河流動力學(xué)考試要點(diǎn)

1、河流定義是在自然因素及人類(rnli)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)展變化客觀規(guī)律主要研究水流、泥沙、河床邊界三者共同作用下的變化規(guī)律的學(xué)科主要包括：水流結(jié)構(gòu)：研究水流內(nèi)部運(yùn)動特征及運(yùn)動要素的空間分布泥沙運(yùn)動：研究泥沙沖刷、搬運(yùn)和堆積機(jī)理河床演變：研究流域水系的形成和發(fā)展、河流系統(tǒng)、河流分類與河型成因、不同類型河流的河床演變規(guī)律等共一百四十六頁應(yīng)用領(lǐng)域水庫泥沙水利樞紐下游的河床沖刷引水工程中的泥沙問題港口航道(hngdo)泥沙問題河道泥沙淤積問題理論研究包括泥沙運(yùn)動力學(xué)基本理論和河流演變原理研究研究對象物理機(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)

2、出統(tǒng)計學(xué)意義上的隨機(jī)性共一百四十六頁研究(ynji)方法試驗研究包括水槽試驗和河工模型試驗水槽試驗主要為理論研究服務(wù)，河工模型試驗主要為解決工程問題原型觀測數(shù)學(xué)模型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(ky)沿用水力學(xué)中明渠流的有關(guān)結(jié)果共一百四十六頁二相流特性、三維性、不恒定性、非均勻(jnyn)性明渠二維水流的阻力損失共一百四十六頁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)生的紊動相比，河道水流的紊動在尺度、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，由大、中、小尺度構(gòu)成的紊動結(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

3、(ch le)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共一百四十六頁 因此對于河道水流，“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)的時均流速U的表達(dá)式中代表水流阻力效果的綜合因素(yn s)，它當(dāng)然直接與水流中的紊源和紊動結(jié)構(gòu)有關(guān)，與大至河勢，小至河床床沙粒徑有關(guān)河道水流的流型、主副流及流速分布共一百四十六頁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。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

4、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(cchng)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。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。共一百四十六頁在副流中，有的具有復(fù)歸性，或者基本上與主流脫離，在一個區(qū)域內(nèi)呈循環(huán)式的封閉流動；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。具有復(fù)歸性的次生流，我們(w men)稱之為環(huán)流因產(chǎn)生的原因不同，具有不同的軸向共一百四十六頁河道(hdo)水流的流速分布共一百四十六頁共一百四十六頁河道水流中環(huán)流(hun li)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

5、柯里奧里（GCriorid)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。水流在彎道內(nèi)作曲線運(yùn)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(zh ge)力。通過調(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為橫剖面共一百四十六頁泥沙(n sh)的來源河流泥沙的最根本來源是巖石的風(fēng)化河流中運(yùn)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風(fēng)沙運(yùn)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，風(fēng)沙運(yùn)動帶來的泥沙絕大部分屬于沖瀉質(zhì)，對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

6、動等因素有關(guān)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(zn d)，侵蝕量也隨坡長的增大(zn d)而增加共一百四十六頁從流域地表侵蝕(qnsh)下來的泥沙，經(jīng)過河流的搬運(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，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(dá)300 kg

7、m3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，是與我國各地區(qū)的水土流失程度緊密相關(guān)的。共一百四十六頁泥沙的礦物(kungw)成分與分類泥沙的礦物成分既然泥沙來源于巖石風(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物理風(fēng)化、化學(xué)風(fēng)化以及生物(shngw)過程礦物的物理性質(zhì)比重或密度：2.65硬度：5，水輪機(jī)過流部件硬度一般5共一百四十六頁河流泥沙的分類(fn li)礦物分、運(yùn)動方式分類以及粒徑分類我國泥沙分類的分界數(shù)字為：2002021/201/200(即2002020.50.005)共一百四十

8、六頁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)系不同(b tn)粒徑級的顆粒所形成的土壤具有不同(b tn)的力學(xué)性質(zhì)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物理化學(xué)特性共一百四十六頁泥沙(n sh)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(jish)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mm共一百四十六頁共一百四十六頁泥沙(n sh)的粒徑（續(xù)）對較粗的天然沙粒測量成果的統(tǒng)計分析表明，沙粒的中軸長度，和其長、中、短三軸的幾何乎均值

9、(即等容粒徑)接近相等且略大對于粒徑在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度。可以近似地看成等容粒徑，或者直接稱為篩徑對于粒徑在0.062mm以下(yxi)粉粒和粘粒，已不可能進(jìn)一步篩分，只能采用沉降法共一百四十六頁泥沙(n sh)的粒配曲線通過對沙樣顆粒組成的分析，得出其中各粒徑級的重量百分比或者(huzh)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程度代表較細(xì)的沙樣代表較均勻的沙樣共一百四十六頁從粒配曲線上，可以查出小于某粒徑的泥沙在總沙樣中占的重量(zhnglin

10、g)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共一百四十六頁共一百四十六頁三、泥沙(n sh)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長短而有不同(b tn)。 對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。 共一百四十六頁通常泥沙(n sh)的平均粒徑與中值粒徑直并不相等。二者之間的關(guān)系

11、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，則越不均勻共一百四十六頁細(xì)顆粒泥沙的物理化學(xué)(w l hu xu)特性河流(hli)動力學(xué)共一百四十六頁電化學(xué)性質(zhì)(huxu xngzh)比表面積的意義：反映(fnyng)泥沙顆粒的物化作用與重力作用的相對（顆粒越細(xì)，該值越大）越大，物化作用就越大1、比表面積：泥沙顆粒表面積與其體積之比共一百四十六頁電化學(xué)性質(zhì)(huxu xngzh)2、雙電層及吸附水膜的特性(txng) （1）細(xì)泥沙顆粒在含有電解質(zhì)的水中，顆粒周圍會形成雙電層、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

12、定層）擴(kuò)散層 細(xì)泥沙顆粒表面帶有負(fù)電荷，同時也吸引水分子形成粘結(jié)水粘滯水束縛水 共一百四十六頁（2）雙電層的電位變化 泥沙顆粒表面(biomin)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會連結(jié)成絮團(tuán)， 在自重或其他外力的作用下，沉積固結(jié)共一百四十六頁泥沙(n sh)的一般重力特性泥沙的容重與

13、密度泥沙各個顆粒實(shí)有重量與實(shí)有體積的比值，稱為泥沙的容重或重度 ，采用國際單位為牛/米3(N/m3)由于(yuy)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)河流動力學(xué)共一百四十六頁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(micng)的深淺，以及淤積歷時的長短有關(guān)，其變化幅度是相當(dāng)大的實(shí)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2.9421.56kN/m3泥沙的水下休止角在靜水中的泥沙

14、，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，其正切值即為泥沙的水下摩擦系數(shù)f，即共一百四十六頁泥沙(n sh)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，簡稱沉速反映著泥沙在與水流相互作用時對運(yùn)動的抗拒能力。組成河床的泥沙沉速越大，則泥沙參與運(yùn)動的傾向越小 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，泥沙所受的有效重力和阻力恰恰(qiqi)相等，泥沙顆粒的繼續(xù)

15、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)歷的時間是十分短暫的：3mm，1/10s；1mm，1/20s共一百四十六頁 泥沙顆粒在靜水中下沉(xi chn)時的運(yùn)動狀態(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)動粘滯性系數(shù)當(dāng)Red較小時（約小于0.5）運(yùn)動狀態(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(約大于1000)，泥沙顆粒脫離鉛垂線以極大的紊動狀態(tài)下沉，附近的水體產(chǎn)生強(qiáng)烈的繞動和渦動，這時的運(yùn)動狀態(tài)屬于紊動狀態(tài)當(dāng)Red介于0.5到1000之間時，泥沙顆粒下沉?xí)r的運(yùn)動狀態(tài)為過渡狀態(tài)共一百四十六頁球體的沉速 單顆粒圓球

16、在無限水體中等速下沉?xí)r，其沉降可看做對稱繞流運(yùn)動，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、水流紊動強(qiáng)度，特別是沙粒雷諾數(shù)有關(guān)，其尚難以(nny)通過理論計算求得，多通過試驗加以確定共一百四十六頁分不同沉降狀態(tài)介紹(jisho)沉速公式共一百四十六頁共一百四十六頁泥沙(n sh)沉速的計算公式泥沙顆粒沉降滯流區(qū)的阻力與d成比例(bl)，紊流區(qū)的阻力與d22成比例有多家過渡區(qū)泥沙沉降時的阻力規(guī)律和沉降速度公式，本課程介紹張瑞瑾公式共一百四十六頁共一百四十六頁共一百四十六頁共一百四十六頁泥沙的運(yùn)動(yndng)形式河流(hli)動力學(xué)共一百四十六頁通常我們把

17、在床面附近隨著(su zhe)水流以滑動、滾動或跳躍的形式運(yùn)動著的泥沙叫做推移質(zhì)泥沙，簡稱推移質(zhì)把懸浮在水流中，基本上與水流以相同速度做懸移運(yùn)動的泥沙，稱為懸移質(zhì)泥沙，簡稱懸移質(zhì)在運(yùn)動的河流泥沙中，推移質(zhì)的數(shù)量一般都比懸移質(zhì)來得少，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)動方式，即高含沙水流運(yùn)動和異重流運(yùn)動所謂高含沙水流，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)行描述共一百四十六頁高含沙水流實(shí)際上已經(jīng)不是普通意義的固液兩相流，其中運(yùn)動的泥沙甚至也不能按照懸

18、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(ky)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)動是指這樣一種運(yùn)動，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)生全局性的摻混現(xiàn)象的運(yùn)動共一百四十六頁由于異重流的重度差很小，異重流中運(yùn)動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?。粦T性作用相對地顯得十分

19、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)動與懸移運(yùn)動的外在特征差異較大，為方便起見，將河流泥沙的推移運(yùn)動與懸移運(yùn)動分開(fn ki)來闡述泥沙的推移運(yùn)動，主要包括：泥沙的起動，沙波運(yùn)動，推移質(zhì)輸沙率，動床阻力懸移質(zhì)運(yùn)動，包括懸移質(zhì)運(yùn)動的基本概念、水流挾沙力、懸移質(zhì)含沙量沿垂線的分布等共一百四十六頁泥沙(n sh)的起動河流(hli)動力學(xué)共一百四十六頁設(shè)想在具有一定泥沙組成的床面上，使水流的速度由小到大逐漸增加，直到使床面泥沙(簡稱床沙)由靜止轉(zhuǎn)入運(yùn)動，這種現(xiàn)象稱為泥沙的起動泥沙顆粒由靜止?fàn)顟B(tài)變?yōu)檫\(yùn)動狀態(tài)的臨界水流條件稱為泥沙的起動條件常見的表達(dá)方式有兩種：當(dāng)用平均流

20、速來表示時，稱為起動流速；當(dāng)用水流剪切力來表示時，稱為起動剪切力或起動拖曳力泥沙的起動條件是泥沙的基本水力特性之一，同時(tngsh)，它又是河床沖刷的臨界條件泥沙的起動是一個非常復(fù)雜的問題，不僅決定于水流對泥沙的作用力，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)共一百四十六頁散粒體均勻泥沙(n sh)的起動流速大量的研究表明，促使水平(shupng)河床上的散粒體粗顆粒泥沙運(yùn)動的力主要是水平(shupng)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)動的力主要是泥沙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，在顆粒迎水面流速成小，壓力增大，而在顆粒背后水流

21、離解，形成漩渦，產(chǎn)生負(fù)壓，兩者合起來構(gòu)成水平方向上的推移力FD；同時，由于流速分布不均勻，顆粒上、下的繞流不對稱，顆粒下方流速小、壓力大，顆粒上方流速大、壓力小兩者合起來構(gòu)成了垂直方向上的上舉力FL共一百四十六頁共一百四十六頁共一百四十六頁共一百四十六頁共一百四十六頁從上述公式可知，對于散粒體泥沙而言，粒徑越粗越難起動，但實(shí)際現(xiàn)觀測表明，對于粒徑較細(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，細(xì)顆粒泥沙也難以起動。對于這一現(xiàn)象的解釋，目前還存在(cnzi)不同看法。一部分研究者認(rèn)為，在床面附近存在(cnzi)著一層很薄的邊界層流層當(dāng)泥沙顆粒很細(xì)時，顆粒有可能部分甚至全部淹沒在邊界

22、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，使起動變得因難。根據(jù)這一設(shè)想，可以推得另一種類型的起動公式，即起動拖曳力公式。共一百四十六頁散粒體均勻泥沙(n sh)的起動拖曳力如果確定垂線平均流速(li s)時采用如下的對數(shù)流速(li s)分布公式共一百四十六頁散粒體及粘性(zhn xn)泥沙的統(tǒng)一起動流速公式共一百四十六頁河流(hli)動力學(xué)共一百四十六頁從與實(shí)測資料的符合情況看，對于比較細(xì)的泥沙顆粒，各式都比較接近。對于粗顆粒，各式存在著一定差異：沙玉清的公式偏上，竇國仁的公式偏下，張瑞瑾、唐存本的公式介于兩者之間。顯然，盡管各個公式中粘結(jié)力的表達(dá)式有比較大的差別，即起動流速公式推導(dǎo)

23、出發(fā)點(diǎn)不同、但由于推導(dǎo)過程中均包含了兩個以上的待定系數(shù)，只要選擇比較可靠的實(shí)測資料就可以便公式的系數(shù)比較恰當(dāng)?shù)卮_定，從而使計算結(jié)果比較符合實(shí)際情況泥沙起動臨界狀態(tài)的判別實(shí)際上隨著水流的加強(qiáng)(jiqing)，推移質(zhì)泥沙運(yùn)動大致包括下列四種情形：無泥沙運(yùn)動，全部床沙處于靜止?fàn)顟B(tài)輕微的泥沙運(yùn)動：有屈指可數(shù)的泥沙在推移運(yùn)動共一百四十六頁有關(guān)問題(wnt)的討論中等強(qiáng)度的泥沙運(yùn)動，推移質(zhì)泥沙運(yùn)動已達(dá)到(d do)無法計數(shù)的程度普遍性的泥沙運(yùn)動，引起床面外形的改變天然河流中床沙是否起動一般不易觀測。通常采用的辦法是測推移質(zhì)泥沙輸沙率和水流強(qiáng)度的關(guān)系曲線，然后特此曲線延長到底沙輸沙率為零的地方，其相應(yīng)的水流

24、強(qiáng)度即為泥沙的起動條件非均勻沙的起動一般沖積河流的床沙組成都比較均勻，此時用平均粒徑或中值粒徑來計算，與實(shí)際基本相符泥沙組成不均勻，由于非均勻沙的起動情況相當(dāng)復(fù)雜，其起動時的水流強(qiáng)度較均勻沙的相應(yīng)共一百四十六頁礫石及卵石的起動 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(xgun)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問題目前的研究成果仍很少卵石的幾何形狀及其相互問的排列對起動有一定影響，如扁平狀的卵石較球形的難起動，魚鱗狀排列的較松散的難起動泥沙的止動和揚(yáng)動條件泥沙止動條件是指泥沙顆粒由運(yùn)動狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)殪o止?fàn)顟B(tài)時的臨界水流條件。共一百四十六頁一種

25、意見認(rèn)為，由于運(yùn)動中的泥沙顆粒是松動的，因而粘結(jié)力不起作用，所以止動流速常小于起動流速另一種意見則認(rèn)為，粘結(jié)力只能解釋粘性沙的情形(qng xing)，而散粒體泥沙就應(yīng)該從泥沙運(yùn)動的慣性角度解釋。止動流速與起動流速的關(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)動時的臨界水流條件共一百四十六頁沙波運(yùn)動(yndng)與動床阻力河流(hli)動力學(xué)共一百四十六頁沙波從天然河道及實(shí)驗室水槽中均可觀察到，當(dāng)推移質(zhì)泥沙運(yùn)動達(dá)到一定程度時，河床表面就會出現(xiàn)起伏不平但又比較規(guī)則的被狀起

26、伏，稱為沙波沙波是推移質(zhì)泥沙運(yùn)動的主要外在表現(xiàn)形式，對水流(shuli)結(jié)構(gòu)、泥沙運(yùn)動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，波谷底至被速頂?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位置，坡度達(dá)到最大值共一百四十六頁沙波的形態(tài)和運(yùn)動(yndng)特性過此之后，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(ybn)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

27、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力學(xué)共一百四十六頁水流越過波峰后，常常發(fā)生離解(l ji)現(xiàn)象，產(chǎn)生橫軸環(huán)流，此時波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)動狀態(tài)和沙波運(yùn)動狀態(tài)流速大的地方，泥沙運(yùn)動得快；流速較小的地方，泥沙運(yùn)動得慢；流速小于泥沙起動流速時，泥沙將停止運(yùn)動；流速為正值的地方，泥沙將向下游方向運(yùn)動；流速為負(fù)值的地方

28、，泥沙將向上游方向運(yùn)動；水流的停滯點(diǎn)同樣也是泥沙的停滯點(diǎn)共一百四十六頁沙波的迎流面實(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態(tài)結(jié)果是整個沙波向下游整體爬行沙波的運(yùn)動有兩個重要現(xiàn)象沙波對床沙的分選作用從上游沿著迎水而帶來的泥沙，當(dāng)落入背水面的漩渦時，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，越細(xì)的泥沙就越向上；這樣(zhyng)就形成上細(xì)下粗的分層淤積，共一百四十六頁沙波表面泥沙運(yùn)動的間歇性表現(xiàn)在雖然每一顆運(yùn)動的泥沙，其速度接近水流的運(yùn)動速度，但當(dāng)它落入波谷時就不再前進(jìn)，要等到這些泥沙再次處于下一個沙波的迎水面(shu min

29、)上時才繼續(xù)運(yùn)動，因此組成沙波的全部泥沙的平均運(yùn)動速度，也就是沙波的運(yùn)動速度是很慢沙波分類（四種）帶狀沙波（少見）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，沙波剛開始形成時，才可能出現(xiàn)斷續(xù)蛇曲狀沙波（最常見）波峰線成不規(guī)則曲線，時繼時續(xù)，大致與流向垂直共一百四十六頁新月形沙波(堆狀沙波：常見(chn jin)沙波的波長與波寬基本上相等，此交錯的，呈魚鱗狀，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分，主要有以下種類沙紋，波高l2cm，波長幾厘米到十幾厘米，在天然河道的沙灘上可以經(jīng)?？垂惨话偎氖撝械却笮?/p>

30、的沙波叫沙壟，尺度變幅很大，波高由不足1m到23m，波長由幾米至100 m以上不等。在天然河道的邊灘上，這種沙壟也常可看到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(pnbi)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)的無量綱力學(xué)參數(shù)共一百四十六頁反映了水流促使泥沙運(yùn)動的力和床沙抗拒運(yùn)動的力的比值希爾茲數(shù)一個描述(mio sh)泥沙從不動到運(yùn)動、從微動到大動的重要指標(biāo)數(shù)越大，泥沙可動性越強(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)動的力與粘滯

31、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)也是一個重要的無量綱參數(shù)弗汝德數(shù)對于運(yùn)動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共一百四十六頁動床阻力(zl)定義：沖積河流河床上常有泥沙運(yùn)動，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，稱為動床阻力一般說來，動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(chnshng)的阻力，與定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有的，它隨著沙波的形態(tài)和尺度而改變共一百四十六頁動床阻力不是一個常數(shù)，隨水力條件(tiojin)變

32、化的共一百四十六頁推移(tuy)質(zhì)泥沙輸沙率河流(hli)動力學(xué)共一百四十六頁定義在一定水力、泥沙條件下，單位時間內(nèi)通過過水?dāng)嗝娴耐埔瀑|(zhì)數(shù)量稱為推移質(zhì)輸沙率。用Gb表示，單位一般用kg/s或者(huzh)t/s在一定水力、泥沙條件下，單位時間內(nèi)通過過水?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，簡稱單寬輸沙率、用gb表示，單位一般用kg/ms或者t/ms共一百四十六頁推移質(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)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)動的強(qiáng)弱與水流強(qiáng)度關(guān)系極大由于推移質(zhì)運(yùn)動對流速的變化十分敏

33、感、而河道水流具有紊動特性，推移質(zhì)運(yùn)動的時空變化規(guī)律反映(fnyng)出如下的突出特點(diǎn)：對于一定的水流、斷面形態(tài)和床沙組成的河床來說，推移質(zhì)運(yùn)動在空間上僅出現(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)動的地方，其輸沙率在時間總是以隨機(jī)變量的形式出現(xiàn)，存在一定的分布規(guī)律。通常所說的推移質(zhì)輸沙率系指其數(shù)學(xué)期望河流(hli)動力學(xué)共一百四十六頁在來水來沙不變的平衡狀態(tài)下，對單顆泥沙來說，其主要表現(xiàn)形式是不連續(xù)的，時快時慢，走走停停。粒徑愈大，停的時間愈長，走的時間愈短，運(yùn)動的速度愈慢 對群體泥沙來說，推移質(zhì)運(yùn)動主要表現(xiàn)形式為連續(xù)的沙波運(yùn)動基于水動力學(xué)原理的輸沙率公式以流速為主要參數(shù)的

34、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(tngj)法則的輸沙率公式共一百四十六頁共一百四十六頁懸移質(zhì)運(yùn)動(yndng)的基本概念河流(hli)動力學(xué)共一百四十六頁天然河流中的床沙(組成河床的泥沙(n sh)，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)動狀態(tài)，不是滾動、滑動或躍移，而是在水流的諸流層中懸移前進(jìn)，時而接近水面、時而接近河床，留下只具有統(tǒng)計學(xué)機(jī)遇性質(zhì)而無力學(xué)必然規(guī)律的跡線推移質(zhì)泥沙運(yùn)動的間斷性強(qiáng)，而懸移質(zhì)泥沙運(yùn)動的持續(xù)性一般是相當(dāng)大的重力作用與紊動擴(kuò)散作用除特殊情

35、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共一百四十六頁懸移質(zhì)在紊動水流中，既因承受重力作用而下沉，又因承受紊動擴(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擴(kuò)散作用而上升的效果的對比，使成為導(dǎo)致河床(hchung)沖刷、淤積或暫時平衡的決定性因素重力作用對于連續(xù)介質(zhì)、散粒群體及散粒個體都是適用的；紊動擴(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，不適用于散粒個體共一百四十六頁共一百四十六頁床沙質(zhì)(sh zh)與沖瀉質(zhì)在河流的水文測驗工作中發(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，反映在級配曲線上就是床沙的

36、級配曲線坡度比較陡，而懸移質(zhì)的級配曲線比較緩床沙的平均粒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有(mi yu)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)共一百四十六頁懸移質(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(shngyu)來沙量無關(guān)，只與本河段的水流條件有關(guān)，同時床沙質(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沙情

37、況，而上游河段的來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)的界限是相對的在具體的資料分析工作中，通常將懸移質(zhì)級配曲線與相應(yīng)的(即相同的水流條件下的)床沙粒配曲線進(jìn)行對比來劃分懸移質(zhì)中的床沙質(zhì)與沖瀉質(zhì)共一百四十六頁水流(shuli)挾沙力河流(hli)動力學(xué)共一百四十六頁定義(dngy) 一般情形下，當(dāng)發(fā)生泥沙沖刷的時候，必定是水流有富余的挾帶泥沙的能力；當(dāng)發(fā)生泥沙淤積的時候，必定是水流挾帶的泥沙已經(jīng)超過它的能力 水流挾沙力的確切定義為：在一定(ydng)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、過水?dāng)嗝婷?/p>

38、積A、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*共一百四十六頁從能量平衡觀點(diǎn)(gundin)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、紊動損失和挾帶泥沙所消耗的能量如果泥沙懸浮(xunf)在水流中增強(qiáng)水流的紊動，那么懸浮(xunf)泥沙所消耗的能量就是直接取自水流的勢能；如果泥沙懸浮(xunf)在水流當(dāng)中制約并使水流的紊動減弱，那么懸浮(xunf)泥沙所消耗的能量就是取自水流的紊動能大量的事實(shí)表明泥沙的存在減弱了水流的紊動，懸浮泥沙的能量取自水流的紊動

39、能。張瑞瑾正是據(jù)此創(chuàng)立了制紊假說，建立了水流挾沙力公式共一百四十六頁應(yīng)注意(zh y)的問題以具有中、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徑，再以之作代表粒徑計算各組的 及相應(yīng)的水流扶沙力S* 共一百四十六頁河道演變(ynbin)規(guī)律共一百四十六頁河床(hchung)演變的基本原理共一百四十六頁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(yj)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，河床將沖刷降低若進(jìn)一步追溯

40、輸沙不平衡的根本原因，可區(qū)分為兩種不同的情況，起因于動床水沙兩相流的內(nèi)在矛盾外部條件的不恒定性造成共一百四十六頁當(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，且整個河段處于輸沙平衡狀態(tài)(zhungti)時，河段的各個部分仍可能處于輸沙不平衡狀態(tài)(zhungti)這是由于推移質(zhì)運(yùn)動往往采取沙被運(yùn)動形式，而在天然河流上還往往采取成型堆積體運(yùn)動形式造成的。沙波和成型堆積體的存在將原來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

41、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)河床高程沿時程呈波狀變化。值得注意的是，水沙兩相流動床的平直狀態(tài)是不穩(wěn)定的，施加一個小的擾動波之后就會轉(zhuǎn)變成為波動狀態(tài)，并在相當(dāng)大的范圍內(nèi)，有能力將這種波動狀態(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性，從而也反映了河床演變的絕對性使河流經(jīng)常處于輸沙不平衡狀態(tài)的另一重要原因是，河流的進(jìn)出口條件經(jīng)常處于發(fā)展變化過程之中共一百四十六頁進(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)(dq)分布上的不穩(wěn)定性造成的，由此產(chǎn)生的水沙量的因時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

42、的變化，對進(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)新的輸沙不平衡共一百四十六頁河床(hchung)演變的分析方法河流(hli)動力學(xué)共一百四十六頁分類(fn li)按時間特征：長期變形和短期變形；按空間特征：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：單向變形(單向沖刷或淤積)和復(fù)歸性變形(沖刷淤積交替進(jìn)行(jnxng)；按是否受

43、人類活動干擾：自然變形和受人為干擾變形河流動力學(xué)共一百四十六頁影響河床(hchung)演變的主要因素可概括為河段上游來水量及其變化過程河段上游來沙量、來沙組成及其變化過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)測資料分析運(yùn)用泥沙運(yùn)動基本規(guī)律及河床演變基本原理、對河床變形進(jìn)行理論計算運(yùn)用河流模擬的基本理論，對河床演變進(jìn)行預(yù)測對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）共一百四十六頁天然河道實(shí)測資料(zlio)分析河段來水來沙資料分析根據(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

44、；若為枯水豐沙年，則有利于淤積；若為中水中沙年，河道可能(knng)會處于沖淤平衡狀態(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，漲水和退水時間的長短、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共一百四十六頁對水道地形觀測資料的整理分析河道縱向演變及沖淤量估算河段歷年實(shí)測的深泓線(或河床平均高程線)繪制在同一幅圖上，通過分析對照，即可看出該河段沿深泓線(

45、或沿幾何軸線)的縱向沖淤變化(binhu)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)展趨勢根據(jù)歷年水位、流量實(shí)測資料，可繪制同流量下的水位過程線，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)測懸移質(zhì)輸沙率資料時，可以根據(jù)輸沙平衡原理，計算某時段內(nèi)上、下水文站輸沙量之差，據(jù)此可判斷該時段內(nèi)河床的沖淤變化及其沖淤量共一百四十六頁當(dāng)河段內(nèi)有若干次實(shí)測大斷面成果時，則可進(jìn)行河道斷面的沖淤計算，具體做法是：每個斷面選擇一個定常的比較高的控制高程作為斷面沖淤計算的基準(zhǔn)面；分別計算各斷面歷次實(shí)測控制基準(zhǔn)面以下的斷面面積；計算各斷面相鄰兩個(lin )側(cè)次的斷面面積之差

46、，并根據(jù)上、下相鄰兩個(lin )斷面的間距，計算其間的沖淤量；根據(jù)計算所得沖淤量，繪制沿程沖淤變化圖對河床地質(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，河床的變化將較急劇，河床將不穩(wěn)定共一百四十六頁當(dāng)河床由不易沖刷的土質(zhì)組成時，河床演變的過程將較緩慢(hunmn)，河床將比較穩(wěn)定如果河床的地質(zhì)組成極為復(fù)雜，則河床演變的過程也將很復(fù)雜共一百四十六頁河流(hli)動力學(xué)共一百四十六頁河相關(guān)系(gun x)河流(hli)動力學(xué)共一百四十六頁定義(dngy)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(yīng)的某種均衡的

47、河床形態(tài)(xngti)，亦這種均衡和表達(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(在沖積平原河流中其本身的部分甚至整體往往又是來水來沙條件的函數(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，而只是就空間和時間的平均情況而言河流動力學(xué)共一百四十六頁存在兩種河相關(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(shyng)于一個河段的不同斷面，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)，

48、而不涉及其細(xì)節(jié)。在文獻(xiàn)中有時稱之為沿程河相關(guān)系同一斷面相應(yīng)于不同流量的河相關(guān)系，它能確定斷面形態(tài)隨流量變化的細(xì)節(jié)，在文獻(xiàn)中有時稱之為斷面河相關(guān)系。通常所說的河相關(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)沖積河流水力計算和河道整治的依據(jù)共一百四十六頁造床流量(liling)無論是河床的穩(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，這個單一的造床流量應(yīng)該是其造床作用(zuyng)與多年流量過程的綜合造床作用(zuyng)相當(dāng)?shù)哪骋环N流量。這種流量對塑造河床形態(tài)所起的作用(

49、zuyng)最大，但它不等于最大洪水流量，因為盡管最大洪水流量的造床作用劇烈，但時間過短，所起的造床作用并不是很大；它也不等于枯水流量，因為盡管枯水流量作用時間甚長，但流量過小，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:某個流量造床作用的大小，既與該流量的輸沙能力有關(guān)，同時也與該流量所持續(xù)的時間有關(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來表示。共一百四十六頁因此，當(dāng)QmJP的乘積力最大時，其所對應(yīng)的流量的造床作用也最大，這個流量便是所要求的造床流量 計算的具體步驟如下將河段某斷面歷年(或選典

50、型年)的流量過程分成相等的流量級確定各級流量出現(xiàn)的頻率P繪制該河段的流量比降關(guān)系曲線，以確定特級流量相應(yīng)的比降算出相應(yīng)于每一級流量的QmJP值，其中Q為該流量級的平均值；m為指數(shù)，可由實(shí)測資料確定，即在雙對數(shù)紙上作GsQ關(guān)系曲線(Gs為與Q相應(yīng)的實(shí)測斷面的輸沙率)，曲線斜率即為m值，對平原河流來說，一般(ybn)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共一百四十六頁實(shí)際資料分析表明，平原河流的QmJP值通常都出現(xiàn)兩個較大(jio d)的峰值(見右圖)。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

51、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，第二造床流量僅對塑造枯水河床有一定的作用，通常所說的造床流量系指第一造床流量共一百四十六頁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算的造床流量水位大致與河漫灘齊平，同時，也只有當(dāng)水位平灘時，造床作用才最大，因為當(dāng)水位再升高漫灘時，水流分散，造床作用降低，水位低于河漫攤時，流速較小，造床作用也不強(qiáng)(b qin)。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。為了避免用一個斷面時河漫灘高程難以確定及代表性不強(qiáng)的缺點(diǎn)，可

52、以在河段內(nèi)取若干個有代表性的斷面，取其平灘水位時的平均流量值作為造床流量此法概念清楚，簡便易行，實(shí)際工作中應(yīng)用較廣泛造床流量的保證率法共一百四十六頁河相關(guān)系(gun x)早期的河相關(guān)系早期的河相關(guān)系基本上是經(jīng)驗性質(zhì)的具體做法是，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，在形態(tài)因素與水力泥沙因素之間建立經(jīng)驗關(guān)系祈成果，如格魯什科夫提出(t ch)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5.5共一百四十六頁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)

53、律。進(jìn)一步的研究(ynji)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性假說能耗最小假說共一百四十六頁河床(hchung)穩(wěn)定性縱向穩(wěn)定(wndng)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)動的摩阻力與水流作用于泥沙的拖曳力的對比這個比值愈大，泥沙運(yùn)動強(qiáng)度愈弱，河床因沙坡、成型堆積體運(yùn)動及與之相應(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)動強(qiáng)度愈大，河床產(chǎn)生的變形愈大，因而愈不穩(wěn)定共一百四十六頁河床(hchung)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)。從問題的物理實(shí)質(zhì)來看，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

54、。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。灘槽高差對河岸的抗沖能力也有一定的影響(yngxing)。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共一百四十六頁平灘流量橫向穩(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(zrn)地會聯(lián)想到將這兩個穩(wěn)定系數(shù)聯(lián)系在一起，構(gòu)成一個綜合的穩(wěn)定系數(shù)共一百四十六頁蜿蜒型河道的演變(ynbin)規(guī)律河流(hli)動力學(xué)共一百四十六頁定義(dngy)蜿蜒河流(meander)一詞起源于土耳其西南

55、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)(dzh)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)，河谷都比較開闊在我國這種河型分市得十分廣泛河流動力學(xué)共一百四十六頁形態(tài)(xngti)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(qjin)的過渡段銜接而成的在較長的蜿蜒型河道上，自上游過波段中點(diǎn)起沿河道中心線至最后一個過渡段中點(diǎn)止的曲線長度L0與起點(diǎn)至終點(diǎn)的直線長度L1之比，稱為曲折系數(shù)下荊江的曲折系數(shù)原為2.84，幾

56、經(jīng)裁彎取直后，降為1.89，南運(yùn)河的曲折系數(shù)為1.96河流動力學(xué)共一百四十六頁單個河彎而言，上下兩個過渡段的中點(diǎn)(zhn din)之間的曲線長度L c與直線長度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表示其彎曲程度，稱為曲率半徑R的大小與河流尺度和動量有關(guān)河流(hli)動力學(xué)共一百四十六頁在曲率半徑為尺的單個彎段內(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的河岸為凹岸，凸向水流的稱為凸岸二者在平面(pngmin)上都是左右相對的。兩反向彎道之間的直線段稱為過渡段河流(hli)動力

57、學(xué)共一百四十六頁從橫斷面看，彎道段呈不對稱三角形，凹岸一例坡陡水深，凸岸一側(cè)坡緩水淺。過波段基本是呈對稱的拋物線形或梯形。由彎道段至過波段斷面形態(tài)(xngti)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，而過渡段則較高共一百四十六頁水流(shuli)特性蜿蜒型河段的水流運(yùn)動受重力(zhngl)和離心慣性力的雙重作用，其等壓面與重力(zhngl)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力軸線的變化上河流動力學(xué)共一百四十六頁菲德曼實(shí)測(sh

58、c)的彎道水位等高線共一百四十六頁橫比降的存在，使得(sh de)水流縱比降沿凹岸和凸岸不同共一百四十六頁橫比降的水體受力特點(diǎn)，必然會形成橫向環(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，從長時段看基本上是平衡的。除某些特殊情況(例如壩下游的長距離沖刷)外，一般(ybn)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)律性共一百四十六頁演變(ynbin)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

59、的程度不斷加劇，河長增加，曲折系數(shù)也隨之增大原因：主要是凹岸的不斷崩退和凸岸的相應(yīng)淤長，使河彎在平面上不斷發(fā)生(fshng)位移，并且隨彎頂向下游蠕動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河彎固然不斷變化，但各河彎之間過渡段的中間部位則基本不變，只是過渡段長短不等而已。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)行的共一百四十六頁一般演變（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)淤長在變化過程中不僅斷面形態(tài)相似，且沖淤的橫斷面面積也接近相等可根據(jù)前后(qinhu)兩次實(shí)測斷面資料，對斷面的進(jìn)一步發(fā)展趨勢作出判斷如果崩退的面積大于淤長的面積

60、，則凸岸會繼續(xù)淤長如果凸岸淤長的面積大于崩退的面積，則凹岸會繼續(xù)崩退如果崩淤面積接近相等，則表明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渡段兩岸也會發(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(hli)動力學(xué)共一百四十六頁縱向變化即彎道段洪水期沖刷而枯水期淤積，過渡段則相反年內(nèi)沖淤變化雖不能完全達(dá)到平稠，但就較長時期的平均情況而言，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(nngl)較差)，使同一岸兩個彎道的彎頂崩退，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