河流泥沙动力学-理工学院
工程泥沙问题(河流动力学)讲解
利用导流屏制造人工环流，以增加表层引水灾度、减小底 层引水宽度的做法，可有效地减少入渠沙量
其构造复杂，成本高，运用管理不便，在生产实践中未得 到广泛运用
河流动力学
为防止或减少取水口泥沙淤积，可采取下述工程措施
水力拉沙
为避免引水渠淤堵，在关闸停引期间要密切注意引渠的淤积 发展情况，当淤积到一定程度时应及时开闸放水，冲刷淤沙
河流动力学
正面取水
正面取水的设计思路主 要是利用弯道(自然的或 人工的)，将进水闸设置 在弯道凹岸迎流处，使 冲沙闸与水流方向斜交， 形成正面取水、侧面排 沙的格局。由于这类取 水工程主要是利用环流， 故又称弯道取水工程工 程实践表明，正面取水 工程对减少推移质入渠 效果显著
河流动力学
底栏栅取水
河流动力学
河流动力学
试验表明，弯道取水口位置不仅与河宽有关，与 河道几何轴线的曲率半径R也有关，取水口至弯 道起点距离L可按下式计算
式中，k为比例系数．当k＝0.8~1.0时，相当于凹 岸最大水深和最大单宽流量所在之处，引水条件 最佳
河流动力学
调整和稳定取水口附 近的河道
在实际工程中，有时不 一定有合适的弯道可以 利用，要造成在凹岸引 水的条件，须采用系列 整治工程将河段整治为 人工弯道，形成有利于 取水防沙的河势
河流动力学
淤积横断而形态
淤积的横向分布
当水库发生单向淤积时，由于入库水沙条件及边界条件的不同， 形成以下四种较普遍的横向淤积形态，即淤积面呈水平抬高；沿 湿周等厚淤积；淤槽为主和淤滩为主
淤积后的冲刷形态
水库在水位消落期或汛期泄洪排沙时，先期淤积物将受到某种程 度的冲刷，完成库区河床的再造床过程
河流泥沙动力学
河流泥沙动力学
河流泥沙动力学被认为是当今流体地质动力学发展的重要一环，它涉及和研究
物质在河流环境中的运动行为，从而影响河流谷地水文发育和河道演化。
河流泥沙动力学研究包括河流、河床、泥沙运动规律、河床修复、河道演化和河道应急护理等课题，在有序治理河流的工程项目的设计和实施中也扮演着重要角色。
鉴于河流泥沙动力学研究的重要性，国内外高校与高等教育机构重视大力发展
河流泥沙动力学教学及科学研究工作。
他们着力提升河流泥沙动力学课程内容的系统性、区域性以及实践性，开展系列重要的研究和试验工作，其中包括有时流体数值模拟系统构建，河流泥沙供需平衡分析，河床及河口质量评价，河口湖泊缓冲效果等。
此外，高校与高等教育机构还努力构建完善的河流泥沙动力学人才培养体系，
其中对专业人才的培养更是着力点之一。
他们采取多种形式，结合实际背景和用途，引进新的教育理念，构筑专业能力模型，提升学生独立解决实际河流问题的能力，进一步提高社会利用价值。
旨在加强学生对河流泥沙动力学知识和技能的学习，培养他们掌握先进理论及运用知识推进河流环境整治的能力。
河流泥沙动力学的研究和发展日益受到高校与高等教育机构的重视，构筑科学
完善的教学体系和人才培养体系，挥洒物质的活力，构建有序的河流管理机制，充分发挥河流泥沙动力学研究的成果，推进河流水环境改善工作，为人类社会所有受益。
河流动力学第三章 泥沙特性
三、泥沙的水下休止角
– 定义：静水中、不致塌落的倾角 – 影响因素：泥沙粒径、级配及形状 – 变化范围：32º－39 º
三、泥沙的水下休止角 f tgφ
• 根据天津大学研究成果，泥沙水下休止角(°)与粒径D(mm)
有如下关系： 32.5 1.27d
抛石
➢ 0.5 ＜Red＜1000时，由于Cd 为ω及d的函数，目 前无合适的计算公式，只能借助实验资料来计算
ω及Red。
21
22
三、泥沙的沉速
– 天然泥沙不是球体，需要考虑差异 – 基本原理、基本方法大同小异 – 相关研究较多，但所得公式结构相近 – 过渡区复杂，各家公式百花齐放 – 水电部规范综合了多家公式
– 特点
♥ 包含孔隙在内： s ＝ s (1－e) ♥ 变幅较大：最大1.7t/m3，最小0.3t/m3 ♥ 原因：孔隙变化较大
二、泥沙的干容重与干密度
– 影响因素
♥ 泥沙粒径 ➢ 颗粒越细其值越小：
D<0.005mm0.56t/m3 ➢ 颗粒越细变幅越大：0.56－1.35t/m3 ♥ 泥沙淤积厚度 ➢ 淤积深度越深干容重越大，变幅越小
1.72 s gd 0.41 m / s
Red= D/ =0.41×3.5/1000/10-6=1432.1>1000，假定符合，
属紊流
泥沙的水力特性
四、其他影响因素
– 泥沙形状
♥ 细颗粒不重要 ♥ 砾石、卵石、块石应考虑（越扁平，沉速越小）
– 水质
♥ 絮凝的影响 ♥ 出现絮凝后，沉速增加，一般0.4－0.5mm/s
D
(
6V
)1/
3
河流动力学试卷
答题要点：
（1）冲积河流的河床由泥沙组成，它们能随水流运动，而且，一定条件下，河床还会出现各种不同形态的沙波，也就是说，边界条件随水流条件的变化在不断地变化。因此，冲积河流的阻力随水流条件的改变也在变化，称之为动床阻力，（10分）
（2）清水定床中没有泥沙运动，不存在沙粒阻力和沙波阻力，且阻力基本不变化。（5分）
七、绘出弯道横向环流分析简图，推导横比降计算公式。（说明推导过程15分）
答案： （绘出弯道横向环流分析简图5分，推导过程完整10分）
（2）低水傍岸，高水居中；低水上提，高水下挫。（7分）
b)决定异重流运动的力主要有哪些? 这些力的相对作用情况与明渠水流相比有何异同?
答题要点：
（1）决定异重流运动的力主要有重力、阻力和惯性力；（4分）
（2）与一般明渠水流相比重力作用显著减弱，阻力和惯性力作用相对突出。（6分）
四、计算（10分）
用水泵由河流(二元恒定均匀流)向水渠抽水。已知河流水深为5m，距河床0.5m处，含沙量为49.ON/m3，水泵取水口置于水中距河床4.0m处，试问进入水渠的含沙量为多少。若要求进入水渠的水流含沙量小于14.7N/m3，问水泵取水口应置于水中距河床什么高度范围？[悬浮指标为0.5， ]
3.河床变形是由于（输沙不平衡）引起的，而变形又向着(恢复输沙平衡)的方向发展，此现象称为河床的 (水流与泥沙的自动调整作用)。
三、 问答(每题10分，共20分)
a)什么是水流动力轴线，弯道中水流动力轴线是任何随水位变化的?
答题要点：
（1）河道中各过水断面上最大垂线平均流速所在位置的平面连线。（3分）
4.河道表面阻力：系床面沙粒的摩阻而引起的阻力。
河流动力学及泥沙
河流动力学及泥沙汇报人：日期:•河流动力学概述•河流动力学的基本原理•泥沙的基本性质•河流泥沙运动的基本规律•河流泥沙问题的解决策略与案例分析•河流动力学及泥沙研究的前沿与展望01河流动力学概述河流动力学的定义和研究内容河流动力学的定义河流动力学是研究河流运动规律和物理机制的科学，它涉及到水文学、气象学、地貌学、物理学等多个领域。
研究内容主要包括河流的流速、流量、水位、水深、泥沙输移、河床演变等，以及由这些要素组成的流域水沙循环系统的宏观过程和微观机制。
河流动力学的重要性理论意义实践意义河流动力学的发展历程起源发展现状02河流动力学的基本原理动量方程描述水流中单位时间内动量守恒的原理。
能量方程描述水流中单位时间内能量守恒的原理。
连续方程水流运动的基本方程单位时间内通过某一断面的水量，通常用立方米/秒或加仑/秒为单位表示。
河流水位与流量流量水位流速流态河流的流速与流态阻力水流运动中受到的阻力，包括摩擦阻力、涡旋阻力等。
能量消耗水流运动中能量损失的大小，通常用能量方程计算。
河流的阻力与能量消耗03泥沙的基本性质根据泥沙的组成、搬运方式和沉积特点，可分为无机泥沙、有机泥沙和生物碎屑等。
特性泥沙具有不同的物理、化学和生物特性，如粒径、形状、密度、硬度、耐磨性等，这些特性影响其搬运、沉积和地貌形成的过程。
分类泥沙的分类与特性VS泥沙的搬运与输移搬运方式输移过程泥沙的沉积与地貌形成沉积类型地貌形成04河流泥沙运动的基本规律泥沙颗粒的碰撞与粘附泥沙颗粒的离散与聚集牛顿力学模型泥沙运动的力学模型01阻力与浮力的计算公式02阻力系数与浮力系数的确定03阻力与浮力对泥沙运动的影响泥沙运动的阻力与浮力床面形态的分类与特征水沙平衡的概念及建立床面形态对河流动力学行为的影响010203泥沙运动的床面形态与水沙平衡05河流泥沙问题的解决策略与案例分析03植物防护01河道整治02疏浚与清淤河流治理与泥沙控制的一般方法水库淤积由于入库水流携带的泥沙超过了水库的调节能力，导致水库淤积。
河流泥沙动力学习题及答案
河流泥沙动力学习题1.某河道悬移质沙样如下表所列。
要求：（1）用半对数坐标纸绘出粒径组的沙重百分数P 的分布图，绘出粒径的累积分布曲线，求出d 50、d pj 、ϕ（2575d d =）的数值。
（2）用对数概率坐标纸绘出粒径组的沙重百分数P 的分布图，绘出粒径的累积分布曲线，求出d 50、ϕ的数值。
（3）用方格纸绘出粒径组的沙重百分数P 的分布图，绘出粒径的累积分布曲线。
解：根据题意计算出小于某粒径之沙重百分数，列表如上。
（1）、半对数坐标纸上粒径组的沙重百分数P 的分布图及粒径的累积分布曲线,从下述半对数坐标纸上的粒配累计曲线上可查得中值粒径m m 054.050=d ，m m 075.075=d ，m m 041.025=d 。
平均粒径：069.01008675.6141141==∆∆=∑∑==i ii iipj pdp d ， 非均匀系数：353.1041.0075.02575===d d ϕ。
半对数坐标纸上的沙重百分数p的分布图2468101214161820220.010.11粒径（mm）沙重百分数（%）半对数坐标纸上的粒配累积分布曲线1020304050607080901000.010.11粒径（mm）小于某粒径之沙重百分数（%）（2）、对数概率坐标纸上粒径组的沙重百分数P 的分布图及粒径的累积分布曲线 （3）、方格纸上粒径组的沙重百分数P 的分布图及粒径的累积分布曲线方格纸上的沙重百分数p的分布图2468101214161820220.050.10.150.20.250.3粒径（mm）沙重百分数（%）方格纸上的粒配累积分布曲线10203040506070809010000.050.10.150.20.250.3粒径（mm）小于某粒径之沙重百分数（%）2.已知泥沙沉降处于过渡区的动力平衡方程式为（ω可查表）：223231)(ωρωρυγγd K d K d K s +=-令上式为 A=B+C要求计算并绘制d ～C B C +及d Re ～C B C +的关系曲线。
《河流动力学》课件
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地形特征对河流的影响
地形特征决定了河流的基本特点，如流向、流速、泥沙运动等，也影响了河流的开发和治理方式。
包括径流量、流量、水位等，受到气候、地形等因素的影响。
河流水量
包括水的清澈度、污染状况等，与人类的生产和生活密切相关。
水质状况
河流水量和水质状况对人类的生产和生活具有重要影响，如灌溉、航运、发电等。
河流的演变与变化
河谷的形成与演化
河谷的形成是由于水流侵蚀和沉积作用的结果，随着时间的推移，河谷的形态和规模会发生变化。
河流的裁弯取直
在长期的演变过程中，河流会不断裁弯取直，改变河道形态，以保持稳定的流向。
河流的发育阶段
从源头开始，经历上游、中游、下游等不同阶段，每个阶段都有不同的地貌特征和演变特点。
特点
A
B
C
D
河流是地球生态系统的重要组成部分，河流动力学的研究有助于了解和保护地球生态系统。
河流是人类生产生活的重要资源，河流动力学的研究有助于合理利用和保护水资源。
河流是自然灾害的重要来源之一，河流动力学的研究有助于预测和防范自然灾害。
02
CHAPTER
河流的分类与特征
河流的分类标准
按河流的流域面积、河流水量、河流流向、流域地形等标准进行分类。
水文循环是影响河流变化的重要因素，降雨、蒸发、径流等环节都会对河流产生影响。
水文循环
气候变化
地质构造
气候变化如气温、降水等的变化会影响水文循环，进而影响河流的演变。
河流动力学——第三章
§3.2 冲积河流床面形态的判别准则及特性研究
床面形态的判别因素： 1）流态 2）泥沙颗粒的物理特性（如可动性）
一般是通过试验和野外资料，分析得到一 系列的经验性关系，建立经验关系实际就是点 绘特定参数之间的关系图(例如绕流阻力系数经 验关系CD~Re曲线)。
沙波运动的判别参数
1. Shields数
沙纹
沙垄
迎水面冲刷，背水面 与水流的大尺度 淤积，向下游运动的 紊动结构有直接 速度远小于水流流速， 关系 取决于推移质输沙率
水槽试验中出现的带沙纹的沙垄
沙漠中出现的带沙纹的沙垄
高能态流区 (upper flow regime)的床面形态包括： 平整床面(plane bed)，逆行沙垄和驻波 (standing waves) 急滩与深潭 (Chutes and pools)
Froude数也是平均动能和平均势能之比，Fr数越大，意 味着水流的平均动能占断面比能的比例越大。Fr＝1的情况下， 水流的惯性力作用与重力作用正好相等。
(一) 低水流能态区的判别准则：平整-沙纹-沙垄区
对于一般的明渠水流来说，超过某一粒径的泥沙 颗粒即不会形成沙纹。由试验可知Re*大于11.7(即泥沙 粒径超过粘性底层的厚度，床面不再是水力光滑 )之后， 就不再形成沙纹。(D/δ=Re*/11.6) 对于一般的明渠水流来说， 泥沙粒径超过 0.6~0.7mm之后，沙纹将不出现，而是由平整床面直接 过渡到沙垄。
3) 急滩与深潭 (Chutes and pools)
低能态流区(Lower flow regime) 的床面形态包 括：沙纹(ripples)和沙垄(dunes)。
床面形态 形 状
迎水面长而直， 背水面短而陡， 两者之比在24 之间 与沙纹相似。在 较大的河流中波 长与波高之比可 达100500
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基本方法：弯道环流、水流紊动
教学内容与
学时分配
教学内容（2学时）
1.1河道水流的基本特性（1.0学时）
1.2河道水流的水流结构（0.5学时）
1.3河道水流的紊动及阻力损失（0.5学时）
教学方法与
教学手段
教学方法：1.采用“以多媒体教学为主、板书为辅”的方式，多种教学手段相互补充，使课堂教学与实验教学相结合。
掌握推移质的概念，并能估算推移质输沙率3Leabharlann 掌握7第七章
悬移质运动基本状态及含沙量沿垂线分布
悬移质及其运动基本状态；悬移质运动的质量平衡及含沙量沿垂线分布。
掌握悬移质运动基本状态和
2
掌握
8
第八章
悬移质运动的能量平衡及水流挟沙力
重力理论述评、制紊假说、水流挟沙力。
掌握悬移质运动的能量平衡，能计算水流挟沙力
2.3泥沙的几何特性（1.0学时）
2.4泥沙的重力特性（1.0学时）
教学方法与
教学手段
教学方法：1.采用“以多媒体教学为主、板书为辅”的方式，多种教学手段相互补充，使课堂教学与实验教学相结合。
2.启发引导为主，从重知识目标转向重智能目标上转变。
3.线上教学与线下教学相结合，借助网络等方式搭建师生交流和互动的平台。
5
第五章
沙坡运动及动床阻力
沙坡形态和运动状态、沙坡的发展过程和形成机理；床面形态的判别标准、沙坡尺度及其运行速度；动床阻力。
能熟练掌握沙坡运动与动床阻力
3
熟悉
6
第六章
推移质输沙率
推移质简介；均匀推移质输沙率公式与非均匀推移质输沙率公式；估算推移质输沙率的其他方法；用统计理论处理推移质输沙率问题的新进展。
能力培养任务
通过本课程的学习，使学生了解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变化的基本特性。流域上产生的泥沙进入支流、干流河道后，对河道的水流运动、河道演变及沿河的工业、农业、生活取排水工程有重要影响。领会学习处理复杂问题的思路及方法，能初步掌握河流泥沙运动的基本规律，分析水流泥沙运动与河道演变对环境的影响。通过本课程的学习，让本专业的学生掌握泥沙运动的观测、采集、分析、计算方法，运用所学知识去分析工程中遇到的泥沙问题。
[1]王昌杰.《河流动力学》[M].人民交通出版社，2004.
[2]邵学军，等.《河流动力学概论》[M].清华大学出版社，2005.
备注
理论教学部分（按章节顺序填写）学时：3
章
第2章泥沙的特性
教学目的
和要求
通过学习后，要求学生能够：1、了解河流泥沙来源；2、熟悉泥沙的矿物特性与分类；3、掌握泥沙的几何特性；4、掌握泥沙的重力特性。
成绩构成比例：期末考试占70％；平时成绩占20％，实验成绩占10%。
平时成绩：主要依据考勤及平时作业情况综合评分。
教材及主要教学参考书
教材：张瑞瑾.河流泥沙动力学[M].中国水利水电出版社，2014.
主要参考书：
[1]王昌杰.《河流动力学》[M].人民交通出版社，2004.
[2]邵学军，等.《河流动力学概论》[M].清华大学出版社，2005.
熟练掌握泥沙的基本特性
3
掌握
3
第三章
泥沙的沉速
沉降公式；泥沙沉降的不同形式、影响沉速的几个主要因素。
熟悉泥沙沉降的不同形式并熟练掌握泥沙的沉降公式
3
熟悉
4
第四章
泥沙的起动
泥沙起动的物理机理、均匀沙的起动条件、非均匀沙的起动条件、斜坡上泥沙的起动流速、止动和扬动流速。
熟练掌握泥沙的起动形式与条件
4
掌握
课程简介
《河流动力学》课程是水利水电工程专业的一门专业教育课。是研究河道在自然状态下以及受人工建筑物控制以后在水流与河床相互作用的过程中运动发展的力学规律的一门课。本课程的知识点相对分散，公式较多，学生反映不太好学，因此，在本课程教学中应该以泥沙运动作为主线，以泥沙起动、推移质运动和悬移质运动的运动规律的分析理解作为重点，进而对理解泥沙运动对水流阻力、水流运动加以理解掌握。河床演变应与水流泥沙运动相联系。
一、课程概况
二、课程知识、能力体系
《河流动力学》课程知识（能力）体系
序号
知识单元描述
知识点
对应能力
学时
要求
1
第一章
河流动力学基本概念简介
河道水流的基本特性；河道水流的水流结构；河道水流的紊动及阻力损失。
掌握河道水流的基本特性
2
了解
2
第二章
泥沙的特性
河流泥沙来源；泥沙的矿物特性与分类；泥沙的几何特性与重力特性。
《河流动力学》课程规范（讲授+实验）
课程号
HBX220017
课程名称
河流动力学
课程英文
名称
River Dynamics
总学时数/周数
32/5
学分
2
讲授
学时
28
实验学时
4
实习周数
开课单位
理工学院
适用专业
水利水电专业
课程类别
拓展教育课程
修读方式
选修
先修课程
水力学
考核方式
考核方式：平时成绩和期末成绩综合测评。期末考试：闭卷。
3
掌握
9
第九章
高含沙水流问题
高含沙水流的基本特性与泥沙运动及河床演变特点。
能解决高含沙水流问题
2
掌握
10
第十章
异重流
异重流的现象、一般特性、基本力学规律；
水库异重流和河渠异重流。
掌握异重流的现象、特性以及基本力学规律。了解一般常见的异重流
3
掌握
“要求”指学生对知识、能力掌握的熟练程度，填写：了解、熟悉、掌握。
2.启发引导为主，从重知识目标转向重智能目标上转变。
3.线上教学与线下教学相结合，借助网络等方式搭建师生交流和互动的平台。
教学手段：1.理论讲授和实例讲解相结合。
2.通过课堂现场互动，达到“以学生为本、师生互动”的目的，充分调动学生的学习积极性和主动性。
本章思考题
河道水流有哪些基本特性？
主要
参考资料
三、教学内容及基本要求
理论教学部分（按章节顺序填写）学时：2
章
第1章河流动力学基本概念简介
教学目的
和要求
通过学习后，要求学生能够：1、掌握河道水流的基本特性；2、了解河道水流的水流结构；3、了解河道水流的紊动及阻力损失；
重点和难点
重点：河道水流的基本特性。
难点：河道水流的基本特性。
“三基”分析
基本知识：河流动力学基本概念、河道水流的水流结构、河道水流的紊动及阻力损失。
重点和难点
重点：泥沙的矿物特性与分类、泥沙的几何特性、泥沙的重力特性。
难点：泥沙的几何特性、重力特性。
“三基”分析
基本知识：河流泥沙来源、泥沙的矿物特性与分类、泥沙的特性。
基本理论：泥沙淤积理论
基本方法：筛选分析
教学内容与
学时分配
教学内容（3学时）
2.1河流泥沙来源（0.5学时）
2.2泥沙的矿物特性与分类（0.5学时）