河道水流和泥沙的一般特性
河流动力学复习整理
（0）河流动力学概念:研究冲积河流在自然状态下以及受人工建筑物影响以后河道水流、泥沙运动规律和河床演变规律及其应用的学科。
主要研究内容: 水流结构：研究水流内部运动特征及运动要素的空间分布;泥沙运动：研究泥沙冲刷、搬运和堆积的机理; 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; 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.研究方法: 理论分析, 室内试验,现场观测，数值计算（1）河道水流的基本特性：河道水流的二相特性；河道水流的三维性；河道水流的不恒定性；河道水流的不均匀性河道水流的水流结构：主流，副流，环流二维明渠流速的分布规律：1.直线层，也成粘滞底层，切应力只有粘滞切力，流速按直线分布2.过渡层，粘滞切力与紊动切力同时存在，流动是层流和紊流的过渡区，该层没有统一的流速分布公式，近似按直线层或对数层公式计算3.对数层，切应力主要是紊动切应力，流速按对数分布4外层区.在对数层以上到水面的区间，切力主要是紊动力，流速分布常以缺速公式表示，故也称缺速区。
流速分布要受上部边界影响，与边壁糙率也有一定关系。
河道水流阻力分解图：见ppt1 76页明渠二维流的阻力损失表达方式：见ppt1 77页（3）按运动状态分，泥沙的运动形式有：（床沙），推移质、悬移质泥沙交换现象：推移质泥沙运动特点：间歇性、置换性、速度小、跳跃性、数量少、消耗时均能量 悬移质泥沙运动特点：速度大、悬浮性、置换性、数量多、消耗紊动能冲泄质：河流挟带的泥沙中粒径较细的部分，且在河床中数量很少或基本不存在的泥沙。
床沙质：河流挟带的泥沙中粒径较粗的部分，且在河床中大量存在的泥沙。
两者主要区别：1.前者是非造床质泥沙，后者是造床质。
2.前者粒径较小，后者粒径较大3.前者在水流中的含量不仅取决于水流条件，还与河段上游流域供沙条件有关。
推移质~悬移质与床沙质~冲泄质命名的区别：前者按运动方式分；后者按造床作用、颗粒大小和泥沙来源分。
第三章 泥沙特性
泥沙颗粒）的双电层。
+
+ +
+
+吸
++ + +
附
层
扩散层
内 泥沙颗粒 层 外层 中性水
双电层
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1、泥沙颗粒周围的双电层
2、双电层的外层 ①、吸附层 ②、扩散层
①、吸附层（固定 层，不活动层）
紧靠内层的反离子， 由于受静电引力大， 便与颗粒表面牢固 地结合在一起，称 吸附层。
++ + +
+
+
+ ++
c很缓，粒径变 化范围大，各组 粒径含量接近， 组成不均匀，级 配良好
请想想:砼搅拌中要求组成沙级配良好，对应均匀沙或非均匀沙？
第三章 泥沙特性
1.1 泥沙的几何特性
(二)沙样组成与粒配曲线
第三章 泥沙特性
1.1 泥沙的几何特性
(二)沙样组成与粒配曲线
1.1.2
第三章 泥沙特性
1.1 泥沙的几何特性
+ +
+ +
+ +
+
+ +
+
+吸
++ + +
附
层
内 泥沙颗粒 层 外层
双电层
扩散层 中性水
33
1、泥沙颗粒周围的双电层 2、双电层的外层 ①、吸附层 ②、扩散层
②、扩散层（活动层）
扩散层：距内层较远的 反离子与颗粒表面结合 的就不牢固，具有一定 的活动性，这一层叫做 扩散层。
++ + +
泥沙动水沉降速度
泥沙动水沉降速度1. 引言泥沙动水沉降速度是指在水流中泥沙颗粒由于重力作用下沉降的速度。
泥沙动水沉降速度的研究对于河流、湖泊、海洋等水体的水质管理和水资源开发具有重要意义。
本文将从泥沙的特性、沉降速度的计算方法、影响因素以及应用领域等方面进行详细介绍。
2. 泥沙的特性泥沙是指由颗粒状固体物质组成的悬浮物质，在自然界中广泛存在于河流、湖泊、海洋等水体中。
泥沙颗粒的大小可以从粉尘级别到沙砾级别不等，其主要成分包括矿物质、有机质和水分。
泥沙颗粒的形状和密度是影响其沉降速度的重要因素。
通常情况下，颗粒越大、形状越规则，其沉降速度越快。
此外，泥沙颗粒的密度也会影响其沉降速度，密度越大的颗粒沉降速度越快。
3. 沉降速度的计算方法泥沙动水沉降速度的计算方法有多种，常用的方法包括斯托克斯公式和牛顿公式。
3.1 斯托克斯公式斯托克斯公式是根据颗粒在流体中的受力平衡原理推导出来的。
公式如下：V=2g(d p−d f)9η其中，V表示沉降速度，g表示重力加速度，d p表示颗粒的密度，d f表示流体的密度，η表示流体的粘度。
3.2 牛顿公式牛顿公式是根据颗粒在流体中的运动规律推导出来的。
公式如下：V=F m其中，V表示沉降速度，F表示颗粒所受到的重力，m表示颗粒的质量。
4. 影响因素泥沙动水沉降速度受到多种因素的影响，主要包括颗粒大小、形状、密度以及流体的粘度等。
4.1 颗粒大小和形状颗粒大小和形状是影响泥沙动水沉降速度的重要因素。
通常情况下，颗粒越大、形状越规则，其沉降速度越快。
4.2 颗粒密度颗粒密度是指单位体积颗粒的质量，也是影响沉降速度的重要因素。
密度越大的颗粒沉降速度越快。
4.3 流体粘度流体的粘度是指流体内部分子间相互作用力的大小，也是影响泥沙动水沉降速度的重要因素。
粘度越大的流体，泥沙颗粒的沉降速度越慢。
5. 应用领域泥沙动水沉降速度的研究在许多领域中具有重要应用价值。
5.1 水质管理了解泥沙动水沉降速度可以帮助我们评估水体中的悬浮物质沉降速度，从而更好地进行水质管理。
第三节 河流泥沙的基本特性
第三节河流泥沙的基本特性一、几何特性泥沙的几何特性指泥沙颗粒的形状、粒径及其组成。
泥沙的形状棱角峥嵘、极不规则，常可近似地视为球体或椭球体。
泥沙粒径的求法：对于较大颗粒的卵石、砾石，可以通过称重求其等容粒径。
所谓等容粒径，就是体积V与泥沙颗粒体积相等的球体的直径，即d=(6V/π)1/3。
或者，通过量出颗粒的长轴a、中轴b、短轴c，算其几何平均粒径 d=abc，这实际上是将泥沙颗粒视为椭球体而求得的椭球体的等容粒径。
对于较细颗粒的泥沙，实际工作中，通常采取筛分析法或沉降分析法求其粒径。
筛析法的作法是，将孔径不同的公制标准筛，按孔径上大下小原则叠置在一起，放在振动机上，将沙样倒在最上一级筛上，把经振动后恰通过的筛孔孔径作为该颗粒的粒径，并称此粒径为筛径。
采用沉降法求其粒径并称为沉降Array粒径，其原理是，通过测量沙粒在静水中的沉降速度，按照粒径与沉速的关系式((3-2))反算出粒径。
泥沙的组成常用粒配曲线表示。
即通过沙样颗粒分析，求出其中各粒径级泥沙的重量及小于某粒径泥沙的总重量，算出小于某粒径的泥沙占总沙样的重量百分数，在半对数纸上图3-3 半对数纸上的泥沙粒配曲线绘制如图3-3 所示的泥沙粒配曲线。
据此粒配曲线，可反映沙样粒径的粗细及其组成的均匀性。
如图3-3 所示，Ⅰ、Ⅱ两组沙样相比较，沙样Ⅰ的组成要粗些、均匀些；沙样Ⅱ的组成要细些、不均匀些。
根据图3-2示粒配曲线，易于确知沙样的中值粒径d50。
它的意义是，沙样中大于和小于这一粒径的泥沙重量各占50％。
在实际工作中，通常可以中值粒径d50作为沙样的代表粒径。
二、重力特性1．泥沙的容重与密度泥沙颗粒实有重量与实有体积的比值，称为泥沙的容重γS，单位为N／m3。
泥沙颗粒实有质量与实有体积的比值，称为泥沙的密度ρs，单位为t／m3或kg ／m3。
泥沙的容重γS 与密度ρs 的关系：γS =ρs .g 。
这里g 为重力加速度。
工程上，泥沙密度常取ρs =2.65t/m 3 = 2650 kg ／m 3由于河流泥沙处在水中运动，其实际容重应为（γS -γ），因此在工作中，常采用有效容重系数a 表示其重力特性。
水文学原理-第11章 河流泥沙
随水流运动以及构成河床的固体颗粒称为河流泥沙，又称固 体径流，它不仅包括在水流中运动或相对静止的粗细泥沙， 还包括河道中的砾石与卵石。
泥沙运动和沉积是河流中重要的水文现象，对河流水文情势、 河流发育以及河床演变影响极大。鉴于我国大多数河流挟带 泥沙，兴修水利工程（防洪、航运、灌溉、发电、港口码头） 和进行流域治理时，不仅需要研究河流水文情势，也要考虑 与之相伴的泥沙运动状况。
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上述泥沙粒径频率分布曲线与泥沙粒径累积频率分布曲线统称为泥 沙粒径级配曲线。 天然河流河床的泥沙粒径级配曲线形态会因河流类型不同而不同。
许多山区河流河床泥沙粒径频率分布曲线存在明显的双峰，一个 峰对应粗卵石和细砾石，另一个峰对应粗砂，相应累积频率曲线 呈现为板凳状。这是因为除了较难冲动的粗大卵石以外，细小的 砂子可以填塞到粗大卵石组成的骨架空隙中，冲刷较少，因而含 量较高。当然也有的山区河流床的泥沙粒径频率分布曲线只有一 个单峰。
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比重——固体泥沙颗粒重量与同体积4℃水的重量之比。无量纲，
一般泥沙比重：=2.65
有效容重系数（有效密度系数）：泥沙在水中运动状态，既与泥沙
容重有关，又与水的容重有关，在分析计算时，常出现相对数值，为
简便起见，常取a=1.65.
a s
a s
4
1、坡面侵蚀 流域表层的土壤或岩石碎屑在风吹日晒、水冲以及地球重力的 作用下，从原来所处状态剥离、冲刷、搬运而随径流注入河道 的水土流失过程，称为坡面侵蚀。 坡面侵蚀从形态上又有层状、沟状、陷穴、滑坡、塌岸等侵蚀 类型。
2020年2月1日
当降水发生在较为平整、植被 较差的坡面上所形成的漫流会 将土壤或岩石碎屑成层剥蚀， 即层状侵蚀。
第2章_泥沙的一般特性
• （2）化学风化——次生矿物 如：次生二氧化硅，蒙脱石，高岭土等
§2-2 泥沙的矿物组成
二、矿物的物理特性
• （1） 比重 ——矿物容重与水容重之比。 泥沙的比重一般都在2.60~2.70之间，通常取用
2.65 • （2） 硬度
——硬度是表示矿物抵抗外界机械作用的能力。 综合统计，长江悬沙中硬度>5的矿物平均约达 80%，而水轮机过流部件金属材料硬度一般<5， 这是过流金属部件受磨损的基本原因。
⑴沙样越粗，孔隙率越小； 粗砂：39～40％；中沙：41～48％；细沙：44-49％；粘
土絮凝后可达90％ ⑵均匀沙的孔隙率最大； ⑶形状圆滑的、棱角不分明的沙样孔隙率较小； ⑷沉积时间越长，孔隙率越小。
筛孔孔径 D
(mm) 1.168 0.833 0.589 0.417 0.295 0.208 0.147 0.104 0.074
上下两筛中径 Di
(mm) 1.001 0.711 0.503 0.356 0.252 0.178 0.126 0.089
介于上下两筛孔间的重量百 分比△pi
(%) 0.48 5.29 21.68 52.23 18.39 1.48 0.1 0.05
四、比表面积
（1）定义——泥沙颗粒的表面积与其体积之比。
e
D 2 D3 / 6
6 D
（2）比表面积的意义
颗粒越小，比表面积越大；
反映泥沙颗粒的物化作用与重力作用的相对大小，其值 越大，物化 作用就越大。
1.1
泥沙颗粒的形状及其成因
•泥沙颗粒的最初形状取决于岩石母质和风化作用， 随后在输运过程中因继续受到物理、化学及生物作用 而不断改变其形状，改变的程度或最终形成的形状取 决于搬运介质（水、空气和冰川运动）和搬运方式 （滑动、滚动、跳动、悬浮或颗粒流等）
水利工程中的泥沙运动机理
水利工程中的泥沙运动机理水利工程是指利用水资源进行工程建设，包括水库、水电站、灌溉系统等。
而泥沙运动机理是指在水利工程中，泥沙物质在水体中的运动规律和机制。
了解泥沙运动机理对于水利工程的设计和管理至关重要。
本文将讨论水利工程中的泥沙运动机理，探讨其影响因素和相应的措施。
一、泥沙的组成和来源泥沙是由岩石破碎或岩石化学风化、机械风化等作用形成的细粒颗粒物质。
它由砂粒、粘土、泥等不同颗粒大小和成分的颗粒组成。
泥沙主要来自于山区的岩石破碎、土壤侵蚀和河床的沉积物等。
在大范围的土地利用和人类活动的影响下，泥沙的来源和组成也可能发生变化。
二、泥沙运动的类型和形态泥沙的运动类型主要有悬移质运动和底床质运动。
悬移质运动是指泥沙颗粒被水流携带而悬浮在水中运动；底床质运动是指泥沙颗粒因重力或其他力的作用被推动在河床上滚动、跳跃和滑动。
泥沙在水利工程中的运动形态有河道泥沙输沙、冲淤变化，水库泥沙淤积和土石坝损坏等。
泥沙的运动形态和特点取决于其粒径、密度、含水率、粘性等物理特性以及水流的流速、流态等。
大颗粒泥沙通常在较快的水流中运动，而小颗粒泥沙则更容易悬浮在水中。
含水率高的泥沙更容易形成泥浆，而含水率低的泥沙则更易形成干沙。
三、泥沙运动的影响因素泥沙运动受到多种因素的影响，其中包括河流水流参数、河床形态、泥沙特性等。
1. 水流参数：水流的流速、流态和剪切力是影响泥沙运动的关键参数。
较快的流速和流态有利于泥沙的悬移运动，而较慢的流速和流态则促使泥沙形成沉积物。
剪切力是指水流对河床和泥沙颗粒施加的剪切作用，其大小直接影响着泥沙的运动能力。
2. 河床形态：河床的形态对泥沙运动有重要影响。
河道的宽度、深度、坡度和曲率等参数直接决定了水流速度和流态的分布。
此外，河床的粗糙度、纹理和净空率等也对泥沙运动产生影响。
3. 泥沙特性：包括泥沙颗粒的粒径分布、粒度组成、孔隙度、含水率、粘性等。
这些物理特性会影响泥沙的输运和沉积特征。
粒径较大的泥沙颗粒通常具有较好的输移能力，而较小的颗粒则更容易悬浮在水中。
第4章 河流泥沙运动规律
第一节 河流泥沙特性
河流泥沙运动规律与泥沙的特性密切相关。因此，在研究河流泥沙运动规律之前，首先
要了解泥沙的特性。
（一）河流泥沙的分类
河流泥沙分类方法有多种，如按泥沙粒径的大小进行分类，按泥沙在河流中的运动状态
分类等，这里主要介绍这两种分类的方法。
1．按泥沙粒径的大小分类
河流泥沙粒径，大至 1～2m 的漂石，小至 0.004mm 以下黏粒，大小相差可达数百万倍。
2．泥沙颗粒级配特性 河流中的泥沙是由许许多多粒径不同的泥沙颗粒组成。从这些泥沙中取出一部分有代表 性的沙样进行颗粒分析，沙样中各种粒径的泥沙相对含量（以百分比计），称为泥沙的颗粒 级配。泥沙的颗粒级配常用粒配曲线表示，这种粒配曲线通常都画在半对数坐标纸上，其横 坐标为粒径，纵坐标为小于此粒径的泥沙占沙样总重量或质量的百分比，如图 4-1 所示。泥 沙的颗粒级配特性是影响泥沙运动的主要因素。 在解决实际问题时，为了便于分析，常将床沙、推移质和悬移质 3 种泥沙的颗粒级配曲 线绘在同一张图上，如图 4-1 所示。从图中可以看出，悬移质的沙样颗粒较推移质的为小， 而推移质的沙样较床沙的均匀。推移质、床沙和悬移质 3 者比较起来悬移质最细，床沙最粗， 曲线亦相应自右至左分布。
漂石
＜0.004 0.004～0.062 0.062～2.0 2.0～16.0 16.0～250.0 ＞250.0
2．按泥沙在河流中的运动状态分类 按照泥沙的运动状态，可将泥沙分为床沙(亦称河床质)、推移质及悬移质 3 大类。床沙 是组成河床表面静止的泥沙。推移质是沿河床床面滚动、滑动或跳跃前进的泥沙，一般粒径 比较粗。它们是由近底水流对床面颗粒在绕流运动过程中所产生的水流作用力推动的结果， 它们的运动范围都在床面附近的区域。推移质运动呈明显的间歇性，往往运动一阵，停止一 阵。运动时为推移质，静止时为床沙，推移质与床沙经常彼此交换。当河床上有一定数量的 推移质向前运动的时候，河床表面往往形成起伏的沙波。推移质前进的速度远较水流速度为 小，但它在水流作用下，有一个增速过程，即运动速度由小到大。这种增速过程，要消耗水 流的能量。悬移质是随水流浮游前进的泥沙，一般粒径较小。悬移质运动的速度基本上与水 流运动速度相同，浮游的位置时上时下，较细的泥沙能上升至接近水面，较粗的泥沙有时甚 至回到河床上与床沙发生置换。维持泥沙悬浮的能量，来自水流的紊动动能。在靠近床面附 近，各种泥沙在不断地交换，推移质与床沙之间，悬移质和推移质之间都在交换，很难把它 们截然分开。就同一种粒径的泥沙来说，在某一河段可能是停止不动的床沙，在另一河段可 能作推移质或悬移质运动。在同一断面上亦因流速不同，会出现不同的运动状态，因此泥沙 运动状态除取决于泥沙本身的粒径外还取决于水流条件。 （二）泥沙的几何特性 1．泥沙颗粒的形状和大小 河流泥沙形状极不规则。常见的卵石、砾石，外形比较圆滑，有圆球状的，有椭球状的 也有片状的，但均无尖角和棱线。沙类和粉土类泥沙外形多有尖角和棱线。黏土类泥沙一般 呈扁平状或针状。泥沙颗粒的形状，常用球度系数表示，它是指泥沙颗粒的实际表面积与之 等体积的球体的表面积之比，其表达式如下：
河流动力学2-泥沙特性
Chap1 泥沙特性本章知识要点：泥沙粒径表达形式泥沙的组成与粒配曲线比表面积的意义双电层与结合水泥沙干容重及其影响因素泥沙沉速与层流、紊流、过渡区絮凝现象● 泥沙来源：①流域地表冲蚀而来；②从原河床上冲起的。
● 土壤侵蚀最严重的黄河中游的黄土高原永定河和西辽河流域，相当于地表每年普遍冲掉0.6毫米的厚度，加上人类活动，如盲目开垦等，含沙量很高的正是黄河中游的一些干支流，年均含沙量高达300公斤/m 2以上，而南部一些省份，年均含沙量不足1公斤/m 2。
§1－1 泥沙的几何特性一、泥沙的粒径● 泥沙的不同形状与它们在水流中的运动状态有关，较粗的沿河底推移前进，碰撞机会多，动量较大易磨损；反之不易磨损而保持棱角峥嵘的外貌。
为比较不同泥沙颗粒的形状、大小的异同，必须有某些指标对它们进行对比。
泥沙的形状的表达方式● 球度系数：（因为泥沙接近于球体，所以以球体作参照物）与沙粒等体积的球体的表面积与泥沙的实际表面积之比（与球接近的程度）。
研究表明，球度系数相等的两颗泥沙，在水中的流体动力特性大致相同。
由于球度系数难以测定（V 可用排水、称重法确定，但表面积难以测定），常用泥沙的长、中、短三个轴a, b, c ，按下式近似表示：Φ=1942年克来拜因提出）● 形状系数：ab c S P = 1、 等容粒径：泥沙颗粒的大小通常用泥沙颗粒直径来表示，泥沙颗粒形状不规则，难以确定泥沙的粒径，实际中采用等容粒径来表示。
即：与泥沙颗粒体积相等的球体直径。
（泥沙体积可用称重、排水等方法测出：W V g ρ=）——对比水力学中表面粗糙度的∆确定 136V d π⎛⎫= ⎪⎝⎭ 式中：V 为泥沙颗粒的体积。
2、算术平均粒径：用长、中、短轴（a 、b 、c ）的算数平均值来表征泥沙粒径1()3d a b c =++3、几何平均粒径：d =当泥沙形状为椭球体时，等容粒径与几何平均粒径相同（V=лabc/6=лd 3/6）4、中轴长度：接近而偏大于几何平均粒径（较粗天然沙测量的结果）5、筛径：仅对于单颗的卵石、砾石等可以通过称重，再除以泥沙的重率，得到体积而后求其等容粒径，或直接量测其三轴长度，再求其平均值。
河床演变基本原理
河床演变基本原理王浩霖 201101021530摘要：河床演变是指自然情况下及修建整治建筑物后河床发生的冲淤变化过程。
广义上是指河流形成和发展的整个历史过程；狭义方面则仅限于近代冲积河床的演变发展。
天然河流总是处在不断发展变化过程之中。
而且天然河流的河床形态复杂，演变规律差异很大。
人类在开发利用河流的过程中，要有效地整治河流，必须充分认识河床演变的基本原理及各类河床特殊的演变规律。
本文着重讨论平原冲积河流的问题，但所阐明的基本原理对具有一定冲积层的山区河流也是适用的。
关键字：河床演变基本原理平原冲积河流河型一、平原冲积河流的一般特性1.河床形态与山区河流不同，平原河流的河床形态是在特定条件下水流与河床相互作用的结果，因而具有较强的规律性。
平原河流在平面上具有顺直、弯曲、分汊、散乱等四种外形。
其横断面可概括为抛物线形、不对称三角形、马鞍形和多汊形等四类。
河漫滩和成型堆积体是河床形态中涉及的两个基本概念。
河漫滩是位于中水河槽两侧，在洪水时能被淹没的高滩。
河漫滩既有由侵蚀作用造成的，如石质河漫滩，多见于山区河流，滩面较窄，且向中水河槽一侧倾斜；更多的是由堆积作用造成的，如冲积河漫滩，多见于平原河流，滩面较宽，左右河漫滩分别向两侧倾斜，这是洪水漫滩落淤的结果。
成型堆积体是冲积河流的河底分布着各种形式的大尺度沙丘（尺度远大于沙坡）的统称。
成型堆积体的尺度，包括宽度、深度和长度，和河流的尺度（河宽和水深），是同数量级的。
成型堆积体经常处于发展变化之中，是平原河流河床演变中最活跃的因素。
2.河道水流的一般特性2.1河道水流的基本性质（1）河道水流的二相流特性。
天然河道的明渠流是挟带着泥沙的水流运动，本质上属于二相流。
（2）河道水流的三维性。
河道水流的过水断面一般是不规则的，因此河道水流为三维流动。
过水断面的宽深比愈小，三维性愈强烈。
（3）河道水流的不恒定性。
一方面，来水来沙情况随时空的变化；另一方面，由于河床经常处于演变之中，因此河道水流的边界也随时空变化。
平原冲积河流一般特性河床演变分类和影响因素
平原冲积河流一般特性河床演变分类和影响因素1.河道水流平缓：由于河道的地势平坦，水流缓慢，不会产生急流、瀑布等现象。
河流的流速较慢，因此河床维持在一个相对稳定的状态。
2.河床宽阔：平原冲积河流河床相对较宽，主要是由于河流的冲刷能力相对较弱，在运送沉积物时会形成较为宽阔的河床。
3.河流泥沙含量高：由于河流经过的地区通常具有较为丰富的泥沙，因此平原冲积河流的水体中泥沙含量较高。
4.河谷浅平：由于河流经过的平原地带特点以及河流的冲刷和沉积作用，使得河谷地形相对浅平。
河床演变是指河流河床形态、尺寸、材料组成以及流态等特征随着时间的推移而发生变化的过程。
河床演变主要包括泥沙冲淤、河道侵蚀和河床稳定三个方面。
根据河道的演变特点，可以将河床演变分为以下几类：1.泥沙冲淤演变：平原冲积河流的冲淤现象较为明显，河床会不断沉积泥沙，造成河道升高，并且沉积的泥沙有时会形成河滩。
2.侵蚀演变：受到外部因素的影响，如人类活动和自然过程等，平原冲积河流有时也会发生侵蚀作用，导致河道深化，河床的下切。
3.稳定演变：河床在一定的时间范围内保持相对稳定的状态，没有明显的冲刷或沉积作用。
平原冲积河流的河床演变受多种因素的影响，包括水动力条件、泥沙供应和沉积物的运移等。
其中水动力条件包括水流的流速、流向、流量等，它们直接影响河流的冲刷和沉积作用。
泥沙供应是指来自河流流域的泥沙输入，它决定了河流的冲刷和沉积效果。
沉积物的运移包括泥沙的悬移、质沉积和悬浮沉积等，它们直接影响河床的形态和尺寸。
此外，人类活动也是影响平原冲积河流河床演变的重要因素。
例如，河岸开垦、河道改道、水库建设等人类活动对河道的冲刷和沉积产生了重要影响。
此外，气候变化也会间接影响河道演变，如降水量的变化、水文季节的变化等。
总之，平原冲积河流具有一定的一般特性，其河床演变的分类和影响因素涉及到水动力条件、泥沙供应、沉积物的运移、人类活动以及气候变化等多个方面。
这些特性和影响因素的研究对于了解和预测河流的演变规律具有重要意义。
北江干流河道水文、泥沙特性及泥沙沉积量分析
14.62
10.48
16.92 1955 年 7 月 22 日
9.32 1987 年 2 月 23 日
6 4 26
1.2 来沙特性 （1）悬移质泥沙 北江的水沙特性呈水沙峰相适应状态，一次洪峰过程伴随着一次大的输沙过程，但有时沙峰
滞后于洪峰。北江干流中下游的主要泥沙来自武水、浈水，并接纳沿程两岸支流的泥沙，以悬移 质泥沙输移为主。北江干流与其主要支流的多年平均含沙量相差不大，干流含沙量较小，其主要 支流的含沙量较干流大，且上游的含沙量大于下游含沙量。北江干流与其主要支流的多年最大平 均含沙量相差较大，其中，武水的犁市最大，其次为连江的高道，干流的石角最小。从其年内的 输移特性来看，输沙主要集中在汛期，汛期（4 月～9 月）输沙量约占全年输沙量的 92.1%，其中 4 月～6 月的输沙量占全年总沙量的 75.0%，1 月～2 月输沙量小，特殊年份输沙量为零，非汛期 （10 月～翌年 3 月）平均输沙量占全年输沙量的 7.9%。
1973 年
70.9
91.14
23
8.98
1963 年
1963 年
1963 年
1963 年
1.2
0.95
1.13
1.76
0.14
0.13
0.16
0.17
151.82
183.89
31.43
35.82
河流动力学复习
河流动力学复习第一章绪论考核内容为学科的发展概况、课程的内容及学习任务。
1、了解河流动力学发展的历史；认识水流～泥沙～水电工程可持续发展间的相互关系。
2、了解水流运动与泥沙运动的重要性；3、理解课程的任务与特点；4、了解课程的主要内容。
考核知识点：1、河流动力学的任务2、水流～泥沙～水电工程可持续发展间的相互关系3、河流动力学的研究方法及特点第二章河流动力学基本概念考核内容为河流动力学基本概念1. 河道水流的基本特性:二相性、非恒定性、三维性、非均匀性2. 水沙运动的不平衡性3. 河道水流的水流结构及阻力损失考核知识点：1、河道水流的基本特性2、河道水流的水流结构及阻力损失第三章泥沙特性考核内容为泥沙的分类、泥沙的来源、泥沙的几何特性及泥沙的重力特性。
1. 泥沙的分类2. 泥沙几何特性：粒径，级配曲线，特征值3. 泥沙的重力特性：含沙量、浑水容重考核知识点： 1、泥沙的分类2、泥沙的几何特性及重力特性。
第四章泥沙的沉速考核内容为泥沙沉速的定义、沉降过程中的三种状态、沉速公式、影响沉速的主要因素、泥沙沉速的测定。
考核知识点：1、泥沙沉速的定义、沉速公式2、影响沉速的主要因素、泥沙沉速的测定。
第五章泥沙的起动考核内容为泥沙起动的物理机理，泥沙起动的物理现象及受力分析。
考核知识点：1、均匀沙起动条件：力的表达式，散体及粘性泥沙的统一起动流速公式，2、散体泥沙的起动拖曳力公式，止动与扬动流速。
第六章沙波运动与动床阻力考核内容为沙波运动规律与动床阻力计算。
1. 沙波形态与运动状态，沙坡的发展过程及形成机理，床面形态判别标准，沙波尺度及其运行速度,推求推移质输沙率，沙波运动对河流的影响。
2. 动床阻力：河床与河岸阻力划分，沙粒与沙波阻力的划分，动床阻力的计算。
考核知识点：1. 沙坡的发展过程及形成机理，床面形态判别标准，沙波运动对河流的影响。
2. 动床阻力的计算。
第七章推移质输沙率考核内容为推移质输沙率计算方法。
Ch1 河道水流、泥沙特性2014021
u y 1 m U h
m
§1.2 泥沙特性
• 泥沙概念 泥沙：指所有在流体中运动或受水流、风力、波浪、 冰川及重力作用移动后沉积下来的固体颗粒碎屑 （钱宁、1983）。粒径大小可差数十~数万倍。粒径 大小一般变化在0.001~100.0mm 。 泥沙来源：主要来自岩石的风化，土壤侵蚀，火山 喷发产生的火山灰、生物骨骼、贝壳分解及人类各 种生产活动的废弃物。 • 河流泥沙的来源可以分为两类：一类是来自流域降 雨形成的地面径流对地表的冲蚀，通常称为水土流 失；另一类是从原河床沉积层冲刷起来的。河流泥 沙在运动过程中与床沙相互交换，塑造了不表粒径： 中值粒径:d50(median size)：级配曲线中p=50%对应 的粒径。 算术平均粒径（mean diamnter): Dm，几何平均粒径 dmg n
Dm
D
i 1
im i
P
100
（2）非均匀特性：拣选系数φ 和均方差σ（几何标准 1 D84 D50 偏差） D75
第一章：河道水流、泥沙基本特性
• • • • • • • 本章内容： 1、天然河道水流特性； 2、河流泥沙的来源及几何特性； 3、细颗粒泥沙的物理化学特性； 4、泥沙的重力特性； 5、泥沙沉速； 6、泥沙分类。
第一章：河道水流、泥沙基本特性
§1.1 河道水流基本特性 河流是河床和水流两部分相互作用下的水流泥沙 运动。河道由泥土、沙砾、卵石和顽石等组成。河 道水流与明渠水流有较大差异 1、河道水流的两相性：水（连续介质）和沙（非连 续介质的颗粒群体）。（two phase flow-两相流) （1）重力、（2）惯性力、（3）阻力 2、河道水流的三维性：河道断面不规则，顺直段很 短，宽深比小，尤其是弯曲河流。 3、河道水流的非恒定性：来水来沙随时间变化；河 床处于不断的变化中。 4、河道水流的非均匀性： 5、不平衡输沙；
第3章 河道水流运动基本规律
四、河道水流的环流结构
环流结构是河道水力学中一个颇为重要的问题。 前面已经提到， 河道水流除了主流以外， 还有次生流。具有复归性的次生流被称之为环流。主流一般以纵向为主。环流则否然，它因 产生的原因不同，具有不同的轴向。因此输沙的方向，也不限于纵向。可以这样地说，河流 中的横向输沙主要是有关的环流造成的， 而不是主流或纵向水流造成的。 河道水流的输沙自 然是纵横两向彼此联系的。因此，一个河段的冲淤状况，除了受主流的影响之外，还受环流 的影响。环流就其生成原因而言，可以区别为以下几种。 1．因离心惯性力而产生的弯道横向环流 水流通过弯道时，在弯道离心力的作用下，水流中出现离心惯性力。离心惯性力的方向 是从凸岸指向凹岸，结果使凹岸水面高于凸岸水面，形成横向水面比降。 为了计算横向水面比降的大小，在弯段水 流中曲率半径为 R 的流线上，取一个长、宽各 为一个单位的微小水柱，如图 3-1 所示，分析 水柱受力情况。为了简化起见，只考虑二维恒 定环流。这样，水柱的上下游垂直面中的内摩 阻力可以不计。在这种情况下，水柱在横向受 的力有：离心力 F，两侧动水压力差
[8]
其中 m 为指数流速分布公式中的指数；C 0 为无量纲谢才系数，C0 C / g ， （这里的 C 为 谢才系数），与对数流速分布公式中的摩阻流速有下列关系； v v / C 0 ，其中 v 为垂线平 均流速。只要已知 C 0 与 m 之间的关系，便可实现式(3-2)及式(3-5)之间的转换。
83
侧或一侧，有平均单宽流量较小的、近岸的边流带。主流线及主流带对河段的流态及发展趋 势有决定性的作用，是河流水力学分析主要研究对象之一。 除主流线之外， 还可取最大单宽动量线(亦称动力轴线)或最大单宽动能线来表示河道水 流的轴线。 主流线、 最大单宽动量线及最大单宽动能线在河段正流中的位置相近而不一定重 合。在很多情况下，可任取三者之一作为河道水流的轴线，差别不是很大。但在研究某些特 殊问题时，则三者的代表性会有明显不同。如研究堤防受水流顶冲强度，则以采用最大单宽 动量线为宜。 此外，沿河床各横断面中高程最低点的平面平顺连接线，称为深弘线。某些河段的深弘 线位置，可能在同一时段与主流相近或相重合，但也可能相差很远。 在河道水流中，与正流相对应的，有副流或次生流。所谓副流或次生流就是从属于正流 的水流，不能单独存在。这种副流或次生流，有的具有复归性，或者基本上与正流脱离，在 一个区域内呈循环式的封闭流动； 或者与正流或其他副流结合在一起， 呈螺旋式的非封闭的
泥沙的特性
泥沙（Sediment）的特性泥沙几何特性细颗粒泥沙的物理化学特性电化学性质悬浮在水中的细颗粒泥沙表面会发生各种物理化学作用，物理化学作用的强弱与颗粒比表面积的大小有关。
比表面积：颗粒表面积与其体积之比。
间接反映了颗粒受到的物理化学作用与重力的相对大小。
双电层颗粒表面离子层及其周围的反离子层（吸附层及扩散层）构成颗粒的双电层，双电层外属中性水。
絮凝和分散现象分散的颗粒互相吸引，聚合成结构疏松、类似棉花团的较大团粒或团块（中间有很大的孔隙，包围密封了大量水分），称为絮团。
细颗粒泥沙在一定条件下彼此聚合的过程叫做絮凝。
泥沙的重力特性泥沙的容重与密度泥沙颗粒实有重量（或质量）与实有体积之比称为泥沙的容重（或密度）平均值平均值有效容重系数（有效密度系数）泥沙的干容重与干密度泥沙的干容重（或干密度）是指除水分后的沙样重量（或质量）与沙样体积之比。
泥沙的干容重与泥沙的容重不同，它的变化幅度较大，这是由于泥沙颗粒间空隙变化较大的缘故泥沙淤积深度愈深，其干容重愈大，变化范围愈小；反之，淤积深度愈浅，其干容重愈小，且变化幅度愈大。
泥沙的水下休止角在静水中的泥沙，由于摩擦力的作用，可以形成一定的倾斜面而不致塌落，此倾斜面的角度φ称为泥沙的水下远休止角，其正切函数即为泥沙的水下摩擦系数f。
泥沙的水力特性泥沙沉降的不同形式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（cm／s）沙粒雷诺数泥沙颗粒基本上沿铅垂线下沉，附近的水体几乎不发生紊乱现象，这时的绕流状态属于层流。
泥沙沿摆动的轨迹下沉；颗粒首部为层流，尾部为紊流，绕流属于过渡状态。
泥沙颗粒脱离铅垂线，沿螺旋形轨迹下沉，其周围的水体布满漩涡，这时的绕流状态属于紊流。
其他因素对沉速的影响泥沙的形状对沉速的影响对于几何平均粒径D相同的不同石块，形状越扁平，其阻力系数越大，沉速越小水质对沉速的影响含沙量对沉速的影响粗颗粒泥沙颗粒下沉时引起的向上水流。
河道中流泥沙粒径特性分析
河道中流泥沙粒径特性分析河道是自然界非常重要的水系，它们在地球上扮演着非常重要的角色。
对于河道的管理和保护是我们必须要重视的问题。
其中，河道中流泥沙粒径特性也是一个需要特别注意的方面。
因为它对于河道的运输能力，沙生态环境以及河道水质污染等方面都会产生深远的影响。
以下将对河道中流泥沙粒径特性进行分析和探讨。
一、泥沙粒径特性的定义泥沙是指河道中由细粒子构成的自然物质。
泥沙的颗粒大小涵盖了各个级别，但普遍认为直径大于0.063mm，小于2mm的是泥沙。
而泥沙粒径特性是指泥沙中的颗粒分布情况，其中包括平均粒径、中位数等。
泥沙平均粒径代表了泥沙中颗粒大小的级别，中位数则是将泥沙粒径按照从小到大排序后的中间值。
二、泥沙粒径特性的影响1. 河道的运输能力泥沙粒径特性对于河道运输能力产生着非常大的影响。
粒径小的泥沙颗粒会使得河道输沙量大而且流速较低，因此会使得河道中堆积淤泥，进而导致水位上升，增加洪水的发生概率。
而颗粒大的泥沙则会使得输沙率较低，导致河道下切速度慢，河道产生平缓的河谷地貌。
不同级别的河道对于泥沙颗粒大小的要求是不同的，在对于河道的管理和维护时，需要根据不同河道的特性来参考泥沙粒径特性。
2. 河道生态环境的改变河道中的泥沙粒径大小在生态环境中也有着非常重要的作用。
颗粒大小比较均匀的泥沙会对于河道水体质量的影响比较小，因为它们能够承载更多生态物种。
而泥沙粒径大小差距较大时，泥沙缓冲能力变弱，河道中的氧气含量也会下降，这会对于那些依靠氧气呼吸的水生生物产生很大的影响。
3. 河道水质污染在某些极端情况下，河道中大量的泥沙粒径大小差距很大，这会影响到水体的净化处理。
因为大颗粒的泥沙难以分解且不易沉淀，会直接影响到水体自净的能力，从而导致水体污染较为严重。
此外，在一些污染较为严重的地区，大规模的泥沙淤积会产生腐烂并且产气，从而危害河道和河岸周边的生态环境和自然景观。
三、结论泥沙粒径特性是河道管理和保护的一个非常重要的方面。
河流动力学
绪论基本内容：（1）河流动力学研究内容；（2）河流动力学研究方法；基本要求：（1）了解河流动力学的研究内容、学科发展简史、生产实践中的河流泥沙问题；（2）理解河流动力学的研究方法，了解河流动力学发展趋势。
一、河流动力学概念河流是水流与河床在地球物理诸自然因素及入类活动的影响下交互作用的产物。
河流有着自身的发展变化规律。
一方面，水流作用于河床，使河床发生变化，河道发生演变；另一方面，河床也作用于水流。
影响水流的特性。
二者构成一个矛盾的统一体，相互依存，相点影响，相互制约，永远处于变化和发展的过程中。
河流动力学——研究河道水流、泥沙运动和河床演变规律及其应用的学科。
即：关于河流运动发展的基本规律的系统知识。
二、研究意义及本课程作用人离不开水。
人类的许多活动都围绕着河流进行。
人们为利用水资源修建各种各样水利工程，如：桥梁、防洪堤，过江的隧道，航运码头、灌溉发电的综合水利枢纽、生产及生活用水排水等等。
这些活动或多或少地干涉了河流的自然进程，有些则极大地改变了河流的自然条件。
意义：如何认识河流的自身的发展变化规律并利用其为人类服务，或者引导其朝着有利于人类的方向发展，或者最小限度地降低因改变河流自然进程所带来的负面效应，这是河流动力学学科的根本所在。
本课程作用：防止洪水灾害需要构筑堤防、保护河岸和整治河道，为此必须了解河流的特性。
增加农业生产需要引水灌溉，防止引水口及灌溉渠道泥沙淤积是重要问题。
发展航运事业需要整治航道和修建港口，必须掌握浅滩及港区河道演变规律。
在河流上、中游兴建水库是水资源综合利用的有效方法。
但在水库修建后，改变了河流来水、来沙条件和边界条件，从而引起河床剧烈的冲淤变化，不仅影响水库寿命和枢纽的工作条件，而且对上、下游一定范围内的河段都将产生深刻影响。
预测和拟订减轻不利影响的措施是水库建设中的重大研究课题。
此外，城市取水和排水，铁路和公路建设，水资源保护等也都与河流动力学研究有关。
三、课程性质《河流动力学》是水文专业的技术基础课，也是该专业的研究方向之一。
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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
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
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
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
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
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
明槽主要是粗糙边壁完全排除，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
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
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
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
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
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， 或者说泥沙颗粒的形状与粒径
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