河流动力学大作业Solutions to Problem 4
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长江流域泥沙来源及沉降分布一.研究目的长江作为我国第一大河，流域面积广阔，气候温和，雨量充沛，很早以前古人就在这片沃土上定居耕耘，繁衍生息。
在古代，1万年前后的史前时代，长江中下游地区已经出现水稻耕作。
对于长江的开发以及利用不仅仅是现在才开始的。
最早，从春秋战国时期开始就为了发展农业生产兴修水利和开通水上航运，都江堰，灵渠，南北大运河等著名水利工程相信都不会陌生。
当今，我们也没有停下脚步，长江巨型的三峡水利枢纽工程的建成，南水北调等一系列水利工程都已被人们所熟知，如今的长江流域已发展成为重要的经济区，并对我国国名经济，社会的持续发展发挥着越来越重要的作用。
但随着人口的增多，加上自然环境自身的演变，人与人之间的矛盾日子加大，生态环境不断地被破坏，其中与泥沙相关的问题愈来愈突出。
长江上有的水土流失刘家中，崩塌，滑坡，泥石流，山洪爆发等山地灾害频繁，这些自然灾害会对人类造成十分重大的影响。
泥沙淤积对水库等水利工程的影响在于不仅使其失效，更威胁其存亡，在当今环境问题中，泥沙问题已经成为当今众多环境问题中的关键问题之一。
泥沙的侵蚀，搬运，沉积是一个整体。
河流的泥沙都是来源于流域泥沙，而流域的泥沙环境决定着进入河流的水沙条件，而这些又恰恰进一步影响河床的演变过程。
而长江到底是怎么样的泥沙环境而导致现在的问题，而我们又要如何去解决。
这就是我们所关心的问题。
也是我要在报告阐述的。
在新中国成立之后，大奖上下开始了大规模的水利建设，之后三峡水利枢纽工程的兴建，其泥沙问题在当时可谓是引起了世人广泛关注和国家的高度重视（虽然到现在也是如此）。
而作为港口环境与海岸工程专业的我来说，了解一些关于长江海岸泥沙沉降的知识对自己的专业也有一定的帮助。
接着从图书馆拿的基本资料结合书本对于长江泥沙沉降做一系列的研究，并制成报告以及PPT形式。
二.研究具体方法和步骤1.长江的基本情况既然要说长江的泥沙情况，就不得不把长江好好介绍一下了。
河流动力学章节总结
绪论1、河流动力学的概念：河流动力学是研究冲击河流在自然状态下以及受人工建筑物影响以后所发生的变化和发展规律的一门科学。
河流变化是水流与河床相互作用的结果：水流是动力条件，河床是边界条件；通过泥沙交换来相互作用。
本课研究内容：水流结构，泥沙运动，河床演变及预测。
谢才公式曼宁公式对数流速垂线分布摩阻流速u*=（gHJ）0.5第一章泥沙特性1泥沙的基本特性：几何特性，重力特性，水力特性2等容粒径：体积与泥沙颗粒相等的球体的直径（详见p5）算术平均值，几何平均值3泥沙的孔隙率：泥沙中孔隙的容积占沙样总容积的百分比成为孔隙率4泥沙孔隙率的影响因素：泥沙孔隙率因沙粒大小及均匀度，沙粒的形状，沉积的情况及沉积后受力及历时长短5比表面面积：颗粒表面及与体积之比。
表达式：6/D详见p86沙粒的干容重与干密度：经过100～105度烘干后的沙样质量与为烘干前原样沙体积比（概念，影响因素及规律详见p10～11）影响因素：泥沙颗粒大小，组成均匀程度，淤积深度，淤积历时，泥沙的化学成分，淤积环境及水文条件等。
7干容重的影响因素：1）泥沙粒径2）泥沙淤积厚度3）淤积历时8泥沙沉速：单颗粒泥沙在无大静止清水体中匀速下沉时的速度称为泥沙的沉降速度9影响沉速的因素：绕流状态，泥沙形状，水质，含沙量等1. 等容粒径D：就是体积与泥沙颗粒相等的球体的直径。
2. 泥沙粒径测量方法：测量法（D》20mm）;筛析法（0.1mm《D<20mm）；显微镜法（D<0.1mm）；沉降法。
3. 粒配曲线：通过颗粒分析（筛分、水析），求出沙洋中各粒径泥沙质量，算出小于各粒径泥沙质量，然后在半对数坐标上，将泥沙粒径D绘于横坐标（对数分格）上，小于该粒径泥沙在全部沙洋中所占百分比p绘于纵坐标轴上，绘出的D~p关系曲线，即为粒配曲线。
4.影响泥沙孔隙率的因素：1．粒径均匀泥沙孔隙率最大2.泥沙形状3.泥沙沉积方式5. 比表面积：颗粒表面积与其体积之比。
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_总结
河流动力学第一章泥沙特性1、等容粒径：体积与泥沙颗粒相等的球体的直径。
设某一颗泥沙体积为V ，则等容粒径3/1)6(πV D =泥沙粒径可用长轴a ，中轴b ，短轴c 的算术平均值表示)(31c b a D ++= 假设成椭球体，用几何平均值表示3abc D =2、粒配曲线的作法：(图1-1 p6)①通过颗粒分析（包括筛分和水析），求出沙样中各种粒径泥沙的重量②算出小于各种粒径的泥沙总重量③在半对数坐标纸上，将泥沙粒径D 绘于横坐标（对数分格）上，小于该粒径的泥沙在全部沙样中所占重量的百分数p 绘于纵坐标（普通分格）上，绘出的D~p 关系曲线即为所求的粒配曲线。
3、粒配曲线特点曲线坡度越陡，表示沙样内颗粒组成越均匀，反之，不均匀。
4、粒配曲线特征值1）中值粒径50D ：是常用的特征值，它表示大于和小于该种粒径的泥沙重量各占沙样总重量的50%，即粒配曲线的纵坐标上找出p=50%，其对应的横坐标即为50D 2）平均粒径50D ：是沙样内各泥沙粒径组的加权平均值。
即粒配曲线的纵坐标（p ）按其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min max D D 和 以及各组泥沙在整个沙样中所占重量百分数i p ∆，然后求出各组泥沙的平均粒径32min max min max i min max D D D D D D D D i +++=+=或∑∑==∆∆=n i i n i i im pp D D 11n —为划分组数；2502σe D D m =，其中σ—沙样粒径分配的均方差，9.151.84ln D D =σ 当σ为零时，沙样均匀，50D D m =，一般沙样不均匀，σ总是大于零，因此，通常50D D m >3）分选系数（非均匀系数）25750D D S =，若0S =1，则沙样非常均匀，越>1，则越不均匀。
5、影响泥沙的孔隙率的因素①沙粒的大小 ②均匀度 ③沙粒的形状 ④沉积的情况 ⑤沉积后受力大小 ⑥历时长短泥沙越细，孔隙率越大；泥沙越均匀，孔隙率越大；越接近球体，孔隙率越大。
【免费下载】河流动力学复习题
《河流动力学》复习题一、课件中讲述的名词顶冲点，含沙量，粒径，中值粒径，泥沙干容重，泥沙水下休止角，体积含沙量，，沉速，絮凝现象，比表面积，悬移质，推移质，床沙，高含沙水流，异重流，泥沙起动，起动条件，起动流速，起动拖曳力，粘结力，床面层，shields数，接触质、跃移质，沙波，沙粒阻力，沙波阻力，动床阻力，泥沙起动标准，止动流速，扬动流速，推移质输沙率，推移质单宽输沙率，紊动扩散作用，床沙质，冲泻质，水流挟沙力，饱和输沙，超饱和输沙，次饱和输沙，非饱和输沙，不平衡输沙，平衡输沙，悬浮指标，河床演变，单向变形，复归性变形，河床的自动调整作用，泥沙成型堆积体，河道节点，副流，侵蚀基点，河相关系，造床流量，平滩水位，环流强度，环流旋度，环流相对强度，水流动力轴线，河势，自然裁弯，撇弯，切滩，江心洲，耦合解、非耦合解，正态模型、变态模型，变率，相似理论基本原理，相似转换。
二、课后思考题1、如何分析粒配曲线上沙样组成的相对均匀程度？2、水利工程中一般把泥沙分为哪几类？3、泥沙粒径有几种测量方法，各适用于哪种情况？4、何谓泥沙干密度？干密度主要与哪些因素有关，它们是如何影响干密度大小的？5、何谓泥沙水下休止角？其影响因素如何？6、有一卵石，d=0.1m，从水深h=10m的水面抛入水中，水的流速U=1m/s，若不考虑动水流动的影响，求卵石沉到河底的水平距离？7、什么是泥沙的沉速？球体沉速与等容泥沙的沉速是否相同？为什么？8、试比较岗恰洛夫、沙玉清、张瑞瑾的泥沙沉速公式，说明在层流、紊流、过渡区中泥沙沉速的计算公式有何不同？如何判别层流、紊流、过渡区这三种绕流状态？9、张瑞瑾、唐存本、窦国仁关于粘结力形成的观点如何？张瑞瑾认为粘结力和哪些因素有关？10、怎样表示泥沙的起动条件？实验室如何定性判别床面泥沙是否起动？11、简要叙述张瑞瑾起动流速公式推导思路（步骤）。
12、某河道型水库长20Km，河床坡降0.0001，当入库流量为1000m3/s时，全库区平均河宽为200m，回水末端以上平均水深为5m，库区河床为均匀沙，D50=3mm。
河流动力学
研究的主要内容
水流结构 泥沙运动 河床演变（历史） 河床变形预测（未来）
为何学习河流动力学？
港口工程
♥ 港址选择：非常重要，比结构优化影响大 ♥ 冲淤变化不能大：水深、河岸、分汊 ♥ 水流条件要好：便于船舶停靠
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绪论
为何学习河流动力学？
航道整治
♥ 长江口航道整治 ♥ 分析原因，掌握规律 ♥ 研究措施，预测结果
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§2.1. 泥沙运动的形式
推移质与悬移质间的转换过程
悬移区
床面层
河床
（悬移质） （接触质及跃移质） （床沙）
悬移区 床面层
层移区 河床
（悬移质）（接触质及跃移质）（层移区） （床沙）
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§2.1. 泥沙运动的形式
推移质与悬移质间的差别
运动规律不同
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§1.4. 泥沙的水力特性
三、泥沙的沉速
（水电部规范公式）
层流区（D0.1mm） （斯托克斯公式）
1 s 18
g D2
紊流区（D>1.5mm） 1.057 s gD
（岗恰洛夫公式）
过渡区（0.15
D
1.5）
6.77
s
D s 1.92
( T 1) 26
（岗恰洛夫公式）
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§1.4. 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
水质
♥ 絮凝的影响 ♥ 出现絮凝后，沉速增加，一般0.4－0.5mm/s
含沙量
♥ 颗粒下沉向上水流，水流紊动 ♥ 有效重力减少 ♥ 絮凝：含沙量超过一定限度后
河流动力学题目
3.8 6.1
测点含沙量 （kg/m ） 0.69
求： （1）绘制含沙量沿水深分布曲线 （2）求理论悬浮指标 z=？ （3）由实测含沙量求实际悬浮指标 z1=？ （4）取η a=0.05，用 z1 绘制η ～S/S0.2 分布曲线，并检验实测的η ～S/S0.2，进行比较。
第二次作业
1、有一宽浅河道，水深 h=1.5m，断面平均流速 U=1.10m/s，坡降 J=0.0003。已 知床沙中值粒径 D50=0.6mm，水温 T=20℃。实测垂线含沙浓度如下 Y/h 0.05 0.07 0.10 0.15 0.20 0.25 (h-y)/y 19.0 13.3 9.00 5.67 4.00 3.00 3 SV/kgf/m 40.0 14.0 4.40 1.09 0.41 0.16 试求 （1） 理论悬浮指标 Z 和实测悬浮指标 Z1 （2） 在河道岸边修一取水工程，要求取水口的最大含沙浓度小于 2.0kg/ m3,求 取水口的高度？
3
3、某河流上测得：Q=450m3/s，U=1.84m/s，h=4m，dpj=0.06mm，t=25℃，J=0.41‰0，测点
水深及含沙量如下表
测点水深（m）
3
0.2
0.4 0.94
0.8 1.2
1.2 1.35
1.6 1.42
2.0 1.93
2.4 2.24
2.8 2.82
3.2 3.893.6源自4.11 U3 2、根据某河段实测资料，采用图解法和最小二乘法确定 S k gh 公式中
m
的系数 k 和指数 m。以建立适应该河段的水流挟沙力公式。资料如下表：
施测 地点 编 号 1 2 3 毛 4 5 6 7 8 9 家 10 11 12 13 14 15 16 桥 17 18 19 20 施测时间 （年、月、日） 1961•3•7 4•2 4•5 5•17 5•23 6•12 6•27 7•7 7•15 1962•3•9 4•4 4•10 4•20 5•2 5•3 5•5 5•20 6•20 6•25 7•3 沉速 （cm/s） 0.768 0.642 0.900 0.741 1.250 0.730 1.180 0.827 0.477 0.957 1.390 0.851 0.790 1.230 0.755 0.865 1.420 1.572 0.794 0.680 水深 （ m） 0.97 2.45 1.85 1.93 2.24 1.31 2.79 2.807 2.426 2.10 2.83 3.80 4.34 3.82 2.93 3.00 3.68 2.65 2.70 3.76 流速 （m/s） 0.716 1.13 1.02 1.39 1.09 0.947 0.834 1.06 0.906 0.58 1.08 0.94 1.02 0.68 0.712 0.72 0.66 0.70 0.65 0.58 床沙质含沙量 （kg/m ） 0.46 2.0 1.2 2.1 0.72 1.0 0.17 0.575 0.84 0.05 0.3 0.17 0.35 0.035 0.096 0.08 0.027 0.062 0.10 0.042
武大河流动力学试卷附答案
武汉大学水利水电学院2010-2011学年第1学期期末考试《河流动力学》试卷A卷学号姓名年级/专业分数一．简述题（共6题，满分40分）1．简要论述床沙质和冲泻质的概念及其河流动力学意义。
mm的泥沙都视为冲泻质，对此你有何意见？[本题满分8分]床沙质：悬移质中较粗的一部分以及绝大部分推移质来自相邻的上游段及本河段的河床，是从床沙中被带起进入运动的泥沙；床沙质与河床的冲淤变化有密切的联系，所以又称“造床质”。
冲泻质：悬移质中较细的一大部分以及推移质中的极小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，是被水流长途携带输送到本河段的。
2. 冲积河流中的沙波是向下游传播的。
请结合下图，运用水沙动力学基本原理予以解释。
[本题满分8分]沙波的迎流坡坡面的流速是沿程增加的，故在这个区域里的任何一处，来沙量将小于去沙量，因而发生冲刷；沙坡的背流坡坡面上为横轴环流所占领，泥沙基本上只进不出，因而发生淤积。
沙波迎流面冲刷，在背流面淤积的综合结果，形成整个沙坡向下游爬行的运动态势。
3. 试论影响非均匀沙起动的主要物理机理 (力学效应)。
[本题满分6分]不同粒径的起动拖曳力是独立的，仅与粒径大小有关，粒径越大的泥沙，所需起动拖曳力越大，但同时，某些粒径较小的泥沙可以隐蔽在大粒径泥沙中，具有隐蔽效应，此时粒径越小越难起动。
所以重力作用和隐蔽作用的综合效益。
4．设某冲积河流水沙运动与河床基本处于平衡状态。
现在河道中游某处修建一水库。
试应用张瑞瑾明渠水流挟沙力概念定性地解释水库淤积与大坝下游河床冲刷的原因。
[本题满分6分]当挟沙水流到达坝前，水深增大，比降平缓，流速降低，所以悬移质水流挟沙力减小，泥沙沉降淤积；同理，大坝下游水深小，流速增大，悬移质水流挟沙力增大，需大坝下游的床沙补充，故而造成何床冲刷。
5．异重流在特定条件下可能运行很远的距离。
试结合下图论述其物理机理。
[本题满分6分]1）异重流的三个特性：重力作用显著降低、惯性力作用相对突出、阻力作用相对突出。
河流动力学——精选推荐
河流动力学第一章概念类：1、等容粒径：就是体积与泥沙粒径相等的球体的直径。
2、泥沙颗粒分级标准（1/200~1/20~2~20~200mm）粘粒，粉砂，沙粒，砾石，卵石，漂石3、孔隙率：泥沙中孔隙的容积占沙样总容积的百分比。
（泥沙孔隙率因沙粒的大小及均匀度、沙粒的形状、沉积后受力大小及历时长短而有不同）粗砂孔隙率39%~40%,中砂41%~48%,细沙44%~49%。
（细颗粒的表面面积相对较大，使得颗粒间的摩擦、吸附及搭成构架的作用增大的缘故）4、比表面积σ：颗粒表面积与其体积之比。
（细颗粒的σ大）颗粒比表面积间接地反映了颗粒受到的物理化学作用于重力作用的相对大小。
5、絮凝：细颗粒泥沙在一定条件下彼此聚合的过程。
6、容重γ（密度ρ）：泥沙颗粒实有重量（或质量）与实有体积之比7、干容重（干密度）：取未经扰动的原状沙样，量出它的体积，然后再烘箱内经100~105℃的温度烘干后，其重量（或质量）与原状沙样整个体积之比。
（粒径较粗的泥沙干容重大，变化范围小：泥沙孔隙率影响；泥沙的淤积愈深，其干容重愈大，变化范围愈小；干容重岁淤积历时的增加而趋向于一个稳定值）8、沉速：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，简称沉速。
（泥沙颗粒在静水中下沉是其周围水体的绕流状态与沙粒雷诺数νω/Re DD=有关，当Re较小时，泥沙颗粒基本上沿铅垂线下沉；Re较大时，沿螺旋形轨迹下沉，其周围水体布满漩涡；过渡：首部层流，尾部紊流。
）9、沉速的影响因素：①泥沙的形状对沉速的影响（泥沙形状愈扁平，其沉速愈小）②水质对沉速的影响（对D<0.03mm的细颗粒泥沙而言，可能产生絮凝现象。
）③含沙量对沉速的影响（含沙量对沉速的影响因颗粒的粗细不同而各异）④泥沙粒径⑤沙粒雷诺数。
10、影响絮凝的因素：（1）泥沙粒径。
泥沙愈细，其比表面积愈大，颗粒聚集成恤图案的作用愈强。
（2）水中电解质的离子浓度与价数。
河流动力学整理
1.对数流速垂线分布1、泥沙级配曲线：横坐标表示泥沙粒径，纵坐标表达在所考虑的沙样中粒径小于横坐标相应的某一粒径在总沙样中所占的百分比的曲线。
2、粒配曲线的绘制方法和过程：⑴取样筛分,获取各粒经组D i 泥沙的重量;⑵统计出小于和等于各粒经D i 的沙重,并算出其占总重的百分比p i ;⑶准备半对数坐标纸(横坐标为对数分格,纵坐标是普通分格);⑷以粒经Di 为横坐标(对数坐标,从大到小),小于和等于粒经Di 的沙重百分比pi 为纵坐标(普通坐标)绘制D~p粒配曲线。
3、级配曲线可以反映沙样颗粒的相对大小和范围，可反映沙样组成的均匀程度1、特征粒径:单颗粒泥沙粒径:等容粒径,算术/几何平均粒径,筛分粒径,沉降粒径;群体泥沙代表粒径:平均粒径(d i=(d max-d min)/2;D m=∑(d i*p i)/100);中值粒径(d50);非均匀特点:均方差(σ=1/2(D84/D50+ D50/D16));挑选系数(Φ=开方(D75/D25))(越接近1,沙样就越均匀,越大于1,沙样越不均匀);1.孔隙率:泥沙中孔隙的容积占沙样总容积的百分比。
泥沙孔隙率因沙粒大小、均匀度、沙粒形状、泥沙沉积方式、沉积后受力大小和历史长短等有关。
粗沙(39％-40％);中沙(41％-48％);细沙(44％-49％)。
细颗粒泥沙表面面积大，使得摩擦、吸附、搭成架构等作用增大;粒径均匀的泥沙孔隙率最大;球体,孔隙率小。
(细颗粒泥沙具有较大的孔隙率和较小的干容重)1.容重γs:泥沙颗粒的实有重量和实有体积(不含空隙体积)之比(一般变化范围不大,取2650kg/m3);有效容重系数:泥沙水下比重与水的比重之比(a=(γs-γ)/γ);干容重γs’;泥沙颗粒的实有重量和整个体积(含空隙体积)之比(变化范围大,因为空隙变化大);用途:确定泥沙冲淤体的体积;影响因素:粒径(主)、淤积深度、埋藏深度和环境、排水情况、有无初露水面暴露在空气中、细颗粒的化学成分等;γs’与γs的关系：γs’= γs(1-e)；规律:粒径大的泥沙γs’大一些，变化范围小一些,粒径小的反之;浑水容重:如果以S 代表水的含沙量,则浑水容重(r m=r+(1-r/r s)*s),含沙量S较大的变化只能引起r m较小的变化。