清華河流動力學概論第3章課件1.

1、第三章床面形態(tài)與水流阻力1床面形態(tài)與水流條件和泥沙特性的關(guān)系動床床面形態(tài)與水流流態(tài)的關(guān)系、床面形態(tài)的分類與特性2沖積河流床面形態(tài)的判別準則及特性研究床面形態(tài)的判別參數(shù)、不同流態(tài)下床面形態(tài)的判別方法3水流阻力和斷面平均流速水流阻力和沙粒阻力的概念、明渠均勻流的斷直平均流速公式、不同公式中阻力系數(shù)的換算關(guān)系、床面粗糙突起K的概念4峽谷或卵礫石床面河道綜合阻力的計算由河岸和河床糙率計算綜合糙率5沙粒阻力和沙波阻力分別計算沙粒阻力和沙波阻力的方法、綜合阻力系數(shù)法卵礫石河床不會出現(xiàn)“沙壟”這種床面形態(tài)床聞狂態(tài)與酒陽8成定床等亦沐的區(qū)別-床血形盃的感因床閒形示與汛態(tài)的關(guān)系-沫面形態(tài)的床面形態(tài)（bedfor

2、ms,某些學科譯為“底形”） 即沙質(zhì)床而在水流作用下形成的形態(tài)，如沙紋、沙壟等。 只有當河床上的床沙質(zhì)是屬于粗沙至粉沙范圍（床沙粒徑范國 為2.0mm-0.005mm）時，才會出現(xiàn)床面形態(tài)。卵礫石河床匕、或粘匕淤積物匕一般不會岀現(xiàn)床面形態(tài)。床0D形怎與mm -療鬧I碗翊RH&69關(guān)系（如何簡易判別沙土與粘土？）床面墜空更販-定1*巧遊的區(qū)別_床面影応的戚因-床面形盃與逼態(tài)的關(guān)來-沫血形恐的列別;對于水體運動來說，床血形態(tài)的消長相當于在白由水面之外又增加 r 個自rtiifif,門由程度視床面的可動性而定)所以又將動床條件下的 水流運動研究稱為"動床水力學”或“松散邊界水力學”

3、(Loose boundary hydraulics)5眄“冗 5 9. Sinuous ripple field The dew is fw tep twani the viewer河流動力學與水力學的區(qū)別：邊界可動性8G國定床水力學：邊界形狀利柵*不融水流糸件而改電 床通龍示與河床俎峨-定床與動床的區(qū)別-味面影茹的成因-床壷形茹與汛態(tài)69關(guān)丟-床直形務(wù)的列河流動力學與水力學的區(qū)別：邊界可動性m“水到渠成”的含義?庶通龍帝與河味？&戌-龍侏與動床的區(qū)別-味面形菸的適因-床匾影丟與汛態(tài)09關(guān)務(wù)-床血形態(tài)的列別堆則河流動力學與水力學的區(qū)別一邊界可動性河彎處的實測床面形態(tài)4.50vatk&

4、gt;n(m)2.00動床水力學:邊界的形狀和糙率隨水流條件而改變。河潦星自我塑適成型的.其邊界可變、且不規(guī)則.二場河*輙-疋床與動床的區(qū)別休血尼二的賦因*忙形心勺堆'.用天樂"HE河流動力學與“定床水力學”的主嬰?yún)^(qū)別足，在進行水力計 算、確定流速、水深、比降等水力嬰素時，必須訃入邊界可動性 所造成的影響一其中床血 形態(tài)的變化是主嬰因素。 rtVQ»Boven 河 jRhinc)Pcnncrdcnsch Canal 潘納登運河床聞先戀與戲味頤-定床與動床的區(qū)別-床面影活的咸因-床屜盃與汛態(tài)09夭來一床血形恐的VVM 河荷蘭荷蘭B（nen（Rhine»M分漢

5、點實測的大型沙波River Wual（荷語Boven意為上游upper）Pcnncrdcnsch Canal（此處下兩03引GI祓蘭境內(nèi)的桑£8河（Wilfnoi Ten Brinkc.The Onvh Rhine.a rotrained riwJt 江0AW1 出版此2009龜中詳本】77西圖m 右上08引B18匚主集uMKW；fe理民護與國際合作” 5635ffi5 7）古語中，“渠”指 河流，“水到渠成” 就是說如果有足夠的 流量和時間，平凍上 就會沖刷岀一條大河 來。樂通用否三図床頤 定侏與動床的區(qū)別-佯面電懣的成因-味匾居希與淤杏的芙系-床壷形恐的列別堆則荷蘭、別1河199

6、7年爪期實測的沙波運動3H%3M3O3剛4日（沙壟運動 速度極慢）（Witfricd Ten Benke. Ihc Dutch Rhine a restrained nver. 中洋本：荷蘭境內(nèi)的萊茵河。 江恩惠等譯，黃河水利岀版社. 2009年.此處的組圖引自中譯本 第XI頁.圖53）阪®形恐與冏貳輙 罡侏與動床的區(qū)別-味囹電蒼的型因一味匾彬恣與汛態(tài)的天承-味壷形忍的列別灶!11Dunes"既可指河里的沙壟，也可指莎漠里的沙丘床面形態(tài)是沙質(zhì)推移質(zhì)運動過程中自然形成的一類形狀。所以河床上的沙壟與沙漠里的沙丘不存在本質(zhì)上的不同，英文術(shù) 語都是“dimes二12zi； >

7、_* .匕杠or re-'H#河滾所水m試嗆同樣的沙粒堆積而成,大漠的沙丘，與水槽里的沙紋十分相似床衙龍無與歸床俎成-定床與站沐的區(qū)別-床血總海的咸5J -床謝形茹與淤否的關(guān)歹-係奩形怎的（沙漠紀錄片戟圖）沙粒堆積而成的形杰都是相似的，不過 尺度不同沙滇上能形成數(shù)十米髙的沙丘. 河流中至多只帰岀現(xiàn)數(shù)米高的沙壟而在水槽實驗中至多只能出現(xiàn)數(shù)厘米高的沙紋。研究某自然現(xiàn)象，一般要回答如下問題:它發(fā)生的臨界條件是什么？出現(xiàn)了什么樣的形態(tài)，其變化規(guī)律是什么？ 其發(fā)生發(fā)展的動力學原因是什么？ 對它進行準確計算模擬（現(xiàn)象本身或其影響）。同樣，對河道床面形態(tài)的研究，應(yīng)包括:1歸結(jié)其發(fā)生的臨界條件，描述其

8、幾何 形態(tài)和發(fā)展變化規(guī)律，解釋其生成的 水動力學原因。定量計算床面形態(tài)對水流阻力的影響。17河床床面上的沙紋(ripples)、沙壟(dunes)或逆行沙壟 (antidunes)等形態(tài),會顯薯地影響水流流動阻力。床面形態(tài)的動力學成因：1)小型的沙紋形態(tài)與近壁處的低速流動密切相關(guān)。彬示的那172)沙粒暴露于主流的高速流動屮后，即被主流報動 形成人型沙壟，可按流態(tài)劃分如F：在緩流條件卜 形成沙壟；臨界流條件下沙壟夷平；急流條件下形 成逆行沙壟。動床床面形態(tài)受明渠流態(tài)所主導樂®龍恐W網(wǎng)原頤-崔床引；;沫的區(qū)別-汗面形壬的適E -味(B形態(tài)與流戀的關(guān)系-床在動床情況下，床面形態(tài)與明渠水流的

9、流態(tài)有 密切的關(guān)系。對應(yīng)于定床水流的緩流、臨界流、急 流三種情況，可以將動床明渠水流的流區(qū)與床面形 態(tài)相聯(lián)系，作對應(yīng)分類。明渠水流三種流態(tài)緩流(Fr<l)臨界流(Fr - 1)急流(Fr> 1)188砥面龍怒與河床hl® -定床與就來的區(qū)別-床CB形態(tài)的成因-床匱形忑與況戀的天承-沫需形示的列別1. 緩流：Fr<（有的文獻又把緩流稱為低能態(tài)流區(qū).lower flow regime）緩流對應(yīng)的床面形態(tài)是沙紋、沙壟（顆粒較粗時主要是沙壟）券月狀沙紋沙紋(ripples)出現(xiàn)條件：水流強度 較小。此時河床質(zhì)中的細 顆粒，受近壁區(qū)低速流 動（黏滯底層）作用形成較 小的沙紋。

10、8沙壟(dunes)沙壟弓沙紋H1IVL用牧 大的河瀝中波長與 波髙Z比吋達 I0IK500波長吋達數(shù)"米至 *波血為卜3*。祀 沙電他.沙也的液長愈 大枳向卜游運M的速廈遠 小J水流沌違取決于推 序瞰輸沙率與水論的人尺度壺 動結(jié)構(gòu)有血揍關(guān)系8床頁龍慫與河床飯-定床與亦灤的區(qū)另-汗囹形怎的成因-床(B形態(tài)與流S89XJR -床庇形怎的列別蛙則2. 過渡區(qū)(transition zone): Fr 1過渡區(qū)對應(yīng)的床面形態(tài)是平整床面(plane bed),這是從沙壟 到逆行沙壟(antidunes)的過渡區(qū)。3. 急流:Fr>(有的文獻又把急流稱為高能態(tài)流區(qū)，upper thw r

11、egime )急流情況下對應(yīng)的床面形態(tài)包括：a) 平整床面(plane bed)b) 逆行沙壟和駐波(standing waves)21c) 怎灘與深潭(Chutes and pools)o床直龍示與淪味趣-定床境厲灤的區(qū)另-侏廁形怎的咸因-床SD形態(tài)與流態(tài)的關(guān)系-逆行沙波為什么會逆行：背水 面受沖刷，泥沙淤積在下一個沙波 的迎水面上。這一過程持續(xù)進行，就造成了沙 壟形態(tài)向上游的逆行，而泥沙仍是 向下游輸運的。23床血龍亦=戲牙?aes -定床與站灤的區(qū)別-床面龍忑的尿因-床®形態(tài)與涼怎99關(guān)系-尺邇形亦的nmt緩流臨界流I a Typical ncote pattern| <

12、b« Dunes withbupe(puwdI d) Washed out ducM or trar«ft*on成為平整床面F-: ： & "'4！ (e) Piareoed(fl AnUtunes.(g) Antidunes txeakrg wbvm逆行沙壟；駐波破碎- - *< h | Oh/m and poote臨界流床迴先戀壬紡開?ass -定味與動灤的區(qū)別床面尼f的尿因-床®形態(tài)與涼恐99天系-耳匾形恐的列別難則24:床面形態(tài)的水槽實驗：從靜平整到逆行沙壟乂51靜平整床沙未起動，保持人工鋪好的平整狀態(tài)2流僦加大，開始出現(xiàn)沙

13、紋3沙紋背水面處的回流流態(tài)，緩流條件下常見4“沙波的速度差不多是每小時30an左右”（作為對比，甥牛的理度最奇可達毎小時砧沙壟走得比螞牛慢得多5沙壟（變大的沙紋）背水面處的回流流態(tài)耐<16過渡區(qū)Fr-1,沙壟逐漸被水流夷平7過渡區(qū)FZ,沙壟被夷平時，背水面回流也趨于消失8動平整和駐波：床沙起動但形不成沙壟，水面卻有“檢” 9逆行沙壟Fr>l,迎水面沖刷、背水面淤積1（）逆行沙壟與駐波：水面有駐波時，床面反而較平整25床面先恐與河床趣-定床與亦沫的區(qū)另:-床面影匯削瓜國-床働形態(tài)號流戀99關(guān)糸-床胚形恙的刊別堆則X 床面形態(tài)的水槽實驗：從靜平整到逆行沙壟 丄出26#25床龍怎與河味趣

14、-定床與亦灤的區(qū)另一 床面影盃的詼目-床面形怎與遼態(tài)的關(guān)來-床（B形態(tài)的判砂準002003年10月11日,黃河濟南探口站流態(tài)#床面龍帝與河味靱-定床與動未的區(qū)別-床面形盃的風因-床面殄總勺況亦的關(guān)系-床S5形態(tài)的判別判斷該種流動狀態(tài)（駐波）下，出現(xiàn)什么樣的床面形態(tài)？ 2003年10月11日，黃河濟南派口站流蠢達到2820秒立米 相應(yīng)水位30.98米，形成駐披景觀.古對秣“洽” j床龍恐號冏味飯-定床與亦沐的區(qū)別-味面影盃艙風因-床血彫怎勺汎亦09關(guān)系-味85形態(tài)的判別堆創(chuàng) 沖積河流床面形態(tài)的判別數(shù):Shields數(shù)0二判斷：在什么條件下河底有沙紋？什么情況下有沙波？（含沙水流情況下，無法直接觀

15、察河底狀態(tài)）通過試驗和野外資料分析建立經(jīng)驗關(guān)系得到床面形態(tài)的條 件。經(jīng)驗關(guān)系就是點繪以特定參數(shù)為坐標的點據(jù)圖，把出現(xiàn)沙紋 的范闈標在圖上，所得到的圖就可用于判斷某種水流條件下河 底究竟是什么形態(tài)。床®龍態(tài)與河床g喊定壞弓動棄的區(qū)另.味面形怎的皿因-床直彫盃與汪態(tài)的關(guān)石-味血形忠的判別：t»J 購打驅(qū)動力與抵抗力的相對大小:Shields數(shù)OShields數(shù)是河流動力學中最瞅要的判別參數(shù)。它反映水流 促使床沙起動的力與床沙抗拒運動的力兩者之比：0 =(Ys - yP5是床面上的剪切應(yīng)力。Shields數(shù)的值愈大，泥沙運 動的可能性愈強。因flffShldds數(shù)可以作為床沙運動

16、狀況的 一個重要指標。后面將會看到，它決定了推移質(zhì)運動的 強度，因此Shi兇ds數(shù)G又稱為水流強度、剪切強度等。29氐通龍否W歸床乞喊定壞勺訕策的區(qū)另 味面形菇的戲因-床吃彫壺與淤態(tài)89關(guān)召-味SB形忠的判別準則顆粒剪切雷諾數(shù)Re屮（大小不同的粗沙、細沙顆粒，其床面形態(tài)也不同）Re#=U»D/v容重相同的顆粒沉速研究結(jié)果表明，顆粒的 大小決定了其沉降時的繞流流態(tài)，使得粗細顆粒的沉速遵循不同的規(guī)律在形成沙紋和沙壟的過程中，顆粒大小是不是也有類似的作用？粗沙和細沙的床面形態(tài)是否也很不相同?31近壁低速流體對不同粒徑顆粒的影響流體力學中定義的邊壁處黏滯底層的厚度是：5=11.6v/U 顆粒

17、粒徑與該厚度之比是：D/8=DU7v/11.6=Re /11.6沙粒Reynolds數(shù)(RelLD/v)除以11.6即是床 沙粒徑D和黏滯底層厚度§的比值。從R&的數(shù)值 可推知近壁低速流體對某個粒徑的影響程度?？拷瘫谔幍牧黧w 流速很慢屬于層 流其厚度為5 被稱為黏滯底層.床先態(tài)號河味組成-定床與動侏的區(qū)另穴直齊二孑込因 7 m迂二.再由手卡-床形怎的判世準則近壁低速流體對不同粒徑顆粒的影響?zhàn)讓雍?度§相對較大如果U*小、6大,使比值D/6較小，黏滯底層就“保護” 了泥 沙顆粒，則至多只岀現(xiàn)細小沙紋，絕不會有大型沙壟出現(xiàn)。一32樂通先盃匕涌床輙-定床虧亦沫的區(qū)另

18、-床面電富的咸因-床吃彫盃與汛杏的關(guān)序-床劭形恐的判別準則近壁低速流體對不同粒徑顆粒的影響如果6大、5/h, D/6的比值較小，黏滯底層就“保護不了”泥 沙顆粒，會有大型沙壟出現(xiàn)。因為主流的作用力直接推動顆粒運 動，“聚沙成塔” 了。顆粒暴露在主流之中黏滯底層的厚:苫山;；2.床春面HP氏一開亍二丁代海曲子段-床謝形態(tài)的判fiotffl明渠流態(tài)對床面形態(tài)的影響：Froude數(shù)"Froude數(shù)決定水流流態(tài)，是影響床面形態(tài)的關(guān)鍵參數(shù)。 例如，只有在急流流態(tài)下，沙壟才向逆行沙壟過渡、發(fā)展。 可用它大致判別沙壟形態(tài)的轉(zhuǎn)換。粗略地說：Fr<l,只岀現(xiàn)沙紋、沙壟; Fr-1,床面平整； F

19、r>l,只出現(xiàn)逆行沙壟。34床血龍態(tài)與/床頤-定床與石床的區(qū)別一味面龍H的爪因-床血居忑與濟態(tài)的關(guān)歹-床®形恐的判別淮®J例31長江中游某河段實測平均水JSh=25m.水力坡降X0.8。/*。（。仏表示萬分奉）、平均流速U=1.5m/s,床沙質(zhì)平均粒徑為D=0.25mm.黃河下游某河段的組實測值則為h=1.6m.U=1.5m/s,D=0,05mm.求其床面剪切應(yīng)力q、Shields數(shù)、沙粒雷諾數(shù)和Froude數(shù).W：兩條河流均為寬淺型，因此河流的床面剪切應(yīng)力計算式中，水力 半徑R可用水棵h代替。對于長江中游的情況，計算如下：Tp =費】=pghJ =1000x9.8x

20、25x0.00008= 19.6 N/m2=19.6Pa,19.6P&hJU<=（To/P）X,2 NghJ）S014 m/s,（注意單位）童綱?O = f 二=:= 4.85(人一力D (A 一P)gD (2650- 1000)x9.8xO.25x 1()7床血龍態(tài)與/床頤-定床與石床的區(qū)別一味面龍H的爪因-床血居忑與濟態(tài)的關(guān)歹-床®形恐的判別淮®JRevU.Dv79.8x25x0.00008 x0.25xl0 3*“Fr = =z I = 0.096>/9.8x25&=0.08mmD=0.25mmD/8=Re./11.6 = 3,粒徑足粘性厳

21、層厚度的三 倍。所以，長江的流動是水力粗糙的，會岀現(xiàn) 大型沙壟。（在這里.張008mm）36更面龍否與浦床頤-定床與動床的區(qū)別-床面老応的咸因-味彤忑與淤態(tài)的關(guān)來-床血形示的判別難則-1對于黃河下游的情況，計算如下:q = yhJ =： pghJ =1000x9.8xl.6x0.0002=3.14N/m2 = 3.14 Pa. U產(chǎn)(q/pMiOSem/s,3.140 =r = 3.88(2650- l(MX)x9.8x0.05xlO"5*5=0.21mmD=0.05mnFAk79.8xl.6xO.OOO2 xO.05xlO3 =2.8Fr 二廠.二="0.3879.8x1

22、.6D/6=ReJ11.6= 0.24,粒徑不 到粘性底層厚度的四分之一。所 以，JS河的流動足水力光滯的 只會出現(xiàn)小沙紋。37評論:廬血龍否=乳;喊-定IV氷:未友區(qū)另-障面"的尿因-疔底絵®蟲戀的關(guān)石-床血形為的判81難則兩條河流的Shields數(shù)接近，但長江中游的 Froude數(shù)相對較小，其河床剪切應(yīng)力和沙粒雷 諾數(shù)均高于黃河下游。長江的流動是水力粗糙的，黃河的流動是水 力光滑的。解畢。38床面住怎與河味頤-定壞與血禾的區(qū)別-床面影花的成因-床血彤怎與汛杏89關(guān)來-味屈形恐的判別;t則大小不同的粗沙-細沙顆粒，其床面形態(tài)也不同1對于一般的明渠水流來說，超過某一粒徑的泥

23、沙顆粒即 不會形成沙紋。試驗顯示，R"大F11.6，泥沙粒徑超過粘 性底層的厚度6,床面不再是水力光滑Z后，就不經(jīng)歷沙紋 階段，而是直接出現(xiàn)沙壟。（因為D/5=ReJll.6）換種說法：泥沙粒徑超過0.6 - 0.7mm Z后，沙紋將不 出現(xiàn)，而是由平整床面點接過渡到沙壟。（因為§一般不會超 過0.5mm）樂面提恐與河味組成-定床與石床的區(qū)另-味面影盃的戲因-味S3形盃與汛態(tài)09關(guān)來-味屈形恐的判別;t則低水流能態(tài)區(qū)的判別準則：平整、沙紋、沙壟區(qū)Shields在1936年以Shields數(shù)0和Re,兩者為坐標軸，點繪了 他觀察到的起動條件和床而形態(tài)。這兩個參數(shù)遂被廣泛接受。

24、go.80.604_。2扌 01=4.25JXl： rShieidsl nr- wshzM 上 SSWCs) (Casev)療(Kwwror)= 2.65丿樂& “«£"”24 6 8：0 X 40 60 8018 200 40C 6001000U.D/u40床面龍恐與河沐九Ig定味易訕沫壓區(qū)另：-床形菇的感因-床直彫忑與況杏的關(guān)后-床血形恐的判別準則。*整.無混沙迄詢、1協(xié).勺混沙込多N沙壟4沙紋V沙堆（迎水垃二吁沙儀）V總決沙紅當Re大于11.6,也就是D/8=/?eJ11.6 > 1 后.就可能出現(xiàn)杪壟41氐焉龍帝與裔沐換-定床寫訕沫的訊另-床

25、匾形芒的朋目-味正彤盃與汛態(tài)的天示-床B5形恐的判別準則高水流能態(tài)區(qū)： a>壟一平整（過渡區(qū)逆行沙壟區(qū)=BO沙紋一沙壟進入高水流能態(tài)區(qū)后， 水流的Froude數(shù)對床面形 態(tài)的判別越來越重要.一 般用 Shields 數(shù) 0 和 Froude 數(shù)F分別作為縱坐標、橫 坐標，分析沙壟過渡到逆 行沙壟這一階段的水流臨 界條件。過:莒0.1 A2? 0MCI4 夕* at1* itMt5 K 逆行沙壟4)1 L.0.01V.!F廠l瀝水流明刀和沙和陽刀 和眄8勻涼紙E平均:託逮公氏不曰公式9闿刀系ew?渙篇天糸按谷河目的«8®定床水力學中的水流阻力概念天然河流中.常常是已知流

26、爲和比降，求河道水流的水深和流速，例如 已知上游洪峰大小，求本地的水位。這點與管流有所不同（過水斷面不變）。在恒定、均勻流動的情 況下，水面線平行于平均河 底面。一般采用取隔離體的方 式，從分析河底與運動水體 之間的作用力入手。在天然河道中.水流沿若一個已知比降向下游流動水流明刀和沙和陽刀 和眄8勻涼紙E平均:託逮公氏不曰公式9闿刀系ew?渙篇天糸按谷河目的定床水力學中的水流阻力概念在窄深的渠道中，水流在垂線和橫向上流 速分布都不均勻。取一個隔離體，則它受到 垂線和橫向流速梯度引起的剪切應(yīng)力： t, = -£-du/dy; t2 = -e-du/dz45水昶力W沙豹陽刀 他要均勻涼託輕甲論涼許公氏不曰公玄E旳刀系戢筋眇*天糸歿谷河丸天然河流，河道一般都是較為寬淺的N在天然沖積河道中.一般存在寬淺流動的條件，兩岸邊壁影響足局 部的，垂線平均縱向流速的大小沿橫斷面幾乎是常數(shù)，所以橫向上各相 鄰水體之間沒有剪切應(yīng)力。河道寬淺時，河底剪切應(yīng)嘉務(wù)孑取出一塊寬、長各為單位長度的隔離體，則它在流動方 向上的受力只有重力沿流向的分磧和底面的剪切應(yīng)力，兩者必平衡。hW=yhl力沿流