河流动力学1绪论.docx

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河流动力学1绪论

绪论

●课程的意义：

我国河流众多，仅流域面积在1000m2以上的河流就有1500多条，全国正常年径流量达27100亿m3，水能蕴藏量为5.8亿kw；年均输沙量1000万吨以上的有42条，直接入海泥沙总量20亿吨，黄河长江的总输沙量占世界13条大河总量的1/3（其中黄河是世界上泥沙最多的大河，多年平均数沙量达16亿吨，长江宜昌站平均年输沙量5.3亿吨）。

●课程与专业的关系：

1、水文水资源专业：

河流动力学是水文水资源专业的技术基础课，也是该专业的专业方向之一，它具有双重性。

水文水资源专业是研究地球上水的运动规律及资源评价利用和开发的专业。

地表降水、产流、汇流必然产生地表的侵蚀、产沙、泥沙的输移和堆积。

对地表上水和沙的研究常常相互关联，特别是解决多沙河流的水文测验、水文预报和水力计算等问题，更需要河流动力学的基本知识。

2、港航专业及水利水电专业：

河流动力学是该专业重要的技术基础课，是研究冲积河流在自然状态下以及受人工建筑物影响以后所发生的变化和发展的一门科学，是人类同江河作斗争的过程中诞生与成长起来的，与水利工程、港航工程建设的关系十分密切。

如：

港址选择，除考虑国民经济建设需要及陆域条件外，还需弄清河道的冲淤变化情况，尽可能选择冲淤变化不大或冲淤变化朝着有利于港口建设方向发展的地方建港；在河流渠化或运河工程中必须重视泥沙及河床演变问题，例如壅水渠区泥沙淤积问题，坝下游河床冲刷问题和船闸引航道冲淤问题等。

●本章知识要点：

1、课程内容及与本专业的关系

2、研究对象及学科发展概括

3、课程概貌、研究方法及学习特点

●泥沙问题在生产实践中的重要性：

1、防洪问题：

洪水的泛滥成灾与上游来沙多少有关：

（1）大量泥沙淤积，抬高河床，行洪能力降低。

如：

黄河

（2）宽浅河道，主流迁徙无常，严重降低对洪水的抵御能力。

如：

黄河中下游龙门—潼关河段具有“揭河底”现象。

2、水库泥沙淤积和枢纽上下游河床演变

（1）库容减小，影响水库正常调度使用，降低兴利指标。

如：

三门峡

（2）由于泥沙淤积，水库末端上延，水库面积扩大，使上游河谷、农田淹没。

如：

葛洲坝枯水期回水长度189KM，洪水期回水长度76KM。

（3）泥沙进入水轮机组，造成磨损，影响发电机寿命。

（4）下泄水流挟沙力大，引起局部冲刷，河床下切。

如：

葛洲坝80—98年累计下切0.85－1.11m，胡佛坝35－51年下切4.5m，冲刷距离148km；尼罗河的阿斯旺坝下切1.7m，冲刷距离500km。

三、灌渠淤积问题

我国北方地区气候干燥，但由于这些地区含沙量高，引水的同时也引进大量泥沙，一些平原地区，如华北平原，地面平坦，引水渠道设计受到坡度限制，挟沙力不可能很大，形成灌渠淤积，严重影响过水能力。

四、港湾河港淤积问题：

河流入海后，泥沙迅速淤积，一遇大风大浪，滨海浅滩上的泥沙受到扰动，被掀举而悬浮于水中。

在潮流中，海流及沿岸流的作用下，又被带到远离河口的地方，引起港湾河口的淤积，给航运排涝带来困难。

长江中游青山港开挖后普遍发生淤积，河床逐年抬高，4年间累积淤积量达到74万方，口门附近淤积厚度高达10m，中枯水期不能通航。

五、桥渡附近的河床变形

在江河上架设桥梁后，由于桥墩对水流的束窄作用，会使水流的流态发生变化。

如：

桥墩上游因壅水作用而流速减小，发生淤积；桥渡附近单宽流量增加，流速增加，造成冲刷；下游因水流扩散，流速减小，造成淤积。

这种冲淤变化直接影响到桥渡的安全，设计时应予以充分预测。

一、河流动力学的内容和研究的问题

●河流动力学：

研究河流运动规律的科学

●主要学习内容：

三大部分，第一部分为泥沙运动，包括河道的泥沙特性和泥沙在水流作用下运动和输移的规律；第二部分为河床演变，研究水流与河床相互作用、相互制约并导致河床演变的规律；第三部分为河床变形预测方法，包括河床演变分析方法和河床变形计算。

●

相互关联

相互渗透

不可分割

●水流、河床、泥沙运动的关系：

水流与河床是一对矛盾的统一体（对立——相互制约；统一——不可分割，相互依存），泥沙运动起纽带作用，在许多情况下都要通过泥沙运动体现出来（从矛盾的一个方面转化到另一个方面）。

（举一例说明：

弯道演变）

二、  河流动力学的发展简史

●河流动力学的母体及诞生

欧美——水力学——技术基础科学范畴

前苏联——地球物理学——基础科学范畴

人们以劳斯（H.Rouse）于1938年以其关于泥沙紊动扩散理论的名著在第五次国际应用力学研究讨论会刊发表时作为河流动力学脱离母体以一门独立学科诞生的标志。

事实上，1933年，奥布莱恩（M.P.O.Brien）已发表了内容与劳斯名著相类似的文章，而在1931年马卡维也夫也有性质相近的文章问世，综上所述可以认为河流动力学以一种专门学问问世，为时不过半个多世纪。

●河流两岸自古以来是人类繁衍生息的场所，河流对于人类的生活，生产及文明发展具有重大的影响。

黄河——华夏文明的摇篮，人民在与黄河作斗争中，积累了经验。

2000多年前贾让就用“游荡”两字来形容黄河的状况。

明代潘季训云：

“水分（分汊，散漫）则势缓（速度减小），势缓则沙停（淤积），沙停则河饱（河床抬高）；水合（水流集中）则势猛（流速大），势猛则沙刷（冲刷），沙刷则河深（河床降低）。

——与现代水流挟沙力概念完全一致。

“筑堤束水，籍水攻沙”——束水攻沙

●河流的存在对人类既有利又有弊（黄河的利与害），所谓“城因水兴，水为城用”、“水能载舟，亦能覆舟”。

人类在利用和与河流的危害进行斗争时逐步加深了对河流的了解，积累了关于河流运动、发展的知识，了解了相关的规律（举例都江堰工程）。

①黄河：

北方温带－干旱半干旱河流的例子。

三大问题：

a.水资源短缺；b.水灾害加剧；c.水环境恶化：

水土流失、河流污染

②都江堰水利工程：

公元前256～210年，位于四川都江堰市城西，是全世界至今为止，年代最久、唯一留存、以无坝引水为特征的宏大水利工程。

以发展灌溉为目的的用水用沙和取水防沙的治河工程的光辉典范，使得成都平原“水旱从人，不知饥馑，时无荒年，天下谓之天府”。

至今仍然连续使用，仍发挥巨大效益。

其组成无坝引水枢纽的三大主体工程是：

a.分水鱼嘴——分流

内江：

中水期30％，洪水期40％——灌溉川西平原

外江：

排洪排沙

b．飞沙堰：

95％以上推移质泥沙通过而进入外江。

飞沙堰高程——与弯道环流，泥沙沿水深分布有关

c．宝瓶口取水：

保证进入灌区的水只含极少量细沙，不淤积渠道。

取水口位置——保证引水，防止底部粗沙进入渠道

都江堰的平面布置符合现代河流动力学理论：

弯道凹岸引水（宝瓶口），凸岸排沙（飞沙堰、外江河道）

●至近代，随着数理科学的发展，学科研究成果不断涌现，形成了一门独立的学科。

1882年——法格提出河流整治原则，在法国河流上取得成效

1914年——德国恩格斯出版《水工学》，总结德、法治和经验

1931年——德国恩格斯承接了我国黄河河工模型试验

1934年——瑞士梅叶彼得做推移质泥沙的试验研究

1942年——爱因斯坦（梅的学生）发表底沙输沙率公式（随机统计理论）

50年代——前苏联维立卡诺夫提出重力理论——悬浮功，以后导致拜格诺提出“自动悬浮”，武水提出“制紊假说”和悬移质水流挟沙力理论。

我国起步较晚，新中国成立后，曾派人去苏联学习。

代表学者有张瑞瑾、窦国仁、谢鉴衡、钱宁、韩其为等院士。

代表著作有钱宁的《泥沙运动力学》（1983年）、《河床演变学》（1986年）两本巨著。

国际泥沙培训中心（84年中国政府和联合国教科文组织共同建立）设在清华大学。

三峡工程对工程泥沙问题的论证研究成果达到国际先进水平，对我国河流动力学的发展起到了有力的推进作用。

三、  河流动力学的特点和研究方法

●学科特点：

①新兴学科，发展很快；②不成熟性：

局限性，经验性，学科理论不完善；③基础科学（数学、流体力学、地球物理学等）与技术科学（水力学、应用数学等）的结合

●研究方法：

由于本学科研究对象是边界条件复杂，又在不断变化的河流，影响演变的因素很多，如：

地球物理如万有引力、地球自转公转；水文如降水；地质地貌；人类活动如建水库等，涉及的物理量多，边界条件复杂多变。

因此目前的研究方法从下面几个方面入手，并经过多次反馈，得到实际资料的验证。

1.用经典力学的方法研究泥沙运动。

2.用统计数学的方法研究泥沙运动。

3.以相似理论为指导进行物理模型试验。

4.以现代计算机应用为基础，对泥沙运动及河道演变进行理论计算。

5.以水文资料分析为基础的河床演变分析。

四、课程学习特点

1、理论与实践相结合：

注意收集资料，发现规律，理论概括，实践检验；

2、适当处理矛盾的主次：

无法一次求全，寻找真理是一个渐进的过程；从复杂的现象中找出主要矛盾及主要矛盾方面。

3、对已建立的河流动力学公式，应注意其建立的条件，量纲及适用范围；

4、重视实验、原型观测及其资料分析。

五、参考资料

1、河流泥沙动力学张瑞瑾等中国水利水电出版社1998年5月第二版

2、泥沙运动力学钱宁等北京科学出版社1983年9月

3、河床演变学钱宁等北京科学出版社1987年6月

4、河床演变及整治谢鉴衡等北京水利水电出版社1990年6月

5、固液两相流基本理论及其最新应用倪晋仁王光谦张红武北京科学出版社.1991

6、泥沙手册中国水利学会泥沙专业委员会中国环境科学出版社.1992

7、河流泥沙工程学谢鉴衡等北京水利水电出版社.1981

8、河流动力学张瑞瑾等北京中国工业出版社.1961

9、泥沙起动规律及起动流速韩其为等北京科学出版社1999

10、明渠挟沙水流运动的力学和统计规律胡春宏等北京科学出版社1995

●工程实例：

1、三门峡水利枢纽：

黄河三门峡水库是50年代规划设计，当时没有充分考虑泥沙淤积问题，把三门峡水库当作综合利用水库来设计、施工。

8台机组116万KW，规划灌溉6500亩农田，并开发内河航运。

水库正常蓄水位360m,淹没面积3500平方公里，移民87万人，60年9月基本完成。

蓄水后淤积十分严重，到62年3月（1年半）总淤积量达15亿吨，占同期入库水量的93％，到64年达到44亿吨，且淤积末端不断上延，威胁西安的工农业生产。

为此，一度把水库泄空，恢复施工期的导流底孔，牺牲一部分发电设施，增加了泄空管道，在来沙多的洪水期将闸门全部打开，泄流排沙，成了径流式电站，兴利指标大大下降。

由于二次改建，工程延迟了7年才完成。

2、葛洲坝水利枢纽泥沙问题：

葛洲坝水利枢纽是三峡枢纽的反调节枢纽，具有发电、航运综合效益，位于长江三峡南津关下游2.8km，库区为长江三峡河段。

通航设计包括３座船闸，其中２号船闸和１号船闸闸室有效尺寸２８０×３４×５米（长×宽×栏上水深），是国内最大的内河船闸，也是目前世界上最大规模的船闸之一。

枢纽建成后坝下河段遭受冲刷下切，枯水期水位低于设计水位0.6m，且在三峡枢纽建成以前，葛洲坝水库回水变动区航道和坝区船闸引航道的泥沙淤积、电站水轮机的泥沙磨损，关系到长江航运和电站正常发电。

葛洲坝工程采用“静水过船、动水冲沙”方案，修建防淤堤和冲沙闸，使三江航道和大江航道成为独立于长江主河槽的人工航道。

3、三峡水电枢纽：

位于湖北宜昌境内三斗坪，江谷开阔，花岗岩岩基坚硬完整，可控制上游面积100万平方公里，多年平均径流量近5000亿方。

正常蓄水位175m，总库容393亿方，淹没陆地632平方公里，下游水位62m。

大坝每秒排沙量2460方，每秒泄洪能力11万方，装机26台，单机容量70万KW，总容量1820万KW，年均发电847亿度。

左岸的同行建筑物年单向通过能力5000万吨，双线五级船闸可通行万吨级船队，单线一级升船机，可快速通过3000吨级客货轮。

水库预计量北科院韩其为计算结果为111亿方，还有引航道淤积等问题。