河流动力学-复习题教学内容

河流动力学-复习题

泥沙特性

粒径：就是体积与泥沙颗粒相等的球体的直径。

粒配曲线的特点、参数、作法:

沙样的平均粒径D m 是沙样内各泥沙粒径组的加权平均值。 横坐标D 粒径，纵坐标P 百分数。 作法：将粒配曲线的纵坐标p 按变化情况分成若干组，并在横坐标D 上定出各组泥沙相应的上、下限粒径D max 和D min 以及 各组泥沙在整个沙样中所占的重量百分比p 。 D ∑

∑

==??=n i i n

i i i m P P D 11

分选系数S 125

75≥=D D o 泥沙中孔隙的容积占沙样总容积的百分比称为孔隙率。

比表面积就是颗粒表面积与体积之比。

颗粒比表面积间接地反映了颗粒受到的物理化学作用与重力作用的相对大小。 颗粒表面离子层及周围的反离子层（吸附层及扩散层）构成颗粒的双电子层。 细颗粒泥沙在一定条件下彼此聚合的过程叫做絮凝。 影响絮凝的因素：粒径、电解质价位、含沙量、含盐量。

取未经扰动的原状沙样，量出它的体积，然后在烘箱内经100-105度的温度烘干后，其重量（或质量）与原状沙样整个体积之比，称为泥沙的干容重或干密度。

单颗粒泥沙在无限大静止清水水体中匀速下沉时的速度称为泥沙的沉降速度。单位cm/s

推移质运动

滑动或滚动的泥沙，在运动中始终保持与床面接触叫做接触质。

在床面附近以跳跃形式前进的泥沙叫做跃移质。

悬浮在水中运动，速度与水流速度基本相同的泥沙叫做悬移质。

河床上静止的泥沙颗粒，随着水流条件的增强，到一定条件时开始运动，这种现象称为泥沙的起动。

床面泥沙由静止状态转变为运动状态的临界水流条件就是泥沙的起动条件。可用流速、拖曳力或功率表示。用水流垂线平均流速来表示叫起动流速。

起动拖曳力是指泥沙处于起动状态的床面剪切力。2

*U hJ o ργτ== 泥沙颗粒由运动状态转变为静止状态的临界垂线平均流速叫止动流速。

U C C

KU =,岗卡0.71 窦、沙0.83 扬动流速是床面泥沙由静止直接转入悬移状态的临界垂线平均流速。

沙波形态的四种类型：带状(顺直)沙波、断续蛇曲（弯曲）状沙波、新月形沙波、舌状沙波

沙波运动两现象：一是沙波对床沙的分选作用，二是较粗泥沙运动的间歇性。 沙波表面附近的水流流速是沿程变化的，波峰处流速最大，波谷处流速最小。 床面阻力包括沙粒阻力和沙波阻力。沙粒阻力系床面沙粒阻力的摩阻而引起也称为表面阻力。沙波阻力属形状阻力，使迎水面与背水面产生压力差而引起。 沙粒阻力与沙波阻力就是动床阻力。

一定的水流及床沙组成条件下，河道处于不冲不淤输沙平衡状态时，单位时间内通过过水断面的推移质数量，称为推移质输沙率，以G b 表示。

推移质输沙率分五类：以流速为主要参变数、以拖曳力为主要参变数、根据能量平衡观点、从统计法则考虑以及按沙波运行规律来分析。

影响推移质输沙强度的主要水力因素是流速，流速愈大，则推移质输沙率愈大。

拖曳力与起动拖曳力的差愈大，推移质输沙率也愈大。

泥沙的沉积率：作推移运动的泥沙颗粒，当走完一个单步距离D λ后，如果正好落在水流上举力大于沙粒在水下的重量的一部分床面时，就不可能在那里沉积下来，而会继续第二个行程的运动。

泥沙的冲刷率：在单位面积的河床上，泥沙颗粒总数可以假定等于

悬移质运动

悬移质中较粗的一部分，以及绝大部分推移质可以看成是来自相邻 的上游段及本河段的河床，是从床沙中被带起动进入运动的泥沙称为床沙质。在不冲不淤相对平衡状态时，床沙质数量可以由水流及床沙组成条件决定。床沙质又称为造床质。

悬移质中较细的一大部分以及推移质中极小一部分是床沙中很少或几乎不存在的，它们起源于上游的流域冲蚀，是被水流长途挟带输送到本河段的称为冲泻质。也称为非造床质。

含沙量表达方式：混合式 S=泥沙所占质量/浑水体积 体积比含沙量 S=泥沙所占体积/浑水体积 重量比含沙量 S=泥沙所占重量/浑水重量

一方面紊动扩散作用使泥沙上浮 另一方面重力促使悬移质泥沙下沉。

悬浮指标：Z=*

KU ? 指数Z 决定了悬移质含沙量沿水深分布均匀程度。Z 愈小，悬移质分布愈均匀，反之则愈大。

三个基本假定：m y εε≡； 挟沙水流的流速分布遵循对数分布规律并取K=4； 泥沙沉速不随y 而变；

扩散理论适用范围：泥沙颗粒较细、含沙浓度不大

悬移质输沙率：是指一定水流与河床组成条件下，水流在单位时间内所能携带并通过河段下泄的悬移质中床沙质泥沙的数量。

是一定水流与泥沙条件下，河流处于不冲不淤临界状态时，单位平均含沙量S

*

水体所能挟带的悬移质中床沙质量数的平均值。单位为kg/m3或N/m3也叫做水流挟沙力、饱和含沙量、临界含沙量。

制紊作用是指悬移质的存在将使水流的紊动减弱、水流阻力损失减小。

在一定水流与河床组成条件下，单位时间内能够通过河段下泄的沙量称为总输沙率。

把推移质输沙率与悬移质中床沙质输沙率之和叫做床沙质总输沙率。

把推移质输沙率与全部悬移质包括冲泻质在内的输沙率称为全沙总输沙率。

异重流

异重流是指两种密度相差不大、可以想混的流体，在条件适宜时因密度差异而产生的相对运动；在运动过程中，各层流体能基本保持其原来的面貌，不因交界面上存在的紊动掺混作用而发生全局的混合现象。

河床演变

演变表现形式分为：纵向变形和横向变形。

纵向变形：是指河道沿程所发生的变形，即河床纵剖面的冲淤变化，如河床的下切、抬高

横向变形：也称平面变形，即河床沿着与水流垂直的水平方向发生形变，如河湾的发展、汊道的兴衰。

河道演变分为：单向变形和复归性变形

单向变形是指河道在相当长的时期内只是单一的朝某一方向发展的演变现象。复归性变形是指河道周期性往复发展的演变现象。

河床演变的根本原因是输沙的不平衡。当上游来沙量大于本河段水流输沙能力，水流不能将上游来沙全部带走，本河段将发生淤积。当上游来沙量小于本河段的输沙能力，则在本河段发生冲刷。纵向输沙不平衡将引起河床纵向变形，横向输沙不平衡将引起横向变形局部输沙不平衡将引起河床局部变形。

河床演变的因素：1、河段来水量及其变化过程2、河段的来沙量、来沙组成及其变化过程3、和段的河谷比降4、河段的河床形态及地质状况——可人为控制河流根据形态和演变分为：弯曲河道、分汊河道、顺直（微弯）河道、游荡河道。

弯道水流使得凹岸方向的水面增高，凸岸方向的水面降低

名词解释

水流动力轴线为河段中流程各断面最大垂线平均流速所在位置的连线，亦称为主流线。

水流动力轴线的主要特点：

1、它在弯道进口段或者在弯道上游的过渡段，常靠近凸岸，进入弯道以后，即

逐渐向凹岸转移，至弯顶稍上部位才偏靠凸岸，主流开始逼近凹岸的位置叫做“顶冲点”。

2、主流线“低水傍岸”、“高水居中”；顶充点“低水上提”、“高水下挫”

当河湾因土质不均匀，发展受到限制时，会形成曲率较大的锐弯，在适宜条件下，主流线由凹岸改趋凸岸，凹岸产生回流，泥沙在凹岸落淤，这种现象称为撇弯。

切滩是指在弯曲河段，水流由边滩漫过，冲刷滩上薄弱部位，使滩体一部分与边滩脱离成心滩的现象。

确定造床流量方法（1）平滩流量法；平河漫滩水位的流量为第一造床流量，平边漫水位的流量为第二造床流量（2）计算法；水流的输沙能力可认为与流量Q 的m次及比降J的乘积成正比，所经历的时间可用其出现的频率P来表达。

G=Q m JP

冲积平原河流处于平衡或准平衡状态时，其河床形态的有关要素之间及其与流域来水来沙条件和河床边界条件之间存在着某种函数关系，该关系称为河相关系。

潮汐河口的水流泥沙特点及河床演变

河口区是指河流与受水水体的结合地段。河口分为：支流河口、入湖河口、入库河口、入海河口、干旱三角洲。

潮汐河口区是河流注入到海洋的过渡区域。

河口口门是指河口段多年平均中潮位水面纵坡降线与平均海平面交点所在位置。

当潮波推进达到某一地点时，涨潮流速和径流下泄流速相抵消，潮水便停止倒灌，此处称为潮流界。

潮流界以上潮波仍继续上朔，但由于受河水的阻滞，潮波高急剧减小，直至潮差等于零，此处称为潮界区。潮界区以上河水运动不受潮水影响。

自口门到潮界区之间的河段称为感潮河段。

按河口形态特征分为：1、三角港河口2、三角洲河口

按河口区的动力和来沙量分为：1、强潮海相河口2、弱潮陆相河口3、湖源海相河口4、陆海双相河口

按潮汐强弱分为：潮差大于4米为强潮河口，2~4米为中潮河口，小于2米为弱潮河口

潮波变形分为：1、超差的变化2、涨落潮历时不对称3、潮流速和潮位过程曲线出现相位差

盐淡水混合类型：1、高度成层型2、弱混合型3、强混合型

在一个潮周期内计算总水量，底部水流从净的上朔流转变为净的下泄流，沿程必有一个净泄量的地点，该处称为“滞流点”。

泥沙来源分：河口区泥沙有陆沙、河沙和海沙。

从海外进入河口区的泥沙一般已发生絮凝。但当这些絮凝体经水流的紊动扩散作用而到达淡水去后，可能发生“絮散”现象，即由絮凝体分散成较细颗粒的泥沙。

细颗粒的泥沙经过海洋生物的脏腑时，颗粒表面便吸附了脏腑的粘液。于是颗粒泥沙便相互粘结在一起，形成较大团粒，这就是团聚作用。

泥沙运动的滞后现象包括：沉降时差、冲刷时差。泥沙运动的滞后现象，对于河口区泥沙运动、细颗粒泥沙的淤积部位有很大影响。在河口区越向弯底，淤积的泥沙越细，例如黄河口沙嘴两侧出现由细颗粒泥沙淤积的“烂泥湾”，就可能与泥沙运动的滞后现象有关。

河口区的河床演变是水流与河床相互作用的结果。影响演变的因素：来水、来沙和边界条件。水流起主导作用，河口区的边界特征，如外形，也有很大影响。

河床变形计算

河床变化两方面：一方面是通过床沙质来量和水流挟沙能力的对比关系使河床发生纵向的冲淤变化。另一方面是通过该河段河岸抗冲力和水流冲刷力之间的对比关系使河流产生横向变形。

问答题：

1、希尔兹曲线的特点：1、曲线为马鞍形。

2、床面处于光滑区时，泥沙受近壁层流层的掩蔽作用，需要更大的拖曳力才能使之运动。

3、当10/*>υD U 即D>δ时，近壁层不起掩蔽作用，随着粒径的加大，泥沙重量亦增大，加强了泥沙的稳定性，使起动拖曳力亦增大。

2、U *'

和R b '是什么?为什么爱因斯坦常用它们来研究输沙问题？p73

U *'

和R b '分别是同沙粒阻力相应的那一部分摩阻流速和水力半径。前者是水流作用于泥沙并在其周围绕过时受到表面阻力，与此相应的传递到床面的那一部分水流势能所产生的紊动漩涡直接发源于床面沙粒附近，对推移质的搬运自然起着直接的作用；又由于处于河底，含沙量梯度大，这种紊动对泥沙的悬浮也有显著影响。后者它是水流绕过沙波而受到的形状阻力，该处距床面泥沙还有一段距离，含沙量梯度大大减缓，这种紊动对悬移质运动也不起决定性作用。总之，在存在沙波时，沙粒阻力对推移质及悬移质的输送起着重要作用，这就是爱因斯坦常用它们来研究的目的。

3、影响含沙量的因素有那，如何以无因次数来表达？无因次数有什么物理意义？ S m gR U K )(3

*?

= ；U 为平均断面流速；R 为水力半径，w 为床沙质沉速，?gR U 3为一次无因次数gR U 2与U

?之比。gR U 2是水流弗劳德数，可代表水流紊动强度；U

?代表相对的重力作用。因此?gR U 3代表了紊动作用与重力作用的对比关系。 4、异重流主要特点是什么？异重流运动有那些特性？为什么？

浑水异重流的特性 ：1、最主要的特性是重力作用显著减小。2、惯性力作用相对显得十分突出3、阻力作用相对显得十分突出。运动特性：显著减小的重力作用与相对突出的惯性力作用，使异重流能够轻易地爬高并超越障碍物。要维持异重流长距离的运动，必须要有较大的能坡，或者清浑水交界面在沿水流方向必须有足够的坡度。

5、盲肠河段淤积的原因：

盲肠河段内水体基本处于静止状态，经过沉淀，含沙很小，其密度接近清水。与之相连接的河水具有一定的含沙量，由于密度差，在交界面将形成压力差。口门处含沙量越大，水越深越接近底部，压力差就越大，外部含沙量高的河水就可能沿底部潜入盲肠河段内，形成异重流。由于异重流流速较小，挟沙能力下降，泥沙便逐渐淤积，较粗的泥沙首先淤积。较细的泥沙将沿程淤积在盲肠河段内部。通过淤积而逐渐变清的潜流到闸门后，转而上升，由于水量平衡的要求，上升水流到水面称为面流，以相反方向流向口门。这样便在盲肠河段中形成一个流速不大的纵向环流，使浑水源源不断地挟带泥沙沿渠底潜入，沿程淤积，而清水源源不断地延水面流出。如此循环往复不已的输沙造成盲肠河段的严重淤积。

6、可采取那些措施来防止或减少挖入式港池与盲肠河段航道的淤积？

1、靠近具有稳定深槽的河岸的一侧，避开凸岸避开回流区及缓流区。

2、为减少淤积，港池口门出口方向一般指向下游，减小交角。

3、减小口门宽度，采用窄口门，口门以内再适当扩大宽度，避免不必要的加大

口门得水深。

4、长期有意识的维持这样的小股外泄水流

5、设聚氯乙烯帷帘

6、设水力门帘

7、合理安排疏浚事件及顺序，疏浚最好安排在退水期水深接近碍航时进行，先

挖港池后挖口门。

7、弯曲河段的演变：1、凹岸崩退和凸岸淤长；由于水流表层含沙量小，河底含沙量较大，在弯道环流作用下，挟沙较少的表层水流在到达凸岸并折向河底的过程中2、河湾发展和河线蠕动3、裁弯取直与河湾消长4、撇弯切滩

8、造床流量计算步骤：1、将某断面历年观测到全部流量分成若干等级，求出每级流量的平均值Q;2、确定各级流量出现的频率P;3 、绘制该河段的流量~比降关系曲线，求出各级流量相应的比降J;4、计算出各级流量的Q= Q m JP;5、绘制Q~ Q m JP 关系曲线；6、从图中查出

Q m JP 的最大值，相应于此最大值的流量Q 即为所求之造床流量。

9、淡盐水混合对河口区水流速度的影响？

在张潮流期间，密度梯度与水面坡度方向一致，有加大涨潮流速的作用，且因底部密度梯度大，故又加大了底流速，最大流速出现在水面下某一深度处。落潮流期间，密度梯度与水面坡度方向相反，有减小落潮流速的作用，因底部密度梯度大，对底流起阻碍作用，水流主要从表层排走，故表层流速大。转流期间，水面坡度很小，密度梯度起控制作用，形成了表层与底层流向相反的交错流。

10、滞流点位置用计算“优势流”的方法求得步骤：

在河口区沿河道设若干测站，将每个测站的垂线水深分成若干等分，每个等分以一个测点代表。在各测点都进行全潮流速测量，绘出各测点的流速过程线，分别求出涨、落潮流流速曲线与时间坐标轴所包围的面积A f 和A e 如图，再计算φ：%100*e f e

A A A +=φ；A f 和e A 分别代表涨、落潮期间水质点的净流程。

若%50>φ，则下泄流占优势；%50<φ，则上溯流占优势，净流程为零。算出各测点的φ值，将各测站同一相对水深各测点的φ值绘制成φ对距离的关系曲线，即为优势流曲线，底层优势流曲线于50%坐标水平线的交点，即为滞流点的位置。