泥沙运动力学教学文件(1)

泥沙运动力学Sediment Transport Mechanics第一章概述1. 泥沙运动力学—泥沙在流体中，冲刷（scour）、搬运（transport）和沉积（deposition）的运动规律。

二相：固、液运动：河流、渠道、荒漠、水库、海滨、管路中，在流水、风、波浪作用下运动。

2. 著名产沙河流：黄河：16亿吨/年、土壤剥蚀1.6毫米/年。

总沙量和平均含沙量世界第一。

印度、孟加拉国的恒河：14.51亿吨/年，世界第二。

孟加拉国的布拉马普特拉河：7.26亿吨/年，世界第三。

3. 国内外著名泥沙研究机构：（1）国内大学：清华大学、北京大学、河海大学、武汉大学、大连理工大学、四川大学、天津大学、西北农林科技大学、西安理工大学、华东师范大学、郑州大学、华北水电学院、新疆大学、长沙理工大学、重庆交通大学…（各大学研究侧重点不同）（2）国内科研院所：中国水电科学研究院、南京水利科学研究院、黄河水利科学研究院、长江科学研究院、淮河水利委员会水科所、天津水运工程科学研究院、西北水利科学研究所、…（各单位研究侧重点不同）（3）国家重点实验室：四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室（1990）、大连理工大学海岸及近海工程国家重点实验室（1990）、华东师范大学河口海岸国家重点实验室（1995）、武汉大学水资源与水电工程国家重点实验室（2003）、清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室（2004）、河海大学水文水资源与水利工程国家重点实验室（2007）、天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室（2011）（4）国外：Colorado State University, The University of Iowa, TheUniversity of Mississippi, Dundee university, Birmingham University, The University of Manchester, Karsluhe University, Delft University of Technology, …美国陆军工程师兵团水道实验站美国农业部国家泥沙实验室美国地质调查局海湾海岸水利科学中心荷兰德尔夫特水力实验室印度水资源部水电研究中心日本中央大学水力实验室挪威水工实验室…（5）国际泥沙研究机构：国际泥沙研究培训中心（International Research and Training Center on Erosion and Sedimentation）(IRTCES),北京4. 泥沙学术会议河流泥沙国际学术会议—1980年第一届（北京），1983年第二届（南京），1986年第三届（美国），1989年第四届（美国），1992年第五届（德国），1995年第六届（印度），1998年第七届（香港），2001年第八届（印度），2004年第九届（宜昌），2007年第十届（俄罗斯），2010年第十一届（南非）国际水力学会学术会议—四年一届，已举办30届（2011年31届川大）国际随机水力学会议—三年一届，已举办12届国际水科学与工程学术会议—三年一届，已举办6届亚太地区国际水力学学术会议—三年一届，已举办13届全国泥沙基本理论学术会议—90年第一届，已举办5届5. 泥沙学术期刊《水利学报》，《地理学报》，《泥沙研究》，《水动力学研究与进展》，《水科学进展》，《水力发电学报》，《海洋学报》，《人民长江》，《人民黄河》，各大学学报《Journal of Fluid Mechanics》《Journal of Hydraulics Engineering》《Journal of Geophysics Research》《Journal of Water, Port, Coastal and Ocean Engineering》《Water Resources Research》《International Journal of Sediment Research》6. 我国河流泥沙研究的二大特点：（1）以黄河为代表：颗粒细，含沙量大，级配窄，悬移质（2）以长江为代表：颗粒粗，级配宽，推移质如都江堰实测：D max=510mm, D min=0.15mm,D max/ D min=3400倍7. 泥沙带来的问题（泥沙灾害）（1）水库淤积：全国20座重点水库的观测资料说明，多数水库运行不足20年，总淤积量即达设计库容的18.6%。

* 黄河三门峡水库：1958年截流，1960年蓄水后不仅库容淤损较为严重，1962年3月总淤积量就达15亿吨，占同期入库沙量的93%，到1964年淤积量已达44亿吨，而且淤积末端不断向上游延伸（翘尾巴），威胁着关中平原和西安市的工农业生产和人民生活，被迫放弃蓄水，将已安装好的第一台机组拆迁，进行工程改建（9孔冲沙闸）。

* 大渡河龚嘴水库：从71年汛末蓄水发电至86年底，已达设计运行年限，水库520米以下库容已损失87.6%，仅存0.3亿立方米，85年底对水轮机过流部件检查，发现活动导叶片和转轮叶片已有明显磨损，磨蚀沟槽最深处约10毫米。

90年代初进行加高改建，但受成昆铁路线影响，而只能有限加高。

* 长江三峡工程水库泥沙淤积，特别是变动回水区泥沙淤积问题，已作为专题研究20多年。

（生态）（2）河道（航道）演变：* 平原河道泥沙淤积对防洪和航运影响极大黄河下游河道多年平均淤积量4亿吨，为世界所仅有，各水文测站水位比50年代初期同流量水位高出2米左右，多次加固大堤，成“悬河”。

长江枯水季节，局部河段（如下荆江）通航靠挖泥船疏浚，河口航道每年挖泥量达1400~1800万立方米。

1998年长江发生的大洪水水量比54年小，但水位高，原因是长江河道淤积减少过水面积1/3，洞庭湖淤积及围垦减少水面面积1/3。

* 河道淤积影响港口码头的正常运行，造成“死港”、“废港”。

* 河道淤积影响工农业取排水口运行。

* 河道淤积影响生态平衡。

（3）电站取水口及引航道泥沙问题：许多枢纽工程运行中存在着推移质泥沙进入引水渠，粗沙磨损水轮机，泥沙、水草堵塞栏污栅。

枢纽上、下游引航道口门区和航道内淤积泥沙影响船舶安全进出。

（4）水库下游冲刷（清水下泄）产生的问题：以长江三峡工程、葛洲坝为例：—滩险演变；长江中游沙市三八滩演变造成整治建筑物破坏，航槽水流条件发生变化，影响航运安全。

—堤防安全；丹江口水库下游，因清水冲刷，下游河床变化剧烈，不但刷深，还严重崩岸，仅宜城县就有5万亩良田崩塌于汉江中。

—港口功能失效；受河床冲淤影响，一些内河码头在中、枯水期不能使用。

—工农业取水口；—下引航道门槛水深不足；葛洲坝坝下枯水期水位比设计低水位还低0.6米，下引航道和二、三号船闸下闸首的槛上水深不能达到原设计标准。

（工程措施）—河口海水入侵。

（5）桥渡冲刷：洪水引发河道急剧冲刷，造成桥渡墩台破坏。

（6）滑坡和泥石流：严重的山溪泥石流可能造成沟口砂石堆积，形成急流滩，如川江、金沙江等山区河流存在许多溪口急流滩均是例证；大型崩岩、滑坡，泥石阻塞河道，形成急流滩，造成长时间断航，如1952年川江青滩因山体滑坡，曾造成断航82天，1982年川江鸡扒子滑坡、1994年乌江边滩滑坡也严重影响航运畅通。

（7）灌溉渠系淤积问题：华北平原和西北地区气候比较干旱，修建灌溉渠系较多，由于地势较平坦，渠道设计受到坡度限制，挟沙能力一般不可能很大，泥沙易在渠道中落淤。

（沉砂池、螺旋流排沙等）…….8. 目前泥沙研究的现状主要研究：—流域产沙与水土保持（黄河较成熟）；—泥沙运动基本理论（起动、输移机理等）；—河床演变规律及治理措施；—水库淤积；—河口泥沙；—引水防沙及渠系泥沙；—高含沙水流运动；—野外及室内泥沙测验及河工模型实验技术；—泥沙数学模型；—环境泥沙与灾害预防和治理。

9. 泥沙研究的重点课题：—泥沙起动机理；—推移质与悬移质交换机理；—非均匀沙输移规律及输沙率的确定；—非恒定流输沙机理；—泥沙测验仪器及模拟技术；—高含沙水流及泥沙流；—波浪作用下的泥沙运动；—环境泥沙（湿地泥沙学）；—河道挖沙；—三维泥沙数学模型；—现代数学的应用（模糊数学、灰色理论、分形理论等）；—泥沙灾害的预防及治理措施。

10. 课程教学内容安排及形式：共40学时，约32学时课堂教学，6学时自学、讨论与作业，2学时考试。

以钱宁、万兆惠著《泥沙运动力学》为基本教材内容，主要讲要点，补充泥沙数学模型的内容，结合水利枢纽、航道整治等工程示例讲泥沙基本理论的应用。

11. 参考资料：（1）武汉水电学院，《河流泥沙工程学》，水利电力出版社，1981 （2）沙玉清，《泥沙运动学引论》，中国工业出版社，1965（3）《河流动力学》（多种版本）（4）《泥沙手册》，中国环境出版社，1992（5）韩其为，《水库淤积》，科学出版社，2001（6）韩其为，《明渠挟沙水流运动的力学和统计理论》，科学出版社，1995（7）王光谦，《泥沙研究进展》，中国水电出版社，2006（8）方红卫等，《环境泥沙的表面特性与模型》，科学出版社，2009（9）Yalin, M. S., Mechanics of Sediment Transport, Pergamon Press, N. Y., 1972.……。