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《河流动力学》课程教学大纲
《河流动力学》课程教学大纲英文名称：河流动力学（River Dynamics）课程编号：080820047总学时：32适用对象：水文与水资源工程专业本科第三年先修课程：水力学，自然地理学，水文测验学大纲主撰人：大纲审核人：一、课程性质、作用、教学目标1．本课程为水文与水资源工程专业的一门必修专业基础课。
2.目的是使该专业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，在一定意义上，它也是一门专业课。
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。
二、教学内容基本要求第一章绪论授课学时：2基本要求：了解河流动力学的研究对象、研究任务、研究方法。
介绍该学科的发展过程，学科的性质、地位、作用，介绍典型工程泥沙问题实例。
第二章河道水流授课学时：4基本要求：2-1 了解河道水流的基本特性：二相性、三维性、非恒定性、非均匀性。
2-2 了解紊动切力：紊动切力的概念、表达式及沿水深的分布规律。
2-3 了解明渠水流垂线流速分布：流速分布的层区，对数流速分布公式介绍。
2-4 掌握明渠水流阻力：阻力的表达形式及相关关系。
2-5 了解明渠水流能量的内在结构：单位水体提供能、消耗能和传递能之间的关系沿垂线分布，挟沙后的能量变化。
重点：水流基本特性和水流阻力难点：水流的能量结构第三章河流泥沙基本特性授课学时：8基本要求：3-1 掌握泥沙的物理特性：泥沙的粒径、沙样的级配曲线、泥沙的形状、容重；3-2了解细颗粒泥沙表面物理化学性质：双电层结构与结合水膜，絮凝与分散现象；3-3了解浑水的基本特性：浑水的含沙量、流型、粘滞性；3-4掌握泥沙的沉降速度：球体的沉降机理、泥沙的沉速公式及影响因素；3-5掌握河流泥沙的分类：按泥沙粒径大小、泥沙运动及造床作用分类；重点：泥沙的物理特性和泥沙的沉速难点：泥沙表面物理化学性质第四章推移质泥沙运动授课学时：4基本要求：4-1了解泥沙起动：起动的机理、泥沙起动的希尔兹关系、起动流速公式、起动的随机性、非均匀泥沙的起动；4-2了解推移质输沙率：均匀沙推移质输沙率公式、各类公式的基本思路、非均匀沙泥沙的处理。
河流动力学.doc
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。
河流动力学第一章
5
4 大运河
《国语·越语上》说:“广运百里”。韦昭注:“东西 为广,南北为运”。即大运河是以人工开山凿渠， 连通天然水系修建的南北向的运输航道。
京杭大运河，比苏伊士运河长九倍,是世界上里 程最长、工程最大、最古老的运河之一。北起北京(涿 郡)，南到杭州（余杭），经北京、天津两市及河北、 山东、江苏、浙江四省，贯通海河、黄河、淮河、长 江、钱塘江五大水系,全长约1794km，开凿到现在已有 2500多年的历史。
河流动力学
主讲教师：孙雪岚
教材
书 名：河流动力学概论
（清华大学水利工程系列教材）
编 著：邵学军 王兴奎 出版社：清华大学出版社
主要研究内容和任务
河流动力学是研究河流泥沙运动及河床演变规律的 专门学科，研究对象是天然冲积河流。
研究内容:
泥沙运动学：泥沙在水流中的输运过程和挟沙水流的 运动规律;
河床演变学：在水流和泥沙运动的作用下冲积河流形 态的变化规律。
§1.2 著名水利工程
为了更好地利用水利资源，减少水旱灾害，远 古的人们就开始了兴修水利工程。
在水利建设历史的长河中，有很多成功的典范， 如都江堰、灵渠、郑国渠和大运河等；也有大量 失败的经验教训，如鲧的筑坝挡水失败、三门峡 水库运行初期的严重淤积等。本节对古代有重大 影响的水利工程做一简单介绍。
1 都江堰
阻水溢洪滚水坝，关键在“水浸松木千年 在”。秦人将松木纵横交错排叉式的夯实插放在 坝底，其四围再铺以用铸铁件铆住的巨型条石， 形成整体。2000多年来任凭洪水冲刷，大坝巍 然屹立。
4
灵渠一些地段滩陡、流急、水浅，航行困 难。为解决这个问题，古人在水流较急或渠 水较浅的地方，设立了陡门，把渠道划分成 若干段，装上闸门，打开两段之间的闸门， 两段的水位就能升、降到同一水平，便于船 只航行。灵渠最多时有陡门36座，因此又有 “陡河”之称。1986年11月，世界大坝委员 会的专家到灵渠考察，称赞“灵渠是世界古 代水利建筑的明珠，陡门是世界船闸之父。”
河流动力学
河流动力学河流动力学(riv e r d ynamic s)研究河流运动发展基本规律的一I丁学科。
水流使河床变化，河床影响水流结构，两者通过泥沙运动，相互作用，相互依存，相互制约，经常处于变化和发展的过程中。
河流动力学是从水流动力作用出发研究水流和河床泥沙之间的运动及相对平衡的规律，为整治河流提供理论依据。
研究内容包括河道水流结构，泥沙运动规律和河床演变规律等三部分。
水流平面图(river p1ane) 在平面上将河流分成若干流量相等的流束图形。
天然河流中的水流运动是三维问题，不易计算。
实际工程中采用一种近似的方法，假定同一垂线上的流向相同，流速等于瑟线平均流速，仅考虑纵向水流沿纵横两方向的变化，忽ßI各环流作用。
把三维空. 问问题近似地简化成二维平面问题。
水流平面图是将整个水流用合适的流线分成许多流束，使各流束通过的流量相等，各流束宽度、深度和平均流速则不相同。
同时划分出若干与流线正交的横断面线，将河流构成平面上的矩形流网。
通过水流平面图可了解垂线平均流速沿流程和沿断面'f~ 分布及流向的变化。
河床横断面(cross sec t ion ofcha丑丑e1) 垂直于水流方向的河床，3d 面。
水流方向是指水流动力轴线的方向，当洪水、中水、枯水流的动力轴线不一致时，选取河床横断面的方向也有所不同，应根据需要选定。
若研究防洪问题，应取与洪水的动力轴线垂直的断面为河床横断面，又称"大断面"。
若以航道整治为目的，取与枯水的动力轴线垂直的断而为河床横断面，主要研究枯水河床的边滩、浅滩、深槽等变化。
山区河流的横断面，因受河流下切作用，汩谷往往发育为"V" 形或"U" 形。
平原河流是从冲积层上流过，所经之处地势平坦，河谷宽阔，河床横断面呈抛物线形、不对称的三角形或复式"W" 形。
河床纵剖面(longitudin a l profileof channe1) 沿河流动力轴线所切取的河床剖面。
河流动力学C2
1、表述颗粒大小的各种测量
所测量的物理量 测量方法
定义（名称）
卵石、砾石
目测、量规 长、宽、高度
颗粒投影
千分尺
投影直径
小颗粒横切面 横切面的Amin
重量
放大图像后同上 薄片直径
筛析法
筛分粒径
天平
与颗粒ρ、G等的 球体直径
体积
体积计
二、含沙水体的流型
1、概念： 均质悬液处于剪切流动时，不同流层的
流速不同，不同流层间的剪切力作用使流体 微团产生变形，称为流变。其剪切变形率与 切应力的关系称为流变特性。
不同流变的类型称为流型。
2、基本分类 牛顿流体、理想塑性体、胡克型物体。
含沙水体的流型
流体类型
剪切应力的变化
牛顿流体
宾汉流体
流型
二、沉速的确定（明确基本概念后讨论公式） 1、注意事项 ① 核心问题：水流对泥沙的阻力。把泥沙看 作静止，相对的水流为运动的，运用流体运 动方程求解。 ②把泥沙简化为球体，按形状不同进行修正。 ③局限在一定粒径范围内的泥沙可按理论推 导，若干系数还需借助试验资料。 ④泥沙下沉有3种状态，故公式有所不同。
⑴ 此现象随含盐度↑而↑，但变化缓慢， 若在高含沙浓度时变化不明显。
§2-3 泥沙颗粒的沉速
⑵ 影响絮凝的因素：
① 盐度、水温—影响排斥力； ② 含沙浓度、紊动—增加碰撞几率，利于絮 凝，使ω↑，但反过来紊动易破坏已有絮团。 ⑶ “上清下浑”：（实验室）
当细颗粒浓度较低时，絮团互不相连，单 个絮团ω＞细颗粒个体ω；当S↑时，絮团相 连→絮网结构，其ω大幅↓，形成一个整体缓 慢下沉，在水体顶部呈现一个不断下降的清、 浑水交界面。
河流动力学——第三章课件PPT
河床上的沙垄与沙漠里的沙丘不存在本质上的不同。
只要是流体和沙粒的交界面，就会有床面形态，因此床面形 态在沙漠、冲积河流河床、碎屑滨岸带、深海海底都会出现。
在沙漠中，随着气流运动的不同、沙粒运动条件的 不同，可以出现多种多样的沙丘。
纵向沙丘
横向沙丘
河流的床面形态
宏观上看，冲积河流河床上最大的形态是 边滩(point bars)。它与河槽在平面上的摆 动有关。
床面形态——纵向条纹
平行于水流方向的形态包括大尺度的沙脊、微尺 度的纵向条纹。沙脊、纵向条纹等一般与流动中稳 定的二次流有密切联系。
沙漠中的纵向沙脊高约为100m ～400m，长可 达100km，一般也认为是由二次流作用形成的。
线状沙脊是广泛分布于潮控陆架上的巨大韵律性 海底地形。有人认为潮流塑造了这种脊、槽相间的 水下地形，将它们命名为潮流沙脊。也可以认为其 形成与二次流有关。
动床床面形态的分类
1. 低能态流区(Lower flow regime, 低水流区) ： 1) 沙纹(ripples) 2) 沙垄(dunes)
2. 过渡区(transition zone) ： 动平整床面(plane bed)
3. 高能态流区 (upper flow regime) : 1) 动平整床面 (plane bed ) 2) 逆行沙垄和驻波 (standing waves) 3) 急滩与深潭 (Chutes and pools)
床面形态是沙质推移质 运动过程中自然堆积形成 的有规律形状。
从水体运动的角度看来， 相当于在自由水面之外又 增加了一个自由面，自由 程度视床面的可动性而定。 所以又将动床条件下的水 流运动研究称为“松散边 界水力学”(动床水力 学)(Loose boundary hydraulics）
【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。
水文与水文地质
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（5）随着科技发展，又有：
随机水文学
模糊水文学等
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§1—3 水文学与给排水工程的关系
水文学是与给排水工程密切相关的一门学科。 主要研究从降水到径流入海这一段中地面径流的
水口位置的选择。
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四、河流的分段
1、河流
—— 江、河、溪、沟统称河流。
2、形成
—— 地面上的水在重力作用下，沿着陆地 表面上的线性凹地流动，从而形成河 流。
3、分段
—— 一条发育完整的河流，按河段的不同 特性，可分为以下几部分：
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（1）河源 ——河流的发源地。即开始具有地面水流的地方。
例如：泉水、冰川、溪涧
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（2）上游 ——紧接河源上端，奔流于深山峡谷中的一段河流。
特点
水流急， 落差大，冲刷
强烈。
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（3）中游
——上游以下的一段河流。
特点
比降变缓， 冲淤近乎平衡，流
量增大。
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§2—3
河川径流形成过程 及影响径流的因素
一、河川径流形成过程及其特征时期 1、径流的形成 以降雨补给河流为例
为了研 究方便， 通常可以将 径流的形成分 为四个阶段
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即：
指植物截留、下渗、
河流动力学
河流动力学河流动力学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科学。
河流动力学所研究的基本矛盾是水流与河床之间的矛盾。
发展简史在长期防治水害、兴修水利的生产实践中，古代对河流运动变化规律逐步有所认识。
15世纪意大利的达·芬奇首先采用观测和试验方法对河流水力学进行研究。
16世纪中叶中国的潘季驯提出"筑堤束水，以水攻沙"的治河原则。
1786年法国的P.杜布阿研究了泥沙起动、沙波形成、断面稳定、粗化作用和河流形态等问题。
1879年法国的P.迪布瓦创立推移质运动的拖曳力理论。
1895年英国R.肯尼迪提出冲积回流的“均衡”理论。
1931—1933年美国的M.P.奥布赖恩和苏联的B.M.马卡韦耶夫分别将紊流的扩散理论引用到悬移质运动。
1942年美国的H.A.爱因斯坦建立推移质运动统计理论，以后又与悬移质运动扩散理论结合形成了床沙质挟沙力计算方法。
20世纪40年代末至50年代初河流动力学逐渐发展成为一门独立的学科。
研究内容河流动力学主要研究水流与河床的相互作用规律。
内容包括①水流结构:研究水流内部运动特征及运动要素的空间分布;②泥沙运动:研究泥沙冲刷、搬运和堆积的机理;③河床演变:研究河流的河床形态、演变规律以及人为干扰引起的再造床过程;④河床变形预测:研究预测水流、泥沙运动及河床冲淤演变的方法。
河流动力学广泛应用水力学、水文学等学科的原理和方法处理问题。
河流动力学是治河工程、灌溉排水工程、水力发电、航道及港口工程等学科的理论基础之一。
它与地理科学、环境科学有着密切的关系。
研究方法河流动力学所要解决的问题十分复杂，研究中使用的方法主要有四种。
①现场观测:在天然河流上对水流、泥沙运动和河床演变现象进行直接观察和测量;②室内试验:在试验室内对水流泥沙运动的基本规律进行试验研究或对具体河段进行实体模型试验;③理论分析:利用物理学、力学、统计学等学科的基本原理和方法对河道水流泥沙运动和河床演变过程进行理论分析，求出各种问题的理论解;④数值计算:用数值计算方法借助电子计算机求出水流泥沙运动和河床演变问题的近似解，满足工程实践的需要。
(完整word版)河流动力学
1。
等容粒径（假定球体)D ： 算数品均值D ： 几何品均值（椭球体）D:泥沙级配曲线（群体性)：表示天然泥沙组成特性，在采集的代表沙样中，小于某种粒径的泥沙累计百分数与该粒径在半对数纸上的关系曲线.粒配曲线反映的特性⑴可反映沙样颗粒的大小和范围;⑵可反映沙样组成的均匀程度。
沙样的特征粒径：⑴平均粒径Dm ：粒径按其所占重量的百分比为权的加权平均值。
1100n i i m i P d d =∆⋅=∑，max min 2i d d d +=⑵中值粒径50d 表示在全部沙样中,大于和小于这一粒径的泥沙重量刚好相等。
求法:粒配曲线—P=50％天然沙的平均粒径常常大于中值粒径2。
细颗粒泥沙的物理化学特征.细颗粒泥沙在含有电解质的水中，颗粒周围会形成双电层。
通常细颗粒泥沙的主要成分是粘土矿物,它们在含有电解质的水中会发生两种可能：电解质中的离子吸附在泥沙颗粒表面；泥沙颗粒表面的分子发生离解。
不论哪种情况都使泥沙颗粒表面带有负电。
由于凝絮作用，细颗粒在沉积时会连结成絮团，絮团与絮团会连接成集合体，集合体还会搭连而形成网架。
絮凝的新沉积物是一个高度蜂窝状的结构,含水量很高，密度很低，这样的淤积物具有很低的抗剪强度或粘结力。
3。
沉速概念，泥沙沉降状态.单颗粒泥沙在无边界影响的静止清水中的匀速下沉的速度。
因数值主要和粒径有关，也称水力粗度，常用ω表示,单位：cm/s.沉降的形式,泥沙颗粒在静水中下沉时的运动状态与沙粒雷诺数Re d ωνd G ==沙粒性力水流粘Z 力（式中和d 、ω分别为泥沙的粒径及沉速，ν为水的运动粘滞性系数)①层流状态下降：Re d <0。
5,颗粒基本沿垂线下沉，颗粒不发生摆动、转动、滚动，周围水体不发生紊乱现象。
颗粒沉降属于层流状态，下降速度较慢,绕流阻力以摩擦阻力为主，压差阻力相对较小，d C 与Re d 呈直线关系②紊流状态下降：Re d >1000， 泥沙颗粒脱离铅垂线，以极大的紊动状态左摇右摆下沉,附近的水体产生强烈的绕动和涡动。
河流动力学-C2
1.068 s gd
(3) 过渡区 0.15mm<d<1.5mm
g2/3 s 2/3 1/ 3 ( ) d v
3.7 10.037T 0.081 [lg83( ) ] d0
12:13 10
二、 天然沙的沉速公式
14
三、 影响泥沙沉速的各种因素
3.不均匀沙的沉速 4.沉降筒直径对的沉速影响
5.紊动对泥沙沉速的影响
6.凝絮对泥沙沉速的影响
d 0.01mm
F 凝絮因子 F 0
12:13 15
1/ 3
1/ 3
粒径判数
Re 2 / 3 ( ) Fr
g
1/ 3
d
(lgSa 3.665)2 (lg 5.777)2 39
(2)紊流沉降 d>2.0mm 12:13
s 1.14 gd
11
二、 天然沙的沉速公式
5 规范推荐公式 《河流泥沙颗粒分析规程》
(1)低含沙量的情况
0 d 1 l
1/ 3 1 1.24 SV
d 1/ 3 1.24SV l
(2)高含沙量的情况
(1 SV )m 0
低含沙量 高含沙量
含沙量的影响 雷诺数的影响
m2 m2
Re d 0.1 Re d 500
12:13
m 4.65 4.91 m 2.39 2.65
3沙玉清公式 (1) 过渡区 0.062mm<d<2mm
沉速判数
d Re
Fr
( s ) gd
Sa Re
1/ 3
Fr
河流泥沙动力学
4.1泥沙起动的物理机理（1.0学时）
4.2均匀沙的起动条件（1.0学时）
4.3非均匀沙的起动条件（0.5学时）
4.4斜坡上泥沙的起动流速（0.5学时）
4.5止动和扬动流速（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。
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。
4
掌握
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
第八章 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。
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。
(最新整理)流体力学第三章流体动力学
Mz
(uz)dxdydzdt
z
dt时间内，控制体总净流出质量：
M M xM yM z(xux)(yuy)(zuz)d x d y d z
u d xd d y( id u v )d zx dd t yd zd t
由质量守恒：控制体总净流出质量，必等于控制体内由于
2021/7/26
密度变化而减少的质量，即
解：流线方程： dxdyx2y2c （流线是同心圆族）
ky kx
线变形： x y 0
（无线变形）
角变形： z 0
（无角变形）
旋转角速度：针的旋转）
2021/7/26
刚体旋转流动
36
有旋流动和无旋流动
1.有旋流动 2.无旋流动
0 0
即： x 0
y 0
z 0
uz u y y z ux uz z x
(2) 不可压缩流体中，流线的疏密程度反映了该时刻 流场中各点的速度大小，流线越密，流速越大，流 线越稀，流速越小。
（3）恒定流动中，流线的形状不随时间而改变，流 线与迹线重合；非恒定流动中，一般情况下，流线 的形状随时间而变化，流线与迹线不重合。
2021/7/26
12
例：速度场vx=a，vy=bt，vz=0（a、b为常数） 求:（1）流线方程及t =0、1、2时流线图；
2021/7/26
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A
B
A
B
A
B
0
12
3
4
56
A B
A
B
7
8
9
10
显然，渐变流是一种近似的均匀流。因此，渐变流有如 下性质： （1）渐变流的流线近于平行直线，过流断面近于平面； （2）渐变流过流断面上的动压强分布与静止流体压强分
泥沙起动理论2
基于特定水深的临界起动流速图解
在Shields曲线出现之前，临界起动条件表达为临界流速，即泥沙颗 粒起动时的断面平均流速。Hjulstrom (1935)分析了水深在1m以上的河流 中均匀沙运动的资料，提出了以沿水深平均的流速表达的临界起动条件， 如图。
此图的横、纵 坐标都没有把水 深作为一个变量 包括在内。
任意水深的临界起动流速UC：基于对数流速分布公式的推导
下两式都是临界条件式：
⎛ R′χ ⎞ ⎟ 12 . 27 = 5.75 lg⎜ ⎜ ks ⎟ τc ρ ⎠ ⎝ Uc
(γ
τc ρ
c
γ
− γ)
= gD
⎛ U*c D ⎞ f⎜ ⎜ ν ⎟ ⎟ ⎝ ⎠
将上两式的两边分别相乘，得到起动临界流速 Uc 的表达式： （消去τc，代之以临界Shields数Θc ）
U 2.3 ⎛ Rχ ⎞ ⎟ lg⎜ 12.27 = ⎜ κ ⎝ U* ks ⎟ ⎠
在试验水槽里观测得到的临界起动 剪切应力，表示起动时的“床面颗粒 受力临界值”，它应等于天然河道里 相同颗粒的临界起动剪切应力。
可以从此颗粒的临界起动剪切应力推算它在不 同水深下(不同规模的河道里)的临界起动流速。
河流动力学基础
[例] 对例4-2中三种粒径的泥沙颗粒， 分别采用对数型临界起动平均流速 解：设水力半径等于水深，即R=H=1.0m，Einstein修正系数χ=1.0，粗糙突
U c = 5.75 Θc 1 .0 ⎞ 12.27 γ s −γ ⎛ gD lg ⎜12.27 ⎟ = 23.1 D ⋅ Θc lg γ D⎠ D ⎝
河流动力学基础
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基于特定水深的临界起动流速 - 任意水深的临界起动流速Uc – 用对数流速公式推导Uc – 用指数流速公式推导Uc
河流动力学知识点汇总
河流动力学是以力学、统计学等方法研究河流在水流、泥沙和河床边界三者共同作用下的变化规律的学科。
河流动力学的研究内容：泥沙运动和河床演变。
Chapter1河流：河槽与其流动的水流。
水系：河流干流和支流的总体。
流域：河流的集水区，由分水线包围所构成。
水系形态规律：二相、三维、不恒定、不均匀。
河道级别——越支越低。
分枝比：级别为x河道数目与比x高一级别x+1河道数目的比值。
（1）河道分枝比规律：在任何一个流域内，水系的平均分枝比接近与一个常数。
（2）河道数量规律：在任何一个流域内，随着河道级别的增加，河道数目不断减少，十分接近与一递减的几何数列。
（3）河道平均长度规律：在任何一个流域内，某一级河道的平均长度与其低一级河道的平均长度的比值为一常数，随着河道级别的增加，河道的平均长度倾向与一递增的几何数列。
（4）河道平均纵比降规律：在任何一个流域内，随着河道级别的增加，河道的平均纵比降倾向与一列递减的几何数列。
（5）河道面积规律：在任何一个流域内。
随着河道级别的增加，河道的平均流域面积倾向与一列递增的几何数列。
直接测量等容粒径：相同体积球体的直径。
d=(6V/π)1/3d=(abc)1/3泥沙的粒径测量筛析法水析沉降法泥沙粒径频直方图泥沙粒径分布的描述方法泥沙粒径累计频率分布曲线！！！！泥沙的水下休止角：静水中的泥沙在颗粒之间的摩擦作用下可以堆积成一定角度的稳定倾斜面而不塌落，该倾斜面与水平面的夹角为泥沙的水下休止角。
Chapter2泥沙沉降速度：单颗泥沙在足够大的静止清水中等速下沉时的速度。
也称水力粗度。
泥沙颗粒在静水中下沉时的运动状态与沙粒雷诺数有关。
W=−13.95νd影响泥沙沉速的因素：颗粒形状、边壁条件、含沙浓度、紊动、絮凝。
在具有一定泥沙组成的床面上，逐渐增加水流强度，直到使床面泥沙有静止转入运动，这种现象称为泥沙的起动。
起动流速和起动拖拽力。
泥沙颗粒由静止状态变为运动状态的临界水流条件称为泥沙的起动条件。
第一讲河流动力学概述
参考书
沙玉清
钱宁
张瑞瑾
张小峰、刘兴年
邵学军王兴奎
朱鉴远
教学计划
泥沙运动力学 泥沙工程学 HEC-RAS的应用 ……
中国古代的治河名人（三人半？）
大禹（公元前21世纪）：
从“壅防百川，随高堙（音因）痺（音毕）”到 “疏川导滞”
李冰（公元前256年）：
蜀守冰凿离堆，辟沫水之害，穿二江成都之中。 水旱从人，不知饥馑，时无荒年，天下谓之天府也。
王景（公元69年，东汉）：分水分沙，滞洪放淤
“河、汴分流”；“十里立一水门，令更相洄注”。 黄河800年安宁。 从“疏、导” 到“筑堤束水，以水攻沙” “河务一团糟”，黄河无决溢最长仅10年。
学科体系
河流动力学
河道水力学
泥沙运动力学
河床演变学
河流模拟
泥沙工程学
狭义河流动力学
弯道水力学 洪水水力学 …… 模型试验 数学模型
治河工程 取水工程 水库工程 防洪工程 航道整治工程 ……
泥沙运动力学
（mechanics of sediment transport）
泥沙：受流体、冰川、重力等作用运动后 沉积下来的固体颗粒。 研究泥沙在流体中冲刷、搬运、沉积规律 的学科，是河流动力学的重要分支（另一 分支为河床演变学）。 特点：微观角度，力学方法为主。
泥沙的利与弊
利：
重要的工程材料 建筑地基 工业原料 淤灌农田
弊：
淤塞河道，抬高洪水
水库渠系的淤积失去作用 淤塞航道、码头影响通航 磨损水轮机、泄洪工程
无坝枢纽引水防沙
纵坡比计算河流水文学
36
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6.流域地貌 一般应从其形状和结构两方面来描述。 描述流域形状的有面积、大小、形状、起伏、方位等，描述流域
结构的有河网密度、高程等。
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河系及流域的定量地貌学研究是从Horton开始的，他在 1945年发表的“河系及其流域的浸蚀发展：定量地貌学的水文 物理途径”是这方面的先导。
黄河上游平均比降约为1/1000；中游为1/1400；下游为 1/8000~1/10000。
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• 河道纵比降
任意河段两端（水面或河底）的高差 河道纵比降，简称比降。
称为落差，单位河长的落差称为
当河段纵断面近于直线时，比降计算公式为：
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当河底高程沿程变化时，可在纵断面图上从下断面河床处作一斜线，使斜线以下的 面积与原河底线以下面积相等，该斜线的坡度即为河道的平均比降，计算公式为：
44
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（3）Strahler分级法（1953） 规定：从河源出发的河流为1级河流，同级的两条河流交汇所形成的河流的级要增加1级，不同级的
两条河流交汇所形成的河流的级为两者中较高者。
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Strahler分级法与 Horton分级法之间的关 系为：每条w级Horton河 流由w条1至w级的 Strahler河流首尾相连而 成，而每条Strahler河流 只是一条Horton河流的 一部分。这就表明， Strahler分级法不可能像 Horton分级法一样，把 较高级河流 一直延伸到河 源，从而总是把通过全流 域水量及泥沙量的河流作 为一个河系的最高级河流。
第五达西定律
岩层的渗透性分类
均质各向同性
均质各向异性 非均质各向同性 非均质各向异性
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5.4 达西定律的物理实质及其应用
已知K、W，求 Q = ？
pA
HA
A
ZA 0
H
W
B
K LA-B
Q=KIW
I = (HA-HB)/LA-B I = (HA-HB)/LA-B = H/LA-B
实际过水断面ω ′：扣除结合水所占据范围以外的空隙面积，也就是重力水所占 据的空隙面积 。
ne
有效孔隙度ne：重力水流动的空隙体积（不包括不连通的死孔隙和不 流动结合水所占据的空间）与岩石体积之比。
。
ω 第8页/共33页
ω′
• 渗透流速V与实际流速u
Q V u
ne
V ne u
ω，V
ω'，u
H B′=ZB′+pB′/γ= -h+h=0
HA= L-h
I = （HA-HB′）/L = （L-h）/ L
ZB′= 0， pB′/γ= h
H B′=ZB′+pB′/γ= 0+h=h
HA= L
I = （HA-HB′）/L = （L-h）/ L
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相关概念
5.5 流网及其应用
渗流场：地下水的流动空间。
1
V KI 2
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5.3 岩层渗透性分类
• 按 K与空间坐标的关系划分，即不同位置K是否相同
均质岩层 非均质岩层 按同一点不同方向的K是否相同 各向同性介质 同一点各方向上渗透性相同 Kx=Ky=Kz=K; 各向同性介质中K为标量。
各向异性介质 同一点不同方向上渗透性不同 Kx Ky 或 Kx Kz或 Ky Kz 各向异性介质中K为张量。
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§2-1 单个颗粒的特性
☆ 泥沙颗粒不同外形的成因分析： ⑴ 与组成泥沙的原生矿物外形有关
岩石由不同矿物组合而成，不同矿物的 比重、硬度各有差异，所以构成的岩石碎屑 物在抵抗水流的冲刷时结果也不同，导致了 泥颗形状各有千秋，在细颗粒沙中尤为明显。
与颗粒同体积的球体直径（等容粒 径）和颗粒外接球直径之比。 ⑶ 整体形状 ⑷ 表面结构
§2-1 单个颗粒的特性
2、 形状及其成因 最初形状取决于岩石母质和风化作用，
随后在输运过程中受到物理、化学、和生物 作用不断改变形状，最终成形取决于搬运介 质（水、空气、冰川运动）和搬运方式（滑 动、滚动、悬浮等）。
粗颗粒沙因其自身体积、重力大，在水 流作用下，颗粒间碰撞的能量大，棱角易磨 损，外形较光滑；细颗粒沙体积、重力小， 除了较软组成矿物易磨损外，较硬矿物组成 的不易磨损，故有的棱角分明，有的不明显。 更细的粒径小于0.1mm的泥沙，除了上述原 因而保持棱角外，还有分子薄膜水在起作用 （保护）。
§2-1 单个颗粒的特性
重矿物的分布范围一般局限在特定岩层中，所 以在河流沙样中采集到某种重矿时表示上游流域分 布有与之相应的岩层，此功能称为示源功能。
重矿比较稳定、硬度大，在河流中被运输时磨 损较小，是较理想的示源矿物。在河流上、下游各 断面收集沙样并分析其重矿成分可推知河流泥沙的 来源。
§2-2 颗粒的群体特性
一、沙样的粒径分布 1、分级标准 按几何级数变化的粒径尺度作为标准 2、粒径分布特征值 ⑴ 中值粒径D50 ⑵ 算术平均粒径Dm ⑶ 几何平均粒径Dmg
三、颗粒的密度、容重、比重 1、颗粒的密度ρs： 颗粒单位体积内所含的质量。 2、容重γs： 泥颗的实有重量与实有体积的比值（排 除孔隙率在外），由颗粒的矿物组成决定。 3、比重： 固体颗粒重量与同体积4℃水的重量之比。
§2-1 单个颗粒的特性
组成泥沙颗粒的矿物一般可分为胶体分散矿物、 轻矿物和重矿物。比重大于2.8的矿物称重矿物。
等容粒径
沉速
沉降筒、离心机 沉降粒径
§2-1 单个颗粒的特性
2、常用的粒径定义和计算 ⑴ 等容粒径
定义：与泥沙颗粒体积相同的球体直径
公式：
Dn
(6V)13
(6W)13
s
⑵筛分粒径 D1<D<D2 ⑶沉降粒径 D<0.1mm的细沙 水析法测颗粒在静
水中沉速
§2-1 单个颗粒的特性
★ 粒径是泥沙的一个重要性质，它不仅直 接代表泥沙颗粒的粗细程度，而且与泥沙的 许多其他特性紧密关联。
序言
通常我们把组成河床和随水流运动 的小颗粒矿物质叫做泥沙，但在本门文 献中也常常给予它广义的涵义，除了小 颗粒矿物质外还包括砾石和卵石。 某一河段内水流中的泥沙颗粒既可 能直接来自于流域，也可能是从上游河 床上冲刷起动而来的。水体挟带了大量 泥沙后，可能会引起某些物理特性发生 变化，如：流变性质。
河流泥沙运动的一些现象，如：床面沙波形 态、河渠护岸、桥渡冲刷等局部河床变形过程， 都与之相关。其量值与颗粒群体的级配、特征粒 径、颗粒形状、表面光滑度等有关。粒径0.5mm
以上的无粘性沙，其棱角越尖利，则 越大。
★§2-3 泥沙颗粒的沉速
静水中的沉速是泥沙颗粒的重要基本特 性，也是泥沙运动理论中重要的参数。 一、基本概念
⑴ 定义：颗粒沉降受到的阻力。（圆球 颗粒） Fma0 (G、F)
§2-3 泥沙颗粒的沉速
⑵ 分类：
① 表面阻力
水体与球面接触处发生的表面摩擦力， 大部分产生在迎水表面。
② 形状阻力
迎水面和背水面的压力差，也称“压差 阻力”。由颗粒背水面分离漩涡造成，因与 颗粒形状有关（不同性质产生阻力不同）， 由此得名。
不等颗粒组成，其粒径范围变化较大，对不 同范围，有专门的定义和测量方法。
1、表述颗粒大小的各种测量
所测量的物理量 测量方法
定义（名称）
卵石、砾石
目测、量规 长、宽、高度
颗粒投影
千分尺
投影直径
小颗粒横切面 横切面的Amin
重量
放大图像后同上 筛析法
天平
薄片直径
筛分粒径
与颗粒ρ、G等 的球体直径
体积
体积计
§2-1 单个颗粒的特性
⑵ 与搬运的距离和时间有关 一般来说，进入河床的泥沙其搬运距离
和时间较短的则棱角较多，磨圆度较差；反 之亦然。这在现场查勘时很容易发现：在砾 石河床中发现其粒径突然有明显不同（形状 明显变化），说明附近不是有崩塌碎屑物就 是可能有支流的汇入。
§2-1 单个颗粒的特性
⑶ 水流的塑造能力
1、定义：泥沙在静水中匀速下沉时的速度。 记为ω，单位cm/s。
在静止清水中，开始下沉时（γs＞γ ）呈 加速运动（时间很短），不久保持匀速下沉 （持久）。衡量泥沙的粗细用水力特征指标 来表示，故称“水力粗度”。
§2-3 泥沙颗粒的沉速
2、研究意义 沉降规律是泥沙运动基本规律之一。ω
越大，沉降几率大，易造成河床淤积，反 之亦然。故沉速既影响河床淤积，又是水 析法确定粒径的依据。 3、绕流阻力
§2-2 颗粒的群体特性
二、淤积物的干容重γs’ 1、概念 单位体积沙样干燥后（105 ℃ ）的重量。
由于颗粒间存在孔隙，干容重一般小于单个 颗粒的容重。 2、影响因素 ⑴ 粒径组成 ⑵ 淤积历时 ⑶ 埋藏的深度和环境
§2-2 颗粒的群体特性
三、泥沙的水下休止角
将静水中的泥沙颗粒堆积起来，其堆积体边 坡形成的稳定倾面与水平面的夹角。
粘性沙（较细）与非粘性沙（较粗）在 同一水流交互作用过程中表现不同情况：较 细的泥沙有较大的孔隙率和较小的干容重， 较粗的相反；细颗粒沙多半棱角峥嵘，而粗 砂失去棱角。故面对具体的河流时，必须弄 清组成河床（渠底）的泥沙粒径及水流挟带 的泥沙粒径是怎样的。
§2-1 单个颗粒的特性
二、颗粒的形状 1、几何特征 ⑴ 圆度：颗粒棱和角的尖锐程度。 ⑵ 球度：
§2-1 单个颗粒的特性
泥沙颗粒（沉积物碎屑）的粒径变化范 围较大（0.001~100mm），研究其运动时一 般不能概化为连续介质，故需对单颗粒泥沙 的性质进行定量、精确的描述，有时还需对 其运动过程（滚动、跃移等）进行详细研究。
一、颗粒的大小——粒径（粒度） 天然泥沙颗粒的形状不规则，常由大小