鹽化)生物風(fēng)化:3、泥沙粒徑的常用表示計(jì)算方法是什么等容粒徑:篩分粒徑沉降粒徑4、級(jí)配曲線及其粒徑分布特征值有哪些粒徑分布的特征值上限粒徑一一在總沙樣中占某重量百分?jǐn)?shù)白泥沙的上限粒徑。如 D5,D10,D50等等。D50中值粒徑,小于該粒徑和大于該粒徑的泥沙顆粒各占50%。Dm平均粒徑,即各粒徑組平均粒徑的重量百分比的加權(quán)平均值。Dmg幾何平均粒徑,即粒徑取對(duì)數(shù)后進(jìn)行平均運(yùn)算,最終求得的平均粒徑值稱為幾何平均粒徑。反映沙樣的代表粒徑均方差s :表示泥沙組

9、成的非均勻程度 變化范圍大小。5、影響泥沙的干容重有哪些主要因素泥沙顆粒大小的影響:顆粒越大,越小,變化范圍大。泥沙淤積厚度的影響:淤積越厚,越小,變化范圍越大。泥沙淤積歷時(shí)的影響:沉積越短,=0均勻,越大越不均勻,反映沙樣粒徑的gs'越大,變化范圍??;顆粒越小,gs'淤積越淺,gs'gs'越大,然后趨gs'越大,變化范圍越小;gs'越?。怀练e越長(zhǎng),于穩(wěn)定值;大顆粒穩(wěn)定歷時(shí)短,細(xì)顆粒穩(wěn)定歷時(shí)長(zhǎng)。泥沙組成的影響:組成越均勻,孔隙率越大,gs'越??;組成越不均勻,孔隙率越小,gs'越大。6、什么是泥沙的沉速泥沙沉降有哪幾種運(yùn)動(dòng)形式所謂

10、泥沙的沉降速度:一般都是指達(dá)到等速運(yùn)動(dòng)以后的下沉速度。當(dāng)Red較小時(shí),顆粒沉降屬于層流狀態(tài)當(dāng)Red較大時(shí),顆粒沉降屬于過度狀態(tài)當(dāng)Red很大時(shí),顆粒沉降屬于紊流狀態(tài)第4章泥沙的推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)1、泥沙的起動(dòng)條件有哪些起動(dòng)流速和起動(dòng)拖曳力如何計(jì)算泥沙的起動(dòng)條件:泥沙顆粒由靜止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)為運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)的臨界水流條件。起動(dòng)條件可以用流速、拖曳力和功率來表示。Einstein統(tǒng)一流速公式U c 5 .75;lg( 12 .27 -R-)sgDk s 沙莫夫公式. 1/6hUc 1.144. s gD (m,s制,D 0.2mm)對(duì)于天然沙: = 1.65 Uc 4.6D1/3h1/6崗恰洛夫公式Uc 1.07lg8

11、8h sgD(m,s制,D 0.081.5mm)D95(3)巴芬頓(Buffington)(1998):(天然沙)U c (1 .28 1 .79) lg( 12 .27 -) . gDD95起動(dòng)拖應(yīng)力 、曲線為馬鞍形,在易起動(dòng),此時(shí)有附近,亦即近壁層流層厚度與床沙粒徑接近時(shí),泥沙最容0.03在 方程為時(shí),也即c 0.12 cD U*D /,希爾茲曲線成為一條斜率為 -1的直線,該直線的此時(shí)起動(dòng)拖曳力與泥沙粒徑無關(guān)。時(shí),即時(shí),近壁層流層(邊界層)不起隱蔽作用,隨著粒徑的加大,泥沙重力作用增強(qiáng),起動(dòng)拖曳力相應(yīng)加大。在以后,Shields曲線近似水平,此即曲線的最低點(diǎn) 、床面處于光滑區(qū)時(shí),需要更大

12、的拖曳力才能使其運(yùn)動(dòng)。Shields數(shù)接近常數(shù)0.062、泥沙起動(dòng)臨界狀態(tài)的判別克雷默的定性標(biāo)準(zhǔn):他將推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)劃分為四個(gè)階段:(1)靜止一一無泥沙運(yùn)動(dòng),全部床沙處于靜止?fàn)顟B(tài);(2)弱動(dòng)一一輕微的泥沙運(yùn)動(dòng),有屈指可數(shù)的泥沙在推移運(yùn)動(dòng);(3)中動(dòng)一一中等強(qiáng)度的泥沙運(yùn)動(dòng),推移質(zhì)泥沙運(yùn)動(dòng)已達(dá)到無法計(jì)數(shù)的程度;(4)普動(dòng)一一普遮性的泥沙運(yùn)動(dòng),引起床面外形的改變。3、何為泥沙的止動(dòng)流速、不動(dòng)流速與揚(yáng)動(dòng)流速,它們和起動(dòng)流速有何關(guān)系止動(dòng)流速:泥沙由運(yùn)動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)殪o止?fàn)顟B(tài)的臨界垂線平均流速稱為止動(dòng)流速。止動(dòng)流速與起動(dòng)流速的關(guān)系U ; (0.71 0.83)U c揚(yáng)動(dòng)流速:指床面泥沙由靜止?fàn)顟B(tài)直接轉(zhuǎn)入懸移狀態(tài)的

13、臨界垂線平均流速。2/5U f 16.73 gD1/5h1/54、沙波的型態(tài)、運(yùn)動(dòng)特性、類型沙波發(fā)展消亡的過程有哪些階段最常見的有哪幾個(gè) 沙波的剖面形態(tài):1波峰:沙波向上隆起的最高點(diǎn)。2 .波谷:沙波向下凹入之處(沙波的最低點(diǎn))。3 .波長(zhǎng):相鄰兩波峰或波谷之間的距離入。4 .波高:波谷至波峰的鉛直距離A。運(yùn)動(dòng)特性:1 .流速大的地方,泥沙運(yùn)動(dòng)速度快;流速小的地方,泥沙運(yùn)動(dòng)速度慢。2 .流速正的地方,泥沙向下游運(yùn)動(dòng);流速負(fù)的地方,泥沙向上游運(yùn)動(dòng)。3 .水流的停滯點(diǎn),同時(shí)也是泥沙的停滯點(diǎn)。4 .迎流面流速大,流速逐漸增加,泥沙運(yùn)動(dòng)逐漸增強(qiáng),在波峰處達(dá)到最大值。5 .當(dāng)沙粒越過波峰以后,沙粒受重力

14、及漩渦作用而落入波谷,其中較細(xì)的一部分泥沙有可能越過波谷,而到達(dá)下一個(gè)迎流面上繼續(xù)前進(jìn),絕大部分泥沙將落入波谷區(qū)在兩個(gè)停滯點(diǎn)渦區(qū))內(nèi)沉積下來。沙波的類型:按形態(tài)分帶狀(順直)沙波斷續(xù)蛇曲(彎曲)狀沙波新月形沙波舌狀沙波按尺度分:、最小尺度的沙波沙紋特點(diǎn):波長(zhǎng)較小,波高較低,波長(zhǎng)、波高尺度以厘米計(jì),泥沙粒徑比較細(xì)。、中等尺度的沙波沙壟特點(diǎn):尺度變幅大,泥沙粒徑越細(xì)、波長(zhǎng)越大。、最大尺度的沙波沙丘(沙灘)特點(diǎn):泥沙成型堆積體。沙波的產(chǎn)生和消亡的過程:依據(jù)不同的水流條件存在靜平整、沙紋、沙壟、動(dòng)平整、沙浪、碎浪、急灘和深潭等階段。5、河床床面形態(tài)判別的主要無量綱力學(xué)參數(shù)是哪三個(gè)1)希爾茲數(shù) (Shi

15、elds數(shù))-描述泥沙起動(dòng)的重要指標(biāo)00Vs)D Ts)gD(2)沙粒雷諾數(shù)(Re*)-決定沙紋運(yùn)動(dòng)的重要力學(xué)參數(shù)Re *(3)弗汝德數(shù)(Fr)-決定水流流態(tài)的重要參數(shù)6、河道綜合阻力由哪些部分組成沿程阻力:河底的床面阻力河岸、邊壁阻力局部阻力:河流的平面形態(tài)特征;河灣、河谷的突然擴(kuò)寬等;孤立的特大粗糙,如孤石、小 島。潛灘等7、何為動(dòng)床阻力它與定床阻力有何不同水力半徑分割法和能坡分割法的計(jì)算公式有何不同動(dòng)床阻力:沖積河流由可動(dòng)的泥沙組成,常有沙紋、沙壟、沙浪等沙波形態(tài)出現(xiàn),邊界和阻力是在不停地發(fā)生變化,與定床阻力有較大差別。定床阻力:固定邊壁表面摩擦阻力,它不隨水流條件而變化。能坡分割法:如

16、果把水力半徑看成是整個(gè)過水?dāng)嗝鎺缀涡螒B(tài)的表征值,不因不同的阻力單元而異,則能坡必須分成兩部分,一部分與河床阻力相應(yīng),另一部分與河岸阻力相應(yīng),這時(shí)河岸阻力和河床阻力的表達(dá)式分別為物理意義:能量消耗一部分傳遞到 Jw, 一部分傳遞到Jb 水力半徑分割法:把能坡J看成不變,、而只把水力半徑按不同阻力單元河底、河岸(邊壁)分開物理意義:能量來自哪個(gè)區(qū)域就消耗在哪個(gè)區(qū)域8、何為推移質(zhì)輸沙率可以從哪些途徑進(jìn)行研究與流速的關(guān)系如何推移質(zhì)泥沙輸沙率: 在一定水力、泥沙條件下,單位時(shí)間內(nèi)誦過過水?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:kg/s, t/s可研究的途徑:(1)以流速為主要參變數(shù)考慮問題;前蘇聯(lián)(2)以拖曳力為主要參變數(shù)考慮部題;Duboys,Mayer-Peter(3)根據(jù)能量平衡觀點(diǎn)考慮問題;Bagnold(4)從統(tǒng)計(jì)法則考慮問題

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