01、第一次课(绪论、第一章第一节)

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第一章
泥沙的基本特性包括 1、几何特性 、 2、重力特性 、 3、水力特性 、
泥沙特性
形状、 形状、粒径大小及群体泥沙的 组合特性 泥沙的容重与淤积泥沙的干容重 泥沙颗粒的沉降速度
4、细颗粒泥沙的物理化学特性 、 细颗粒泥沙的絮凝机理
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第一节
泥沙的几何特性
泥沙的几何特征指泥沙的形状和粒径。 泥沙的几何特征指泥沙的形状和粒径。 泥沙的形状总的来说，颗粒越大，形状越圆滑； 泥沙的形状总的来说，颗粒越大，形状越圆滑； 颗粒越小，形状越复杂。常见的砾石、 颗粒越小，形状越复杂。常见的砾石、卵石外 形一般呈椭球体。 形一般呈椭球体。
10年4月12日 年 月 日
河流动力学
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讲授教材 河流动力学 王昌杰主编 人民交通出版社 2001版
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参考书目
1. 2. 3. 4. 5.
河流动力学，陈立、明宗富编， 河流动力学，陈立、明宗富编，武汉大学出 版社， 版社，2001. 河流动力学，张瑞瑾主编， 河流动力学，张瑞瑾主编，中国水利水电出 版社， 版社，1998. 河流动力学概论，邵学军、王兴奎， 河流动力学概论，邵学军、王兴奎，清华大 学出版社， 学出版社，2005. 河流泥沙工程学，北京：水利出版社， 河流泥沙工程学，北京：水利出版社，1981 河流动力学， 华东水利学院等四校编， 河流动力学， 华东水利学院等四校编，人民 交通出版社， 交通出版社，1981
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20世纪50年代以后 世纪50 3、20世纪50年代以后 在前苏联， 在前苏联，以维利卡诺夫为代表的学派 我国：沙玉清；钱宁；张瑞瑾、谢鉴衡； 我国：沙玉清；钱宁；张瑞瑾、谢鉴衡； 窦国仁； 窦国仁；韩启为 欧美：恩格隆（Engelund,F.)， 欧美：恩格隆（Engelund,F.)， Einstein,H.A.，雅林（ Einstein,H.A.，雅林（ Yalin,M.S.) 20世纪70年代以后 世纪70 4、20世纪70年代以后 计算机时代，根据大量实测资料， 计算机时代，根据大量实测资料，进行回归 分析， 分析，得到阻力和输沙率公式 5、目前，筛选淘汰，去伪存真。 ，筛选淘汰，去伪存真
2
-2
2
-3
…
2
-n
…
Φ值 … -n … -3 -2 -1 0
1
2
3
…
n
20
…
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3、水利工程界分类
表1-2
泥沙分类 粘粒
泥沙颗粒分级标准
粉沙 0.05～0.005 沙粒 2～0.05 砾石 20～2 卵石 200～20 漂石 >200
粒径大小 （mm） <0.005
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二、沙样组成与粒配曲线
㈠、粒配曲线（级配曲线、颗分曲线, ㈠、粒配曲线（级配曲线、颗分曲线,或累积频 粒配曲线 率曲线） 率曲线）
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㈡、粒配曲线的意义 表征泥沙颗粒的粗细和沙样的均匀程度。 ⒈ 表征泥沙颗粒的粗细和沙样的均匀程度。 ⒉ 可直接查出小于某粒径的泥沙在总沙样中所 占的重量百分数； 占的重量百分数；也可查出总沙样中某重量 百分数泥沙的上限粒径。 百分数泥沙的上限粒径。
(%) 0.48 5.29 21.68 52.23 18.39 1.48 0.1
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计算∑△ 、 ×△ ×△pi、 解：1、利用 、利用Excell计算 △pi、Di×△ 、 计算 ∑Di×△ ×△pi ×△ 2、利用 、利用Excell制作粒配曲线 制作粒配曲线 D S 3、求 D50 、 m 、 0 、
越大，说明沙样越不均匀， σ越大，说明沙样越不均匀，粒径变化范围越 大。 分选系数（非均匀系数、拣选系数） ② 分选系数（非均匀系数、拣选系数）S0
D75 S0 = D25
（1-7） ）
S0 = 1 ，为均匀沙； 为均匀沙；
S 0 越大于 ，沙样越不均匀。 越大于1，沙样越不均匀。
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例题1：某沙样筛分结果如下表，绘制粒配曲线， 例题1 某沙样筛分结果如下表，绘制粒配曲线， 求 D50 、Dm、S0 。
长轴 a 中轴 b
短轴 c
泥沙颗粒形状
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一、泥沙的粒径
泥沙颗粒的大小，通常以颗粒直径来表示， 泥沙颗粒的大小，通常以颗粒直径来表示， 颗粒直径来表示 简称粒径 其符号为D 粒径， ），单位mm。 单位mm 简称粒径，其符号为D（或d），单位mm。 泥沙粒径测量和计算方法： 泥沙粒径测量和计算方法： （称重法，适用于卵石以上的较大颗粒） 尺量法 称重法，适用于卵石以上的较大颗粒） 等容粒径 筛析法 （适用于砾石、沙粒） 适用于砾石、沙粒） 筛分粒径 水析法 （沉降法，适用于粉沙、粘土） 沉降法，适用于粉沙、粘土） 沉降粒径
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㈣ 泥沙按粒径大小分类
1、分类原则
表示出不同粒径级泥沙性质上的显著差异和性质变 化的规律性； 化的规律性； 各级分界粒径尺度成一定的比例。 各级分界粒径尺度成一定的比例。
2、φ值分级尺度
把以mm为单位的粒径取以2 把以mm为单位的粒径取以2为底的对数并乘以 mm为单位的粒径取以 “－1”，从而使得都是整数φ值。 ，从而使得都是整数φ 每一分级粒径D 每一分级粒径D可表示为 D＝2－φ 或 φ = −log2 D （ φ为整数，D的单位为mm） 为整数， 的单位为mm） mm
沙粒的中轴长度是比较接近等容粒径的， 沙粒的中轴长度是比较接近等容粒径的，因此 筛析法所测的粒径可近似地看成等容粒径。 筛析法所测的粒径可近似地看成等容粒径。
D1
D
2
筛 析 法 示 意 图
两筛之间泥沙颗粒的粒径可以用两筛网孔径 的算术平均值或几何平均值计算。 的算术平均值或几何平均值计算。
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沉降粒径（沉径） ㈢、沉降粒径（沉径）
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㈣、河流动力学研究内容
⒈ 水流结构 研究水流内部运动特征 及运动要素的空间分布。 研究泥沙冲刷、搬运和 堆积的机理。 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。 研究预测水流、泥沙运动 及河床冲淤演变的方法。
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⒉ 泥沙运动 3.河床演变 3.河床演变 ⒋ 河床变形预测
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二 、生产实践中的河流动力学问题
Dm =
∑D ∆p
i =1 n i
n
i
∑∆p
i =1
38.645 = = 0.388mm 99.7
i
查粒配曲线， 查粒配曲线，知 D50 = 0.36mm
D25 = 0.32mm
、 D75 = 0.44mm 、
D75 0.44 S0 = = = 1.38 D25 0.32
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小 于 某 粒 径 沙 重 百 分 数 (%)
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㈠、等容粒径
⒈ 定义 等容粒径是指体积与泥沙颗粒相等的球体直径。 等容粒径是指体积与泥沙颗粒相等的球体直径。 ⒉ 计算测量方法 ① 测定泥沙颗粒的重量（或体积） 测定泥沙颗粒的重量（或体积）
6V 6W D= = π πγs
1 3
1 3
(1-1) (1-
3
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绪 论
一、河流动力学的研究范畴
河流动力学是研究河道水流、 河流动力学是研究河道水流、泥沙运动和 河床演变规律及其应用的学科。 河床演变规律及其应用的学科。 河流动力学是研究冲积河流在自然状态 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学科。
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㈠、河流对人类的重要性 ㈡、天然河流总是处在不断变化和发展过程中 河流的变化和发展是水流与河床相互作用的 结果。 结果。 ㈢、泥沙运动在河流发展变化中的作用 水流与河床的相互作用是通过它们之间的泥 沙交换来实现的， 沙交换来实现的，泥沙运动是水流与河床相 互作用的媒介。 互作用的媒介。
D50=0.0073mm
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㈢、泥沙组成的特征值及其计算方法 ①中值粒径 D50 含义： 含义：它表示大于和小于该粒径的泥沙在总沙样中 各占50 50％。 各占50％。 确定方法：在粒配曲线的纵坐标上，沙重百分数为 确定方法：在粒配曲线的纵坐标上， 50％的横线与粒配曲线交点所对应的粒径，即 ％的横线与粒配曲线交点所对应的粒径， 为 D50 。
1、防洪及河道淤积问题 2、水库淤积及下游河床冲刷问题
水面
水库上游 上游淤积区
下游河道
下游冲刷坑Байду номын сангаас
3、低水头枢纽及取水口泥沙问题 4、航道港湾与河口泥沙问题
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三、学科发展简况
1938年 罗斯（Rouse，H.） 1、1938年，罗斯（Rouse，H.）发表泥沙紊动 扩散方程河流动力学脱离母体， 扩散方程河流动力学脱离母体，成为一门独立 的科学。 的科学。 上世纪50 50年代以前 2、上世纪50年代以前 1936年 希尔兹（Shields，A.)对泥沙起 1936年，希尔兹（Shields，A.)对泥沙起 动的研究 1948年 梅叶－彼德（Meyer-Peter， 1948年，梅叶－彼德（Meyer-Peter，E) 对推移质输沙率的研究 1950年 爱因斯坦（ Einstein,H.A),利 1950年，爱因斯坦（ Einstein,H.A),利 用随机理论对推移质和悬移质输运的研究
（ 1-4）
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运用该方法， 运用该方法，可以把变化相当大的粒径 范围用变化不大的整数φ来表示 来表示， 值越 范围用变化不大的整数 来表示，φ值越 大表示粒径越细。 大表示粒径越细。
… 2 … 2 粒径 …… … 8 4 2 1 0.5 0.25 0.125 … … …
n 3
2
2
2
1
2
0
2
-1
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四、研究方法和学习特点
⒈ 现场观测 ⒉ 室内试验 ㈠、研究方法 ⒊ 理论分析 ⒋ 数值计算
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四、研究方法和学习特点
㈡、学习特点 ①在研究中就不得不对问题做出某些假定，进 在研究中就不得不对问题做出某些假定， 行一些简化，广泛使用半经验的或经验的方法。 行一些简化，广泛使用半经验的或经验的方法。 ②同一问题得到的公式各不相同。 同一问题得到的公式各不相同。 ③弄清物理概念，分析影响因素，注意建立条 弄清物理概念，分析影响因素， 件和适用范围。 件和适用范围。 选定公式后进行计算时， ④选定公式后进行计算时，要留意有关变量的 量纲及其相互关系，不可随心所欲地取用单位。 量纲及其相互关系，不可随心所欲地取用单位。 在解决实际问题时，要从实际出发， ⑤在解决实际问题时，要从实际出发，重视和 掌握第一手资料。 掌握第一手资料。 11
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㈠、等容粒径
⒉ 计算测量方法
将泥沙看成椭球体，直接测量其长轴a 中轴b 短轴c ② 将泥沙看成椭球体，直接测量其长轴a、中轴b、短轴c
用其算术平均值表示粒径
D = (a + b + c) / 3
用几何平均值表示粒径
(1(1-2)
D = 3 abc
⒊ 尺量法的适用对象
(1(1-3)
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筛分粒径（筛径） ㈡、筛分粒径（筛径）
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平均粒径、 ③ 平均粒径、中值粒径的关系
Dm = D50e 2
σ2
（1-6）
σ为泥沙粒径组成的均方差。 为泥沙粒径组成的均方差。 均匀沙： 均匀沙： σ＝0 ， Dm = D50 非均匀沙： 非均匀沙： σ>0 ， Dm > D50
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⒉ 反映粒配不均匀性的参数 ① 均方差σ
D84.1 σ= D15.9
筛 孔 孔 径 D
(mm) 1.168 1.001 0.833 0.711 0.589 0.503 0.417 0.356 0.295 0.252 0.208 0.178 0.147 0.126 0.104 0.089 0.074 0.05
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上 下 两 筛 中 径 Di
(mm)
介 于 上 下 两 筛 孔 间 的 重 量 百 分 比 △ pi
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 10 1
粉沙和粘粒，难以用筛析法确定其粒径， 粉沙和粘粒，难以用筛析法确定其粒径， 而必须通过测量颗粒在静水中的沉速， 而必须通过测量颗粒在静水中的沉速，然后 按照粒径与沉速的关系，反求出与泥沙粒径。 按照粒径与沉速的关系，反求出与泥沙粒径。
这样所求出的粒径实质上是与泥沙颗粒密度 相同、沉速相等的球体直径。 相同、沉速相等的球体直径。
D50=0.0073mm
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②平均粒径
Dm 算术平均粒径） （算术平均粒径）
Dm =
计算公式： 计算公式：
∑D ∆p
i =1 n i
n
i
∑∆p
i =1
（1-5） ）
i
式中，Di 为第 组泥沙的代表粒径。n为沙样按 组泥沙的代表粒径。 为沙样按 式中， 为第i组泥沙的代表粒径 粒径大小的分组数。 粒径大小的分组数。 含义： 含义：上式实质上是以各组泥沙的重量百分 数为权重的加权平均值。 数为权重的加权平均值。