河道水流和泥沙的一般特性

1、河道水流和泥沙的一般特性河道水流和泥沙的一般特性河流動力學河道水流的一般特性河道水流的一般特性河流動力學河道水流的基本特性河道水流的基本特性n天然河道中的水流屬于明渠流，在很多情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中明渠流的有關結果況下可以沿用水力學中明渠流的有關結果n二相流特性二相流特性n三維性三維性n不恒定性不恒定性n非均勻性非均勻性河流動力學河道水流中的阻力河道水流中的阻力n明渠二維水流的阻力損失明渠二維水流的阻力損失河流動力學n河道水流阻力損失河道水流阻力損失n與水力學中順直管道和棱柱體明槽水流中發(fā)生的紊動相比，河道水流的紊動在尺度、紊源上要復雜得多n明槽主要是粗糙邊

2、壁附近小尺度的紊動，由大、中、小尺度構成的紊動結構雖不能完全排除，但不占主導地位n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、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河流動力學n 因此對于河道水流，因此對于河道水流，“糙率系數(shù)糙率系數(shù)”n的內含的內含應該是極為復雜的應該是極為復雜的n作為屬于阻力平方區(qū)的時均流速U的表達式中代表水流阻力效果的綜合因素，它當然直接與水流中的紊源和紊動結構有關，與大至河勢，小至河床床沙粒徑有關河流動力學河道水流的運動特性河道水流的運動特性河流動力學河道水流的流型、主副流及流速分布河道水流的

3、流型、主副流及流速分布n河道水流的流型河道水流的流型n河道水流的主流與副流河道水流的主流與副流n主流(又稱正流、元生流)是水流沿著河槽總方向的流動。它一般是在重力作用下產(chǎn)生的。在流動過程中，水流的流線基本上是相互平行的，水流的速度向量也是互相平行的，而且都平行于河槽的軸線河流動力學n河道水流的主流與副流河道水流的主流與副流n副流與主流不同是由于縱比降以外的其它因素所促成的n副流實際是在水流內部產(chǎn)生的一種大規(guī)模的水流旋轉運動。它可以因重力作用而引起，也可在其它的力(內力或外力)作用下產(chǎn)生。n在副流中，有的具有復歸性，或者基本上與主流脫離，在一個區(qū)域內呈循環(huán)式的封閉流動；或者與主流或其它副流結合在

4、一起。呈螺旋式的非封閉的復歸性流動。具有復歸性的次生流，我們稱之為環(huán)流n因產(chǎn)生的原因不同，具有不同的軸向河流動力學n河道水流的流速分布河道水流的流速分布河流動力學河流動力學河道水流中環(huán)流結構河道水流中環(huán)流結構n 因產(chǎn)生原因的不同，環(huán)流可以分為因離心因產(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、因水流與力而產(chǎn)生的環(huán)流、因水流與固體周界分離而產(chǎn)生的環(huán)流等等。固體周界分離而產(chǎn)生的環(huán)流等等。n水流在彎道內作曲線運動的時候，必然產(chǎn)水流在彎道內作曲線運動的時候，必然產(chǎn)生指向凹岸的離心力。水流為了平衡這個生指向凹岸的離心力。水

5、流為了平衡這個力。通過調整，使得凹岸的水面升高，凸力。通過調整，使得凹岸的水面升高，凸岸方向的水面降低，從而形成橫比降岸方向的水面降低，從而形成橫比降河流動力學n彎道環(huán)流圖彎道環(huán)流圖n圖中，圖中，a為平面，為平面，b為為橫剖面橫剖面河流動力學河流泥沙的來源和組成河流泥沙的來源和組成河流動力學泥沙的來源泥沙的來源n河流泥沙的最根本來源是巖石的風化河流泥沙的最根本來源是巖石的風化n河流中運動著的泥沙，其來源主要包括流域地表的沖蝕和河流中運動著的泥沙，其來源主要包括流域地表的沖蝕和河床的沖刷河床的沖刷n風沙運動給河流帶來的泥沙首先在規(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的沖蝕；再者，

6、風沙運動帶來的泥沙絕大部分屬于沖瀉質，對河流的沖淤影響較小n流域地表的侵蝕與氣候、土壤、地形地貌及人類活動等因流域地表的侵蝕與氣候、土壤、地形地貌及人類活動等因素有關素有關n黃河中游的黃游地區(qū)，78月份降雨最多，且多為暴雨，其它條件也較差，所以地表侵蝕最為嚴重；而在我國南部省份雖然也有暴雨，但土壤結構密實，植被覆被較好，所以其輸沙量模數(shù)多在1000t(km2/a)以下n地形對流域的侵蝕，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，侵蝕作用也隨之增大，侵蝕量也隨坡長的增大而增加河流動力學河流動力學河流動力學河流動力學河流動力學河流動力學n從流域地表侵蝕下來的泥沙，經(jīng)過河流的從流域地表

7、侵蝕下來的泥沙，經(jīng)過河流的搬運作用，大部分匯流搬運作用，大部分匯流大大海，但也有不少海，但也有不少沉積在低洼湖泊地帶沉積在低洼湖泊地帶n我國幾條大河的河口地區(qū)和洞庭湖、都陽湖我國幾條大河的河口地區(qū)和洞庭湖、都陽湖等大湖泊，都屬于這樣的堆積區(qū)等大湖泊，都屬于這樣的堆積區(qū)n從流域地表沖蝕從流域地表沖蝕而來而來的泥沙數(shù)量，通常是的泥沙數(shù)量，通常是用每平方公里地面每年沖蝕若干噸泥沙來用每平方公里地面每年沖蝕若干噸泥沙來衡量，稱為衡量，稱為侵蝕模數(shù)侵蝕模數(shù)，也稱，也稱輸沙量模數(shù)輸沙量模數(shù)。下圖為我國輸沙量模數(shù)分布情況下圖為我國輸沙量模數(shù)分布情況河流動力學河流動力學n泥沙隨水流匯集到河流之中，加上河床上泥

8、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，使得河道水流中含泥沙被水流沖刷起來，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。一般來中的泥沙重量表示河流的含沙量。一般來說，我國北方，特別是黃河中游的一些干說，我國北方，特別是黃河中游的一些干支流，年平均含沙量有些高達支流，年平均含沙量有些高達300 kgm3以上；而在南方一些省份，年平均含沙量以上；而在南方一些省份，年平均含沙量不足不足1kgm3，這樣的分布狀況，是與我，這樣的分布狀況，是與我國各地區(qū)的水土流失程度緊密相關的。下國各地區(qū)的水土流失程度緊密相關的。下

9、表是我國及國外一些主要河流水沙特征值表是我國及國外一些主要河流水沙特征值的統(tǒng)計資料。的統(tǒng)計資料。附表附表河流動力學泥沙的礦物成分與分類泥沙的礦物成分與分類n泥沙的礦物成分泥沙的礦物成分n既然泥沙來源于巖石風化，則風化巖石的礦既然泥沙來源于巖石風化，則風化巖石的礦物成分決定泥沙的礦物成分；不同的風化方物成分決定泥沙的礦物成分；不同的風化方式對巖石礦物成分的影響程度不同，因此風式對巖石礦物成分的影響程度不同，因此風化方式也影響泥沙的礦物成分化方式也影響泥沙的礦物成分n物理風化、化學風化以及生物過程物理風化、化學風化以及生物過程n礦物的物理性質礦物的物理性質n比重或密度：比重或密度：2.65n硬度：

10、硬度：5，水輪機過流部件硬度一般，水輪機過流部件硬度一般5河流動力學n河流泥沙的分類河流泥沙的分類n礦物分、運動方式分類以及礦物分、運動方式分類以及粒徑分類粒徑分類n我國泥沙分類的分界數(shù)字為：我國泥沙分類的分界數(shù)字為：2002021/201/200(即即2002020.50.005)河流動力學n泥沙的粒徑大小與泥沙的水力學特性與物理化泥沙的粒徑大小與泥沙的水力學特性與物理化學特性有著密切的關系學特性有著密切的關系n不同粒徑級的顆粒所形成的土壤具有不同的力學性不同粒徑級的顆粒所形成的土壤具有不同的力學性質質n不同粒徑級的顆粒具有不同的礦物組成不同粒徑級的顆粒具有不同的礦物組成n不同粒徑級的顆粒具

11、有不同的物理化學特性不同粒徑級的顆粒具有不同的物理化學特性河流動力學河流泥沙的幾何特性河流泥沙的幾何特性河流動力學泥沙的粒徑泥沙的粒徑n泥沙的幾何特性系指泥沙顆粒的形狀和大小，泥沙的幾何特性系指泥沙顆粒的形狀和大小，或者說泥沙顆粒的形狀與粒徑或者說泥沙顆粒的形狀與粒徑n泥沙的粒徑泥沙的粒徑n 泥沙的粒徑是泥沙顆粒大小的量度泥沙的粒徑是泥沙顆粒大小的量度n所謂等容粒徑，就是體積與泥沙顆粒相等的球體的所謂等容粒徑，就是體積與泥沙顆粒相等的球體的直徑。設某一顆沙的體積為直徑。設某一顆沙的體積為v，則其等容粒徑為，則其等容粒徑為，單位單位mm31)6(Vd 河流動力學泥沙的粒徑等容 粒徑 ：與泥 沙顆

12、粒 容積相 當?shù)那?體直徑3/16VD幾何 平均 粒徑：相當 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 平均 粒徑：長、 中、短 軸的算 術平均 值3cbaD篩分 粒徑 ：通過 篩分法 獲得的 粒徑近 似值河流動力學泥沙的粒徑（續(xù)）泥沙的粒徑（續(xù)）n對較粗的天然沙粒測量成果的統(tǒng)計分析表對較粗的天然沙粒測量成果的統(tǒng)計分析表明，沙粒的中明，沙粒的中軸軸長度，和其長、中、短三長度，和其長、中、短三軸的幾何乎均值軸的幾何乎均值(即等容粒徑即等容粒徑)接近相等且接近相等且略大略大n對于粒徑在對于粒徑在0.06232.0mm之間的沙粒，一之間的沙粒，一般采用篩

13、析法般采用篩析法n用篩析法量得的粒徑應相當于各粒徑組界用篩析法量得的粒徑應相當于各粒徑組界限沙粒的中軸長度?？梢越频乜闯傻热菹奚沉５闹休S長度?？梢越频乜闯傻热萘剑蛘咧苯臃Q為篩徑粒徑，或者直接稱為篩徑n對于粒徑在對于粒徑在0.062mm以下粉粒和粘粒，已以下粉粒和粘粒，已不可能進一步篩分，只能采用沉降法不可能進一步篩分，只能采用沉降法河流動力學泥沙的粒配曲線泥沙的粒配曲線n通過對沙樣顆粒組成通過對沙樣顆粒組成的分析，得出其中各的分析，得出其中各粒徑級的重量百分比粒徑級的重量百分比或者小于某粒徑的重或者小于某粒徑的重量百分比，并據(jù)以繪量百分比，并據(jù)以繪制如右圖所示的泥沙制如右圖所示的泥沙粒

14、配曲線粒配曲線n粒配曲線可直接表現(xiàn)粒配曲線可直接表現(xiàn)泥沙沙樣粒徑的大小泥沙沙樣粒徑的大小和沙樣的均勻程度和沙樣的均勻程度n代表較細的沙樣代表較細的沙樣n代表較均勻的沙樣代表較均勻的沙樣河流動力學n從粒配曲線上，可以查出從粒配曲線上，可以查出n小于某粒徑的泥沙在總沙樣中占的重量百分數(shù)小于某粒徑的泥沙在總沙樣中占的重量百分數(shù)n在總沙樣中占某重量百分數(shù)的泥沙的上限粒徑在總沙樣中占某重量百分數(shù)的泥沙的上限粒徑n后者通常以重量百分數(shù)為腳標，附注在粒徑的后者通常以重量百分數(shù)為腳標，附注在粒徑的右下角，表示該上限粒徑如右下角，表示該上限粒徑如d5、d20、d50、d90等等nd50稱為中值粒徑，它表示在全部

15、沙樣中，大于稱為中值粒徑，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和小于這一粒徑的泥沙重量剛好相等河流動力學河流動力學三、泥沙的空隙率三、泥沙的空隙率孔隙率：孔隙率：泥沙中孔隙的容積占沙樣總容積的百分比稱為孔隙率 泥沙孔隙率因沙粒的大小及均泥沙孔隙率因沙粒的大小及均勻度、沙粒的形狀、沉積的情勻度、沙粒的形狀、沉積的情況以及沉積后受力大小及歷時況以及沉積后受力大小及歷時長短而有不同。長短而有不同。 對各類泥沙孔隙率一般為對各類泥沙孔隙率一般為粗沙：的孔隙率3940，中沙：41-48，細沙：4449。 黃河的河漫灘沉積物就因孔隙率的不同而有“鐵板抄”與“晃灘沙”的區(qū)別。 河流動力學

16、n通常泥沙的平均粒徑與中值粒徑直并不相等。二通常泥沙的平均粒徑與中值粒徑直并不相等。二者之間的關系應為者之間的關系應為n關于沙樣的均勻程度，常采用如下形式的非均勻關于沙樣的均勻程度，常采用如下形式的非均勻系數(shù)或稱揀選系數(shù)系數(shù)或稱揀選系數(shù)n非均勻系數(shù)等于非均勻系數(shù)等于1，則沙樣均勻；愈大于，則沙樣均勻；愈大于1，則越不均，則越不均勻勻2575DD2502eddpj河流動力學細顆粒泥沙的物理化學特性細顆粒泥沙的物理化學特性河流動力學電化學性質電化學性質1、比表面積、比表面積：泥沙顆粒表面積與其體積之比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越大，

17、物化作用就越大（顆粒越細，該值越大）大小，河流動力學電化學性質電化學性質2、雙電層及吸附水膜的特性雙電層及吸附水膜的特性 （1）細泥沙顆粒在含有電解質的水中，）細泥沙顆粒在含有電解質的水中，顆粒周圍會形成雙電層、顆粒周圍會形成雙電層、吸附水膜吸附水膜。 細泥沙顆粒表面帶有負電荷，吸引反離子，形成吸附層（固定層）擴散層 細泥沙顆粒表面帶有負電荷，同時也吸引水分子形成粘結水粘滯水束縛水 河流動力學（2）雙電層的電位變化雙電層的電位變化 泥沙顆粒表面帶負電荷后，就有一定的電位值，此電位值與擴散層外的自由電位之差稱為熱力學電位，或熱力學電位，或0電位電位。 在吸附層內，電位線性降落，所剩余的電位差，即

18、吸附層與擴散層交界面的電位與擴散層外自由電位之差稱為電動電動電位，或電位，或電位電位。 電位的數(shù)值及雙電層的厚度與水中電解質的離子濃度及價數(shù)有關。 河流動力學壓密過程與物理性質的變化壓密過程與物理性質的變化 沙、礫石、卵石類粗顆粒泥沙一旦沉積到河底，不再壓密 細顆粒泥沙，特別是粘土顆粒在沉積時會連結成絮團， 在自重或其他外力的作用下，沉積固結過程如下： 河流動力學泥沙的重力特性泥沙的重力特性河流動力學泥沙的一般重力特性泥沙的一般重力特性n泥沙的容重與密度泥沙的容重與密度n泥沙各個顆粒實有重量與實有體積的比值，稱為泥泥沙各個顆粒實有重量與實有體積的比值，稱為泥沙的容重或重度沙的容重或重度 ，采用

19、國際單位為牛，采用國際單位為牛/米米3(N/m3)n由于構成泥沙的巖石成分不同泥沙的容重由于構成泥沙的巖石成分不同泥沙的容重 也不相也不相同，常以同，常以26kNm3(國際單位國際單位)或或2650kgfm3(工程工程單位單位)為代表值為代表值n有效容重系數(shù)或有效密度系數(shù)有效容重系數(shù)或有效密度系數(shù)ss河流動力學n泥沙的干容重與干密度泥沙的干容重與干密度n沙樣經(jīng)沙樣經(jīng)100l05溫度烘干后，其重量與原狀沙樣整溫度烘干后，其重量與原狀沙樣整個體積的比值，稱為泥沙的干容重個體積的比值，稱為泥沙的干容重 ，單位為，單位為N/m3n 泥沙干容重與粒徑的大小、埋藏的深淺，以及淤積泥沙干容重與粒徑的大小、埋

20、藏的深淺，以及淤積歷時的長短有關，其變化幅度是相當大的歷時的長短有關，其變化幅度是相當大的n實際觀測資料中，曾經(jīng)得到的淤積泥沙干容量的變化幅度約實際觀測資料中，曾經(jīng)得到的淤積泥沙干容量的變化幅度約在在2.9421.56kN/m3n泥沙的水下休止角泥沙的水下休止角n在靜水中的泥沙，由于摩擦力的作用，可以形成一定在靜水中的泥沙，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的傾斜面而不致塌落，此傾斜面與水平面的交角稱稱為泥沙的水下休止角，其正切值即為泥沙的水下摩擦為泥沙的水下休止角，其正切值即為泥沙的水下摩擦系數(shù)系數(shù)f，即，即河流動力學泥沙的沉陣速度泥沙的沉陣速度n沉降形

21、式沉降形式n 泥沙在靜止的清水中等速下沉時的速度，稱為泥沙的泥沙在靜止的清水中等速下沉時的速度，稱為泥沙的沉降速度，簡稱沉速沉降速度，簡稱沉速n反映著泥沙在與水流相互作用時對運動的抗拒能力。反映著泥沙在與水流相互作用時對運動的抗拒能力。組成河床的泥沙沉速越大，則泥沙參與運動的傾向越組成河床的泥沙沉速越大，則泥沙參與運動的傾向越小小n 泥沙重度泥沙重度水的重度，在水中的泥沙顆粒將受重力作水的重度，在水中的泥沙顆粒將受重力作用而下沉。用而下沉。初始速度為零，抗拒下沉的阻力也為初始速度為零，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。零，有效重力起作用，泥沙顆粒的下沉具有加速度。

22、隨著下沉速度的增大，阻力增大，終于使下沉速隨著下沉速度的增大，阻力增大，終于使下沉速度達到某一極限值。度達到某一極限值。此時，泥沙所受的有效重力此時，泥沙所受的有效重力和阻力恰恰相等，泥沙顆粒的繼續(xù)下沉便以等速方式和阻力恰恰相等，泥沙顆粒的繼續(xù)下沉便以等速方式進行進行n 泥沙在靜水中下沉時，從加速到等速所經(jīng)歷的時間是泥沙在靜水中下沉時，從加速到等速所經(jīng)歷的時間是十分短暫的：十分短暫的：3mm，1/10s；1mm，1/20s河流動力學n 泥沙顆粒在靜水中下沉時的運動狀態(tài)與沙粒雷諾數(shù)泥沙顆粒在靜水中下沉時的運動狀態(tài)與沙粒雷諾數(shù) 有關有關 式中式中d和和分別為泥沙的粒徑及沉速。分別為泥沙的粒徑及沉速。為水的運動粘滯性為水的運動粘滯性系數(shù)系數(shù)n當當Red較小時（約小