河流动力学复习资料(河海大学).pdf

1、09 级级港航港航 5 班班 崔超明崔超明 河海大学河海大学 1 绪论绪论 何谓河流动力学？何谓河流动力学？1.研究冲积河流 2.自然状态影响 3.人工建筑物影响 研究的主要内容研究的主要内容：1.水流结构 2.泥沙运动 3.河床演变（历史）4 河床变形预测 为何学习河流动力学？为何学习河流动力学？1.港口工程 2.航道整治 3.兴修水利枢纽：水资源综合利用 第一章第一章 1.孔隙率的定义孔隙率的定义：泥沙中孔隙的容积占沙样总容积的百分比 2.影响孔隙率大小的主要因素影响孔隙率大小的主要因素：1 粒径的大小 2.粒径的均匀程度 3.形状的影响 3.产生絮凝现象产生絮凝现象原因：原因：1.泥沙颗

2、粒间分子引力 相互吸引 2.颗粒表面带同号电荷 相互排斥 定义：定义：分散的泥沙颗粒相互吸引，聚合成结构松散的絮团，聚合过程叫做絮凝絮凝 4.淤泥（重要）淤泥（重要）：粒径小于 0.03mm，沉积后，经历液体、粘性体或固体等阶段，固结过程可延续多年的泥沙。5.泥沙的干容重与干密度泥沙的干容重与干密度：取未经扰动的原状沙洋，量出他的体积，在烘箱内经 100 只105 温度下烘干，其重量与原状沙洋的体积之比。6.干容重干容重影响因素影响因素：1 泥沙粒径：颗粒越细 其值越小；颗粒越细 变幅越大 2 泥沙淤积厚度：淤积深度越深 干容重越大，变幅越小；3.淤积历时：随着淤积历时的增加而增加，且变化较大

3、，达到一定时间后趋于稳定。7.沉速（沉降速度）：沉速（沉降速度）：单颗粒在无限大静止清水中匀速沉降 下沉原因：重力作用；所受阻力：水流对颗粒的阻力；与泥沙颗粒粗细有关。8.沙粒雷诺数沙粒雷诺数：ReD=D/,判断三种沉降形式的主要指标；三种沉降形式：层流区：ReD 1000 过渡区：ReD 0.51000 9.泥沙的沉速泥沙的沉速（水电部规范公式）（水电部规范公式）层流区（D0.1mm）（斯托克斯公式）紊流区（D1.5mm）（岗恰洛夫公式）过渡区（0.15 D 1.5）（岗恰洛夫公式）、第二章第二章 1.悬移质：悬移质：悬浮于水中，并在水流方向与水流以同样速度前进的泥沙 2.推移质：推移质：在

4、河底附近，以滚动、滑动、跳跃或层移形式前进，其速度远小于水流速度的泥沙 3.推移质与悬移质间的差别推移质与悬移质间的差别：1.运动规律不同：受力不同；运动速度不同 2.能量来源不同：推移质直接消耗水流的机械能；悬移质仅消耗水流的紊动动能 3.对河床作用不同 4.泥沙的起动泥沙的起动：随着水流条件的增强，泥沙颗粒由静止开始运动 5.泥沙的起动条件泥沙的起动条件：1 起动流速 2 起动切应力 3 起动功率 6.泥沙起动判别标准泥沙起动判别标准：定性标准：Kramer 方法；定量标准：窦国仁方法 Krammer 方法：方法：无泥沙运动：静止；轻微的泥沙运动：个别动，可数；中等强度泥沙运动：少量动，不

5、可计数；普遍的泥沙运动：普遍动，床面变形 7.推导公式的思路推导公式的思路 分析受力条件，分析起动形式 写出各力的表达式，列出平衡方程 推导出泥沙起动的结构公式 通过试验确定公式中的参数得到计算泥沙起动流速公式)126(92.177.6057.11812TDgDDgssss33222221)(2020DaWDaCFDaCFsguLLguDDgDugDuDWKDFKDFKSSLDcaCKaCKaKcLD02/120321221133mDhcmmmhmhgDUhDUmuhyUmuUmuhyuus)()(1)(11)(009 级级港航港航 5 班班 崔超明崔超明 河海大学河海大学 2 8.希尔兹曲线

6、的特点希尔兹曲线的特点：1 曲线为马鞍型 2 床面处于光滑区 3 床面处于粗糙区 9.临界粒径临界粒径：存在某一粒径，大于该粒径时：粒径越大，越难起动；小于该粒径时：粒径越小，越难起动：产生的原因 1.近壁层流层对细颗粒泥沙的隐蔽作用 2.细颗粒泥沙之间粘结力的作用 10.沙波运动沙波运动：推移质运动达到一定规模，床面起伏，泥沙颗粒在床面的集体运动 特点：迎水面：较为平坦、背水面：相对较陡 11.平面形态：平面形态：四种 带状（顺直）沙波：少见，波峰线基本平行，且与流线垂直，或略斜交 断续蛇曲（弯曲）状沙波：常见波峰线不规则，时断时续，大致与水流平行 新月形沙波：常见，波峰线凸向上，波高与波长

7、基本相等，排列整齐，呈鱼鳞状 舌状沙波：常见，波峰线凸向下，与新月形沙波类似 12.沙波运动的两个重要现象沙波运动的两个重要现象：1 沙波对床沙的分选作用：粗沙：在背水面内落到谷底；细沙：随负流上移，越细越上 2 粗沙运动的间歇性：粗颗粒下沉，间歇 13.沙波运动阶段沙波运动阶段：静平整(a)沙纹(b)沙垄(c)过渡(d)动平整(e)沙浪(f)14.沙波产生的原因沙波产生的原因：与河床组成及水流脉动有关；流体界面运动；15.沙波运动沙波运动：1 与推移质输沙率有关 2 对河道阻力有影响 3 影响河床演变 16.推移质输沙率推移质输沙率：不冲不淤输沙平衡状态，单位时间通过过水断面的推移质数量 1

8、7:.研究方法和途径研究方法和途径：1 以流速为主要参变数 2 以拖曳力为主要参变数 3 根据能量平衡观点 4 从统计法则考虑 5 按沙波运行规律分析 列维公式：单位：kg,m,s D=0.2523mm 沙莫夫公式：单位：kg,m,s D=0.200.73mm D=1365mm 窦国仁公式：单位：kg,m,s C0=C/g1/2 18.gb与与 U4成正比成正比：流速（小变化）推移质输沙率（大变化）第三章第三章 1.床沙质床沙质：悬移质中较粗部分，绝大部分推移质 来自相邻的上游河段，或本段河床 特点：造床质，与河床有交换，输沙能力与水流条件具有明确关系，冲淤变化 2.冲泻质冲泻质：悬移质中较细

9、部分，极小部分推移质 起源于上游流域冲蚀 特点：非造床质，与河床没有交换，输沙能力与水流条件没有明确关系，处于次饱和状态 3.如何区分如何区分床沙质和冲泻质？床沙质和冲泻质？1.利用悬移质和床沙级配曲线 2.取床沙级配曲线中的 D5 为划分界限 4.扩散和重力作用的对比关系扩散和重力作用的对比关系 重力占优：下沉为主，淤积 扩散占优：悬浮能力增强，冲刷 两者相当：不冲不淤 3041321413)(2.127)(95.0)(2ccbccbcbUUUUDCghDUUUUDghDgDUUUDg）我国计算结果偏大；（，）单位注意：（，在中欧使用好，精度高，考虑因素多特点：试验资料范围广贡献）的水流拖曳

10、力对输沙有式中（仅沙粒阻力有关梅叶彼得公式21,261125.0)(047.0236190212323smthJnnDngDhJnngsssb09 级级港航港航 5 班班 崔超明崔超明 河海大学河海大学 3 5.悬浮指标（悬浮指标（z=/U*）反应了重力 与紊动 U*间的对比：z 小 紊动作用强 分布均匀；z 大 重力作用大 分布不均匀 ；z=5 作为悬浮临界判别值 6.扩散理论扩散理论三个假定三个假定：y=m，泥沙扩散与紊动交换相同 对数流速分布，0.4，清浑相同 单颗粒的 静动水相同：一般没问题 7.扩散理论扩散理论没有考虑没有考虑：1 泥沙颗粒对水团的作用 2 泥沙悬浮对水流的影响 3

11、泥沙扩散与动量扩散的差别 4 没有考虑泥沙颗粒之间的相互碰撞 8.悬移质输沙率：悬移质输沙率：一定的水流与河床组成条件下，水流在单位时间内通过河段下泄，所能挟带的悬移质中床沙质的数量。9.实际输沙和挟沙能力实际输沙和挟沙能力：两者通常是有差异的；前者大：超饱和状态，淤积；前者小：次饱和状态，冲刷；悬移质输沙率：不冲不淤，水流处于饱和。10 河床变化趋势河床变化趋势：不冲不淤或饱和状态是水流变化的方向 超饱和 淤积 含沙量减少 饱和状态 次饱和 冲刷 含沙量增加 饱和状态 11.总输沙率总输沙率：在一定的水流与河床组成条件下，单位时间内，通过河段（断面）能够下泄的沙量 名称：总输沙率：水流输沙能

12、力，水流挟沙能力，水流挟沙力 床沙质总输沙率：不含冲泻质 全沙总输沙率：包括冲泻质 第四章第四章 1.何谓异重流何谓异重流：两种密度相差不大、可以相混的液体，在条件适宜时因密度差异而产生的相对运动，各层流体在运动中基本保持原来的面貌，即使在交界面上有紊动也不会发生混合。2.减少河渠异重流的措施减少河渠异重流的措施 合理平面规划和选择尺度 船闸、引航道布在凹岸 港池口门指向下游，口门轴线与主流交角 窄口门、口门内适当扩大 口门水深尽量不加大 采取工程措施 小股外泄水流流向口门 设置防淤帘等 合理安排疏浚时间和顺序 第五章第五章 1.河床演变河床演变：河床在自然条件或受人工建筑物影响而发生的变化

13、水流、泥沙与河床形态相互作用的反映 2.演变特征演变特征：一定的河床形态和组成 相适应的的水流；一定的河床形态和组成 相适应的的输沙率 3.河床变形分类河床变形分类：从演变形式分 纵向变形和横向变形 从河道演变的发展过程 单向和复归性 4.河床演变的基本原理：河床演变的基本原理：1 造成演变的主要原因：输沙不平衡 2 河道变形的发展方向：使得变形停止 3 平衡是暂时的，不平衡是永恒的 09.001.01.01100006103200悬移质中床底沙沙质推移质；：全部近底泥沙：止动流速，式中：窦国仁公式：KKKKUghngCCgUUUCKgcSSb09 级级港航港航 5 班班 崔超明崔超明 河海大

14、学河海大学 4 5.影响河床演变的主要因素影响河床演变的主要因素：河段的来水量及其过程 河段的来沙量、来沙组成及其变化过程 河段的河谷比降 河段的河床形态及地质情况 主要物理含义主要物理含义：前三者决定水流泥沙条件，反映输沙不平衡，这些因素难以人工控制 后者决定着河床条件，可以进行人工改变，也是我们进行航道整治的依据 6.山区河流水流特征山区河流水流特征：洪峰暴涨暴落；流量水位变幅大；中水历时不长 7.弯道的水流特征弯道的水流特征：1 边界影响：水流作曲线运动 2 离心力作用：水面产生横比降 3 封闭环流：表层向凹，底层向凸 4 螺旋流：纵向水流环状水流 8.弯道环流弯道环流：u 自水面减少；

15、离心力相应减少；压力差常量；合力上正下负导致横向环流 9.弯道水流动力轴线弯道水流动力轴线：水流动力轴线：各断面垂线最大平均流速的连线，反映水流最大动量所在位置。在弯顶稍上部分，主流逼近凹岸，顶冲点 主流：低水傍岸，高水居中 顶冲点：低水上提，高水下挫 10.弯道的泥沙运动弯道的泥沙运动 悬移质运动：横向环流：上凹，下凸；环流旋度：近底处最大，中间越小；含沙量：上稀下浓 凹清凸浑 推移质运动：同岸输移，异岸输移；推移质运动的成带性 11.弯曲河段的演变：弯曲河段的演变：凹岸崩退，凸岸淤长；河湾发展、河线蠕动；裁弯取直、河湾消长 撇弯切滩 第六章 1.河口的定义河口的定义：河口区是指河流与受水水

16、体的结合地段 河口口门：河口口门：河口段多年平均中潮位水面纵坡降线与平均海平面的交点 潮流界：潮流界：潮水停止倒灌的地点 潮区界：潮区界：潮差为零的地点 2.潮汐河口分段：潮汐河口分段：1 河流近口段：潮区界至潮流界，潮位有涨落变化，水流为单向流动 2 河流河口段：潮流界至口门，水流为双向水流 3 口外海滨段：口门至水下三角洲的前缘急坡，海水为主，受潮汐、波浪、海流影响。3.按河口形态特征按河口形态特征：三角港河口：河口平面外形呈喇叭口或漏斗形状 河流来沙少，潮流作用强 钱塘江河口，英国泰晤士河河口 三角洲河口：河口形成许多放射状的汊道 河流来沙量较大，潮汐不是很强 黄河、长江、多瑙河、密西西

17、比河 4.按河口区的动力和来沙特征按河口区的动力和来沙特征：强潮海相河口：潮流为主，钱塘江 弱潮陆相河口：径流为主，黄河口 湖源海相河口：黄浦江 陆海双向河口：径潮相当，长江 09 级级港航港航 5 班班 崔超明崔超明 河海大学河海大学 5 5.按潮汐强弱按潮汐强弱：强潮河口：潮差大于 4.0m 中潮河口：潮差 2.04.0m 弱潮河口：潮差小于 2.0m 6.河口的潮波及潮流河口的潮波及潮流 受外海潮汐影响，河口处水面成周期性升降 潮波周期总是较长，波长可达数百公里 潮波的传播是非恒定流 潮波进入河口后继续向上游传播 河口区潮流的强弱可以用进潮量来衡量 7.河口区潮波出现变形河口区潮波出现变

18、形：潮差的变化 涨落潮历时不对称 潮流速和潮位过程线出现相位差 盐淡水混合对河口区水流和泥沙运动影响 影响河口区水流流速分布 影响河口区泥沙运动 8.河口泥沙的来源河口泥沙的来源：1 陆域来沙 2 河流来沙 3 海域来沙 9.泥沙的絮散泥沙的絮散：絮凝团分散成较细颗粒泥沙的现象.10.泥沙的团聚泥沙的团聚：悬浮物质泥沙经海洋生物脏腑作用，细颗粒泥沙相互粘结形成较大团粒 11.拦门沙拦门沙：一般入海河口的纵剖面上都有明显的隆起部分，位于口门内称沙坎，位于口门或外，称拦门沙 12.拦门沙的形成条件拦门沙的形成条件：边界条件：平面外形，影响纳潮量和泥沙 来沙条件：包括来沙的方向和数量 来水条件：径流和潮流的相对强弱，山潮水比