河流動力學復習整理

1、（0）河流動力學概念: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、泥沙運動規(guī)律和河床演變規(guī)律及其應用的學科。主要研究內容: 水流結構：研究水流內部運動特征及運動要素的空間分布;泥沙運動：研究泥沙沖刷、搬運和堆積的機理; 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; 河床變形預測：研究預測水流、泥沙運動及河床沖淤演變的方法.研究方法: 理論分析, 室內試驗,現場觀測，數值計算（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構：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

2、，切應力只有粘滯切力，流速按直線分布2.過渡層，粘滯切力與紊動切力同時存在，流動是層流和紊流的過渡區(qū)，該層沒有統一的流速分布公式，近似按直線層或對數層公式計算3.對數層，切應力主要是紊動切應力，流速按對數分布4外層區(qū).在對數層以上到水面的區(qū)間，切力主要是紊動力，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系。河道水流阻力分解圖：見ppt1 76頁明渠二維流的阻力損失表達方式：見ppt1 77頁（3）按運動狀態(tài)分，泥沙的運動形式有：（床沙），推移質、懸移質泥沙交換現象：推移質泥沙運動特點：間歇性、置換性、速度小、跳躍性、數量少、消耗時均能量懸移質泥沙運動

3、特點：速度大、懸浮性、置換性、數量多、消耗紊動能沖泄質：河流挾帶的泥沙中粒徑較細的部分，且在河床中數量很少或基本不存在的泥沙。床沙質：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.前者是非造床質泥沙，后者是造床質。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。推移質懸移質與床沙質沖泄質命名的區(qū)別：前者按運動方式分；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，在流動過程中不與其它流體發(fā)生全局性的摻混

4、現象的運動。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）泥沙懸浮機理：含沙量具有上稀下濃的沿垂線梯度。泥沙懸浮擴散理論：基于泥沙顆粒在紊流中隨機運動來求解泥沙濃度垂向分布的理論重力理論：挾帶懸移質的水流在運動過程中要消耗能量。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的懸浮。重力理論的觀點認為，懸移質的比重一般比水大得多，要使它在水里不下沉，水流必須對它做功以維持懸浮，即水流必須為此而消耗能量。推求懸移質含沙量沿垂線分布規(guī)律有哪些方法：1.Rouse公式2. 張瑞瑾公式3重力理論維利卡諾夫公。.Rouse方程

5、及其中懸浮指標Z的意義和如何計算：，實際代表了重力作用與紊動擴散作用的相互關系Rouse公式主要缺點：計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方式: 流量平均含沙量；面積平均含沙量懸移質輸沙率：一定的水流與河床組成條件下，水流在單位時間內所能挾帶并通過河段下泄的懸移質中床沙質的數量。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和懸移質在內的全部沙量。如何用愛因斯坦公式計算懸移質泥沙輸沙率： 用愛因斯坦公式計算挾沙力： ppt5 102頁（6）河床演變定義及其根本性原因是：自然條件及人類活動影響下河床所發(fā)生的變化過程；輸沙不平衡河床調節(jié)作用：

6、調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。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，河長增加，曲折系數加大。2、橫向變化：表現為凹岸崩退，凸岸淤長。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。河相關系：能夠自由發(fā)展的沖積平原河流的河床，在水流的長期作用下，有可能形成與所在河段具體條件相適應的某種均

7、衡的河床形態(tài)，在這種均衡狀態(tài)的有關因子（如水深、河寬、比降等）和表達來水來沙條件（如流量、含沙量、泥沙粒徑等）及河床地質條件的特征物理量之間，常存在某種函數關系，這種函數關系稱為河相關系或均衡關系。造床流量：造床作用與多年流量過程的綜合作用相當的某一種流量。實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？河流泥沙的最根本來源是巖石的風化2、形成泥沙主要風化類型是什么？ 風化種類：ü 物理風化：巖石在

8、原地發(fā)生的崩解ü 化學風化：巖石發(fā)生的蝕變（溶解、水解、碳酸鹽化）ü 生物風化：3、泥沙粒徑的常用表示計算方法是什么？ 等容粒徑:篩分粒徑沉降粒徑4、級配曲線及其粒徑分布特征值有哪些？粒徑分布的特征值Ø 上限粒徑在總沙樣中占某重量百分數的泥沙的上限粒徑。如D5,D10,D50等等。Ø D50中值粒徑，小于該粒徑和大于該粒徑的泥沙顆粒各占50%。Ø Dm平均粒徑，即各粒徑組平均粒徑的重量百分比的加權平均值。Ø Dmg幾何平均粒徑，即粒徑取對數后進行平均運算，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Ø 均方差s

9、：表示泥沙組成的非均勻程度,0均勻，越大越不均勻，反映沙樣粒徑的變化范圍大小。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， gs越大，變化范圍??；顆粒越小， gs越小，變化范圍大。泥沙淤積厚度的影響：淤積越厚， gs越大，變化范圍越??； 淤積越淺， gs越小，變化范圍越大。泥沙淤積歷時的影響：沉積越短， gs越??； 沉積越長， gs越大，然后趨于穩(wěn)定值； 大顆粒穩(wěn)定歷時短，細顆粒穩(wěn)定歷時長。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動形式？所謂泥沙的沉降速度:一般都是指達到等速運動以

10、后的下沉速度。當Red較小時，顆粒沉降屬于層流狀態(tài)當Red較大時，顆粒沉降屬于過度狀態(tài)當Red很大時，顆粒沉降屬于紊流狀態(tài)第 4章 泥沙的推移質運動1、泥沙的起動條件有哪些？起動流速和起動拖曳力如何計算？泥沙的起動條件：泥沙顆粒由靜止狀態(tài)轉為運動狀態(tài)時的臨界水流條件。起動條件可以用流速、拖曳力和功率來表示。Einstein統一流速公式 沙莫夫公式崗恰洛夫公式（3）巴芬頓(Buffington)(1998)：（天然沙）起動拖應力、曲線為馬鞍形，在 附近，亦即近壁層流層厚度與床沙粒徑接近時，泥沙最容易起動， 此時有 此即曲線的最低點、床面處于光滑區(qū)時，需要更大的拖曳力才能使其運動。 在 時，也即

11、，希爾茲曲線成為一條斜率為-1的直線，該直線的方程為 此時起動拖曳力與泥沙粒徑無關。、 時，即 時，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，起動拖曳力相應加大。在 以后，Shields曲線近似水平，Shields數接近常數2、泥沙起動臨界狀態(tài)的判別？克雷默的定性標準：他將推移質運動劃分為四個階段：（1）靜止無泥沙運動，全部床沙處于靜止狀態(tài)；（2）弱動輕微的泥沙運動，有屈指可數的泥沙在推移運動； （3）中動中等強度的泥沙運動，推移質泥沙運動已達到無法計數的程度；（4）普動普遮性的泥沙運動，引起床面外形的改變。3、何為泥沙的止動流速、不動流速與揚動流速，它們和起動流速有

12、何關系？止動流速： 泥沙由運動狀態(tài)轉變?yōu)殪o止狀態(tài)的臨界垂線平均流速稱為止動流速。止動流速與起動流速的關系揚動流速： 指床面泥沙由靜止狀態(tài)直接轉入懸移狀態(tài)的臨界垂線平均流速。4、沙波的型態(tài)、運動特性、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？沙波的剖面形態(tài)：1波峰：沙波向上隆起的最高點。 波谷：沙波向下凹入之處（沙波的最低點）。 波長：相鄰兩波峰或波谷之間的距離。 波高：波谷至波峰的鉛直距離。運動特性： 流速大的地方，泥沙運動速度快；流速小的地方，泥沙運動速度慢。 流速正的地方，泥沙向下游運動；流速負的地方，泥沙向上游運動。 水流的停滯點，同時也是泥沙的停滯點。 迎流面流速大，流速逐

13、漸增加，泥沙運動逐漸增強，在波峰處達到最大值。 當沙粒越過波峰以后，沙粒受重力及漩渦作用而落入波谷，其中較細的一部分泥沙有可能越過波谷，而到達下一個迎流面上繼續(xù)前進，絕大部分泥沙將落入波谷區(qū)在兩個停滯點（漩渦區(qū)）內沉積下來。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：波長較小，波高較低，波長、波高尺度以厘米計，泥沙粒徑比較細。、中等尺度的沙波 沙壟 特點：尺度變幅大，泥沙粒徑越細、波長越大。、最大尺度的沙波 沙丘（沙灘） 特點：泥沙成型堆積體。沙波的產生和消亡的過程：依據不同的水流條件存在靜平整、沙紋、沙壟、動平整、沙浪、

14、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參數是哪三個？1）希爾茲數 （Shields數）-描述泥沙起動的重要指標 （2）沙粒雷諾數（Re*）-決定沙紋運動的重要力學參數 （3）弗汝德數（Fr）-決定水流流態(tài)的重要參數 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、河谷的突然擴寬等；孤立的特大粗糙，如孤石、小島。潛灘等7、何為動床阻力？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算公式有何不同？動床阻力：沖積河流由可動的泥沙組成，常有沙紋、沙壟、沙浪等沙波形態(tài)出現，邊界和阻力是在不停地發(fā)生變化，與

15、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：如果把水力半徑看成是整個過水斷面幾何形態(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，另一部分 與河岸阻力相應，這時河岸阻力和河床阻力的表達式分別為物理意義：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：能量來自哪個區(qū)域就消耗在哪個區(qū)域8、何為推移質輸沙率？可以從哪些途徑進行研究？與流速的關系如何？推移質泥沙輸沙率：在一定水力、泥沙條件下，單位時間內誦過過水斷面的推移質數量稱為推移質輸沙率，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考慮問題；前蘇聯（2）以拖曳力為主要參變數考慮部題； Duboys,Mayer-Peter（3）根據能量平衡