河道水流和泥沙的一般特性
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明槽主要是粗糙边壁附近小尺度的紊动，由大、中、 小尺度构成的紊动结构虽不能完全排除，但不占主导 地位
河道水流，根据张瑞理的研究，紊源除了普通意义的 粗糙边壁外，还包括河势、河相、成型淤积体、河底 或河岸的大凸大凹、沙纹及沙波等，这些紊源的尺度 是边壁粗糙完全不能比拟的
河流动力学
因此对于河道水流，“糙率系数”n的内含 应该是极为复杂的
河流动力学
泥沙的粒径（续）
对较粗的天然沙粒测量成果的统计分析表 明，沙粒的中轴长度，和其长、中、短三 轴的几何乎均值(即等容粒径)接近相等且 略大
因产生的原因不同，具有不同的轴向
河流动力学
河道水流的流速分布
河流动力学
河流动力学
河道水流中环流结构
因产生原因的不同，环流可以分为因离心 力产生的弯道环流、因柯里奥里 （G．Criorid)力而产生的环流、因水流与 固体周界分离而产生的环流等等。
水流在弯道内作曲线运动的时候，必然产 生指向凹岸的离心力。水流为了平衡这个 力。通过调整，使得凹岸的水面升高，凸 岸方向的水面降低，从而形成横比降
河流动力学
河流泥沙的几何特性
河流动力学
泥沙的粒径
泥沙的几何特性系指泥沙颗粒的形状和大小， 或者说泥沙颗粒wenku.baidu.com形状与粒径
泥沙的粒径
泥沙的粒径是泥沙颗粒大小的量度
所谓等容粒径，就是体积与泥沙颗粒相等的球体的 直径。设某一颗沙的体积为v，则其等容粒径为， 单位mm
d
( 6V
1
)3
河流动力学
㈠ 泥沙 的 粒径
河流动力学
河流动力学
河流动力学
河流动力学
河流动力学
河流动力学
从流域地表侵蚀下来的泥沙，经过河流的 搬运作用，大部分汇流大海，但也有不少 沉积在低洼湖泊地带
我国几条大河的河口地区和洞庭湖、都阳湖 等大湖泊，都属于这样的堆积区
从流域地表冲蚀而来的泥沙数量，通常是 用每平方公里地面每年冲蚀若干吨泥沙来
河流动力学
河道水流的一般特性
河流动力学
河道水流的基本特性
天然河道中的水流属于明渠流，在很多情 况下可以沿用水力学中明渠流的有关结果
二相流特性 三维性 不恒定性 非均匀性
河流动力学
河道水流中的阻力
明渠二维水流的阻力损失
河流动力学
河道水流阻力损失
与水力学中顺直管道和棱柱体明槽水流中发生的紊动 相比，河道水流的紊动在尺度、紊源上要复杂得多
河流动力学
河道水流的主流与副流
副流与主流不同是由于纵比降以外的其它因素所促成 的
副流实际是在水流内部产生的一种大规模的水流旋转 运动。它可以因重力作用而引起，也可在其它的力(内 力或外力)作用下产生。
在副流中，有的具有复归性，或者基本上与主流脱离， 在一个区域内呈循环式的封闭流动；或者与主流或其 它副流结合在一起。呈螺旋式的非封闭的复归性流动。 具有复归性的次生流，我们称之为环流
流域地表的侵蚀与气候、土壤、地形地貌及人类活动等因 素有关
黄河中游的黄游地区，7~8月份降雨最多，且多为暴雨，其它条件 也较差，所以地表侵蚀最为严重；而在我国南部省份．虽然也有 暴雨，但土壤结构密实，植被覆被较好，所以其输沙量模数多在 1000t／(km2/a)以下
地形对流域的侵蚀，也起着重要的作用。坡度大则地面径流下渗 量小、汇流速度大，侵蚀作用也随之增大，侵蚀量也随坡长的增 大而增加
河流动力学
河流泥沙的分类
矿物分、运动方式分类以及粒径分类 我国泥沙分类的分界数字为：200—20—2—1/20—
1/200(即200—20—2—0.5—0.005)
河流动力学
泥沙的粒径大小与泥沙的水力学特性与物理化 学特性有着密切的关系
不同粒径级的颗粒所形成的土壤具有不同的力学性 质
不同粒径级的颗粒具有不同的矿物组成 不同粒径级的颗粒具有不同的物理化学特性
衡量，称为侵蚀模数，也称输沙量模数。
下图为我国输沙量模数分布情况
河流动力学
河流动力学
泥沙随水流汇集到河流之中，加上河床上 泥沙被水流冲刷起来，使得河道水流中含 有一定数量的泥沙，常以每单位体积河水 中的泥沙重量表示河流的含沙量。一般来 说，我国北方，特别是黄河中游的一些干 支流，年平均含沙量有些高达300 kg／m3 以上；而在南方一些省份，年平均含沙量 不足1kg／m3，这样的分布状况，是与我 国各地区的水土流失程度紧密相关的。下 表是我国及国外一些主要河流水沙特征值 的统计资料。附表
河流动力学
泥沙的矿物成分与分类
泥沙的矿物成分
既然泥沙来源于岩石风化，则风化岩石的矿 物成分决定泥沙的矿物成分；不同的风化方 式对岩石矿物成分的影响程度不同，因此风 化方式也影响泥沙的矿物成分
物理风化、化学风化以及生物过程
矿物的物理性质
比重或密度：2.65 硬度：≧5，水轮机过流部件硬度一般≦5
等容 粒径 ：与泥 沙颗粒 容积相 当的球 体直径
D
6V
1/ 3
几何 平均 粒径： 相当 于椭球 体的等 容粒径
D abc 1 / 3
( 椭球体的体积 abc / 6 ＝球体的体积 D 3 / 6 )
算术 平均 粒径： 长、 中、短 轴的算 术平均 值
D a b c 3
筛分 粒径 ：通过 筛分法 获得的 粒径近 似值
河流动力学
弯道环流图
图中，a为平面，b为 横剖面
河流动力学
河流泥沙的来源和组成
河流动力学
泥沙的来源
河流泥沙的最根本来源是岩石的风化 河流中运动着的泥沙，其来源主要包括流域地表的冲蚀和
河床的冲刷
风沙运动给河流带来的泥沙首先在规模上不如前二者；其次，从 广义的角度也可以归入流域地表的冲蚀；再者，风沙运动带来的 泥沙绝大部分属于冲泻质，对河流的冲淤影响较小
作为属于阻力平方区的时均流速U的表达式中 代表水流阻力效果的综合因素，它当然直接与 水流中的紊源和紊动结构有关，与大至河势， 小至河床床沙粒径有关
河流动力学
河道水流的运动特性
河流动力学
河道水流的流型、主副流及流速分布
河道水流的流型
河道水流的主流与副流
主流(又称正流、元生流)是水流沿着河槽总方向的 流动。它一般是在重力作用下产生的。在流动过 程中，水流的流线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 轴线
河道水流，根据张瑞理的研究，紊源除了普通意义的 粗糙边壁外，还包括河势、河相、成型淤积体、河底 或河岸的大凸大凹、沙纹及沙波等，这些紊源的尺度 是边壁粗糙完全不能比拟的
河流动力学
因此对于河道水流，“糙率系数”n的内含 应该是极为复杂的
河流动力学
泥沙的粒径（续）
对较粗的天然沙粒测量成果的统计分析表 明，沙粒的中轴长度，和其长、中、短三 轴的几何乎均值(即等容粒径)接近相等且 略大
因产生的原因不同，具有不同的轴向
河流动力学
河道水流的流速分布
河流动力学
河流动力学
河道水流中环流结构
因产生原因的不同，环流可以分为因离心 力产生的弯道环流、因柯里奥里 （G．Criorid)力而产生的环流、因水流与 固体周界分离而产生的环流等等。
水流在弯道内作曲线运动的时候，必然产 生指向凹岸的离心力。水流为了平衡这个 力。通过调整，使得凹岸的水面升高，凸 岸方向的水面降低，从而形成横比降
河流动力学
河流泥沙的几何特性
河流动力学
泥沙的粒径
泥沙的几何特性系指泥沙颗粒的形状和大小， 或者说泥沙颗粒wenku.baidu.com形状与粒径
泥沙的粒径
泥沙的粒径是泥沙颗粒大小的量度
所谓等容粒径，就是体积与泥沙颗粒相等的球体的 直径。设某一颗沙的体积为v，则其等容粒径为， 单位mm
d
( 6V
1
)3
河流动力学
㈠ 泥沙 的 粒径
河流动力学
河流动力学
河流动力学
河流动力学
河流动力学
河流动力学
从流域地表侵蚀下来的泥沙，经过河流的 搬运作用，大部分汇流大海，但也有不少 沉积在低洼湖泊地带
我国几条大河的河口地区和洞庭湖、都阳湖 等大湖泊，都属于这样的堆积区
从流域地表冲蚀而来的泥沙数量，通常是 用每平方公里地面每年冲蚀若干吨泥沙来
河流动力学
河道水流的一般特性
河流动力学
河道水流的基本特性
天然河道中的水流属于明渠流，在很多情 况下可以沿用水力学中明渠流的有关结果
二相流特性 三维性 不恒定性 非均匀性
河流动力学
河道水流中的阻力
明渠二维水流的阻力损失
河流动力学
河道水流阻力损失
与水力学中顺直管道和棱柱体明槽水流中发生的紊动 相比，河道水流的紊动在尺度、紊源上要复杂得多
河流动力学
河道水流的主流与副流
副流与主流不同是由于纵比降以外的其它因素所促成 的
副流实际是在水流内部产生的一种大规模的水流旋转 运动。它可以因重力作用而引起，也可在其它的力(内 力或外力)作用下产生。
在副流中，有的具有复归性，或者基本上与主流脱离， 在一个区域内呈循环式的封闭流动；或者与主流或其 它副流结合在一起。呈螺旋式的非封闭的复归性流动。 具有复归性的次生流，我们称之为环流
流域地表的侵蚀与气候、土壤、地形地貌及人类活动等因 素有关
黄河中游的黄游地区，7~8月份降雨最多，且多为暴雨，其它条件 也较差，所以地表侵蚀最为严重；而在我国南部省份．虽然也有 暴雨，但土壤结构密实，植被覆被较好，所以其输沙量模数多在 1000t／(km2/a)以下
地形对流域的侵蚀，也起着重要的作用。坡度大则地面径流下渗 量小、汇流速度大，侵蚀作用也随之增大，侵蚀量也随坡长的增 大而增加
河流动力学
河流泥沙的分类
矿物分、运动方式分类以及粒径分类 我国泥沙分类的分界数字为：200—20—2—1/20—
1/200(即200—20—2—0.5—0.005)
河流动力学
泥沙的粒径大小与泥沙的水力学特性与物理化 学特性有着密切的关系
不同粒径级的颗粒所形成的土壤具有不同的力学性 质
不同粒径级的颗粒具有不同的矿物组成 不同粒径级的颗粒具有不同的物理化学特性
衡量，称为侵蚀模数，也称输沙量模数。
下图为我国输沙量模数分布情况
河流动力学
河流动力学
泥沙随水流汇集到河流之中，加上河床上 泥沙被水流冲刷起来，使得河道水流中含 有一定数量的泥沙，常以每单位体积河水 中的泥沙重量表示河流的含沙量。一般来 说，我国北方，特别是黄河中游的一些干 支流，年平均含沙量有些高达300 kg／m3 以上；而在南方一些省份，年平均含沙量 不足1kg／m3，这样的分布状况，是与我 国各地区的水土流失程度紧密相关的。下 表是我国及国外一些主要河流水沙特征值 的统计资料。附表
河流动力学
泥沙的矿物成分与分类
泥沙的矿物成分
既然泥沙来源于岩石风化，则风化岩石的矿 物成分决定泥沙的矿物成分；不同的风化方 式对岩石矿物成分的影响程度不同，因此风 化方式也影响泥沙的矿物成分
物理风化、化学风化以及生物过程
矿物的物理性质
比重或密度：2.65 硬度：≧5，水轮机过流部件硬度一般≦5
等容 粒径 ：与泥 沙颗粒 容积相 当的球 体直径
D
6V
1/ 3
几何 平均 粒径： 相当 于椭球 体的等 容粒径
D abc 1 / 3
( 椭球体的体积 abc / 6 ＝球体的体积 D 3 / 6 )
算术 平均 粒径： 长、 中、短 轴的算 术平均 值
D a b c 3
筛分 粒径 ：通过 筛分法 获得的 粒径近 似值
河流动力学
弯道环流图
图中，a为平面，b为 横剖面
河流动力学
河流泥沙的来源和组成
河流动力学
泥沙的来源
河流泥沙的最根本来源是岩石的风化 河流中运动着的泥沙，其来源主要包括流域地表的冲蚀和
河床的冲刷
风沙运动给河流带来的泥沙首先在规模上不如前二者；其次，从 广义的角度也可以归入流域地表的冲蚀；再者，风沙运动带来的 泥沙绝大部分属于冲泻质，对河流的冲淤影响较小
作为属于阻力平方区的时均流速U的表达式中 代表水流阻力效果的综合因素，它当然直接与 水流中的紊源和紊动结构有关，与大至河势， 小至河床床沙粒径有关
河流动力学
河道水流的运动特性
河流动力学
河道水流的流型、主副流及流速分布
河道水流的流型
河道水流的主流与副流
主流(又称正流、元生流)是水流沿着河槽总方向的 流动。它一般是在重力作用下产生的。在流动过 程中，水流的流线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 轴线