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。

1.泥沙沉速ω：单颗粒泥沙在静止的无限大的清水水体中匀速下沉的速度(有效重力和阻力相等);与泥沙的粒径、形状、含盐度、含沙浓度、水体紊动和沙粒雷诺数有关(R ed=ωd/v,表示惯性力与水流粘滞力的相对关系);

2.泥沙的沉降状态：层流(滞性)状态下降:R ed<0.5, 垂线下沉，下沉速度缓慢，扰流阻力以摩擦力为主，压差阻力相对较小(阻力与μdω的一次方成正比),颗粒不发生摆动、转动、滚动，周围水体不发生紊乱现象;过渡状态下降: R ed=0.5~1000,颗粒表面形成流速梯度很大的边界层，尾部边界脱离表面发生分离，分离区产生稳流，造成很大的能量损失，随着R ed的增加，分离区相应增大，压差阻力也不断增大，摩擦阻力不断减小;紊流状态下降:R ed>1000, 颗粒表面边界层在尾部的分离区达到最大，压差阻力远远大于摩擦阻力，

其大小与R ed的变化无关，颗粒左摇右摆下沉，颗

粒本身也转动，周围水体也紊动(水流阻力与ρd2

ω2成正比) 。

1.张瑞瑾沉速公式思路(阻力叠加原理,从过渡区入

手)

PS:泥沙特性分为几何特性、重力特性、水力特性、

物理化学特性、生物化学特性；

1. 泥沙运动分类:泥沙一颗一颗的沿河滚动,滚一阵,

歇一阵,常呈间歇性(在河底附近一滚动、滑动、跳

跃或者层移形式前进,其速度小于水流速度);泥沙在

水中悬浮着前进(细颗粒，连续运动,在水流方向以

与水流大致相等的速度前进);

2.推移质与悬移质划分:Def:河底附近以滚动、滑

动、跃动或层移等形式前进、速度小于水流速度的

泥沙称推移质(接触质、跃移质、层移质);

以浮游方式前进的泥沙称推移质联系:一个泥沙组

成来说,较弱的水流条件下,以表现为推移质;较强的

水流条件下,以表现为悬移质，二者可以相互转化。

区别:运动规律不同(受力、运动速度、输沙率与水

流切力的关系、输沙量等都不同);能量来源不同(推

消耗水流的机械能即时均势能，悬消耗水流的紊动

动能);对河床的作用不同(悬沙通过容重增大净水压

力,悬移质通过颗粒间的离散力与河床作用).

1.泥沙起动概念：随着水流条件的增强,沙颗粒由静

止转为运动,泥沙起动.泥沙起动条件:持泥沙颗粒静

止状态的平衡条件遭到破坏,面泥沙由静止状态转

入运动状态的临界水流条件(起动流速(以垂线平均

流速表示)、起动拖曳力(拖曳力表示、起动功率(水

流功率));特性:复杂性(水流条件、沙粒性质、泥沙

组成);随机性(水流运动和泥沙分布排列等具有随机

性).

2.沙在水流中受到的力:促成泥沙起动的力:上举力、

推移力(两者由沙粒的迎水面和下面压力增大而背

水面和上面压力减小形成的)、脉动压力;抗拒泥沙

起动的力:重力、粘结力(与沙粒间的空隙厚度、在

水平面上的投影面积、所受的铅直向下的压力、水

的纯洁度与化学成分、沙粒的压结程度有关)。

3.起动流速:泥沙由静止变为运动式的临界水流条

件,用起动流速表示,位于河床表面的某种泥沙(即床

沙),当流速等于或者大于泥沙起动流速时,泥沙起动

反之静止。

4.沙莫夫启动流速公式：

5.研究泥沙起动的意义:计算输沙率;航道整治时使

用;护滩、护滩块石稳定计算、研究输沙率

1.沙波运动:泥沙颗粒在床面的集体运动称沙波运

动(推移质泥沙运动达到一定程度时的产物.对河道

水流结构、河道阻力、泥沙运动和河床演变均有重

要作用)；

2.沙波形态和运动特征:(几何特征:迎水面缓,背水

面陡;运动特征:迎水面加速区,冲刷,背水面减速区,

淤积,床沙分选:上粗下细;水流运动特征:波峰处流

速大,波谷处流速小,迎水面存在停滞点,背水面:分

离、漩涡;阻力特性：迎水面与水面存在压力波,与

水流速度相反,称形状阻力

3.沙波形成及发展过程:静平整(流速小于起动流速,

泥沙不起动,床面平整)、沙纹(流速增大,沙粒聚集最

后形成形状规则的沙纹)、沙垄、过渡、动平整(流

速增大,波高变小,床面恢复平整)、沙浪(流速继续增

大,Fr>1,床面再次出现沙波)、急滩与深潭(Fr>>1,强

烈冲刷形成急滩,强烈淤积形成深潭).

4.沙波形成过程中的两个现象:沙波对床沙的分选

作用(上粗下细);粗沙运动的间歇性。

5.沙波运动对河流的影响:沙波运动时推移质运动

的主要形式;沙波的消长对河流的阻力损失有很大

影响;沙漠的消长对航道的水深有一定的影响;沙波

的形成和发展影响H-Q关系。

6.沙波类型:带状沙波(很少见)、继绩蛇曲沙波(最常

见)、堆状沙波(常见)、顺直沙波、弯曲沙波、链状

沙波、舌状沙波、新月沙波等。

7.沙波产生的原因：不同流体相对运动时交界面上

的不稳定性;接近河床的流速沿程分布与沙波形式

相适应。

1.推移质输沙率概念:一定的水沙条件下,河道处于

冲淤平衡时,单位时间通过单宽河床的推移质数量,

以g s表示,单位:kg/m.s

2.公式类型及其思路:以临界拖引力和临界流速考

虑问题(当拖引力获水流速度达到或超过某一临界

值以后，床沙才可能发生推移,推移质输沙率的大小

与水流实有的拖引力或流速超过临界拖引力或临

界流速的程度有关,如沙莫夫公式);从沙波运行情况

考虑问题(凡推移质运动达到一定规模的处所，必然

出现沙波,推移质输沙率与U4成正比);从统计法则

考虑问题(H.A.爱因斯坦公式:抓住泥沙自床面冲刷

下移的概率P的确定最为推导的核心