河道水流和泥沙的一般特性
灌区引黄水的泥沙特性分析
灌区引黄水的泥沙特性分析
黄河作为我国第二大河流，一直以来都扮演着重要的水利、交通、灌溉和生态环境保
护的角色。
由于河道沉积物和污染物的不断累积，黄河水质逐渐下降，对周边地区产生了
较大的影响。
灌区引黄水的泥沙特性分析，有助于了解黄河泥沙的组成、含量、粒径分布
等特征，为灌区水资源的管理和利用提供科学依据。
从组成上分析，黄河泥沙主要包含沉积物和悬浮物两种形式。
沉积物主要是由颗粒状
物质组成，如砂、泥等，其含量较高，一般呈现出黄褐色或黄色。
悬浮物则是微小颗粒悬
浮在水中，容易随着水流运移，其含量相对较低。
泥沙中还可能含有一定比例的有机质、
重金属等。
从泥沙的含量来看，黄河泥沙含量较高，在河床中可以达到几十克/升甚至上百克/升。
随着水流的速度增大，泥沙含量也会增加。
泥沙含量的增加对于河岸侵蚀、水工结构物磨
损等都会产生不良影响。
从泥沙的粒径分布来看，黄河泥沙主要以细砂和粉砂为主，其次是粘土、砾石等。
细
砂和粉砂的颗粒较小，容易被水流携带，对河道的冲刷和淤积起着重要作用。
而粘土和砾
石的颗粒较大，不易被水流携带，主要分布在黄河的下游地区。
黄河泥沙还存在着一定的季节性变化。
一般来说，夏季和秋季是黄河泥沙含量较高的
季节，而冬季和春季则相对较低。
这与黄河上游雨水和融雪量的大小有关，也与人类活动、水库调节等因素有关。
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。
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
32
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。
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。
2020年2月1日
21
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。
2020年2月1日
29
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。
河道水流和泥沙的一般特性
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
吨泥沙来衡量，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
筛分粒径：通过筛分法获得的粒径近似值
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
• 对于粒径在0.062~32.0mm之间的沙粒， 一般采用筛析法
• 用筛析法量得的粒径应相当于各粒径组界 限沙粒的中轴长度。可以近似地看成等容 粒径，或者直接称为筛径
•黄河的河漫滩沉积物就因 孔隙率的不同而有“铁板 抄”与“晃滩沙”的区别。
河流动力学
• 通常泥沙的平均粒径与中值粒径直并不相等。二 者之间的关系应为
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；
平原冲积河流一般特性、河床演变分类和影响因素
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8.3 影响河床演变的主要因素 8.3.3 引起河床演变的根本原因
1、输沙不平衡是产生河床演变的根本原因。
所谓输沙不平衡是指，对于某一河段，如果来沙量与水 流的挟沙能力不相适应，即来沙量大于或小于水流的挟 沙力，则水流处于输沙不平衡状态，河床将会发生冲淤 变化。
反之，若某一河段，来沙量与水流的挟沙能力相适应， 即来沙量与水流挟沙力相等或接近，则水流处于输沙平 衡状态，河床河床既不冲刷也不淤积。
8.1.3 平原冲积河流的河型分类
上述四种河型，习惯上称为：顺直型、蜿蜒型、 分汊型及游荡型。
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8.2 河床演变分类 8.2.1 长期变形和短期变形 按河床演变的时间特征：长期变形，短期变形
长期变形是指工程规划设计必须考虑的数十年以至 数百年内的河床变形。
短期变形是相对于长期变形而言的。
8.3.1 影响河床演变的主要因素
①、河段上游的来水量及其变化过程； （1）进口条件：
②、河段上游的来沙量、来沙组成及 其变化过程； ③、上游河道与本河段进口的衔接方式。 （2）出口条件： 河段出口处的侵蚀基点。
（3）河床周界条件：
泛指河流所在地区的地理、地质条件， 包括河谷比降、河谷宽度、河底及河
岸组成以及河道几何形态。
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8.3 影响河床演变的主要因素 8.3.1 影响河床演变的主要因素
①指能控制出口水面高程的各种水面， 如河面、湖面、海面等，也可以是能限 制河流向纵深方向发展的抗冲岩层的相 应水面。
侵蚀基点的概念：
②在此点之上的河床高程并不是不可能 侵蚀到低于此点的高程，而是侵蚀基点 以上的河道水面线和床面线都要受到此 点高程的制约。
《桥渡设计》期末复习资料
《桥渡设计》期末复习资料第一章水文现象的特征：周期性、地区性、不重复性。
工程水文的研究方法：成因分析法、地区归纳法、数理统计法。
桥渡研究内容：1.根据工程设计标准，进行线路跨越河流的位置选择（桥位选择）2.计算桥位河段的设计流量3.设计、布置跨越河流的最合理的桥梁孔径和分跨布设4.确定桥梁墩台最小埋置深度5.确定桥下净空、桥面高度6.在桥位上下游布设合理的导治建筑物。
第二章河流的基本特征：河流断面、河流长度、河流比降。
径流形成过程：降雨过程、流域蓄渗过程、坡面漫流过程、河槽集流过程。
影响径流的因素：气候因素、下垫面因素、人类活动对河川径流的影响。
河流的水量补给：雨源类、雨雪源类、冰雪源类。
泥沙在河槽内运动状态：悬移质、推移质、床沙。
泥沙主要特性：几何特性、重力特性、水力特性。
水流的结构形式：1.层流和紊流2.生流和副流。
副流分类：1.立轴副流（回流）2.平轴副流（滚流）3.顺轴副流（螺旋流）。
螺旋流分类：（1）河湾螺旋流：通过弯道的水流在重力和离心力的共同作用下，面流流向凹岸，底流流向凸岸，形成向前流动的螺旋流，水面出现横向比降，凹岸水面标高高于凸岸水面标高，致使凹岸冲刷，凸岸淤积；河流不断发展，凹岸冲刷最深处出现在河道出口断面附近。
（2）洪水涨落引起的螺旋流：河道中流量急剧变化而产生的螺旋流，河流涨水时，两岸水位低于断面中间水位，产生向河底聚集的两个环流，此时两岸发生冲刷，中间淤积。
当河流退水时形成河底水流向两岸分散的两个环流，此时河底冲刷，两岸淤积。
河道水流一般特性：二相流、非恒定性、非均匀性、三维性、水沙不平衡性。
河床演变：在天然状况下或人类活动的干扰后，河床形态逐渐发生的变化称为河床演变。
水流输沙不平衡是河床演变的根本原因；水流中副流的存在是河床冲淤的直接原因。
河相关系：冲击河床在水沙长期相互作用下，逐渐形成与所在具体条件相适应的某种均衡状态。
这种河床均衡形态的几何因素与来水、来沙条件存在着某种近似的函数关系，称为河相关系。
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。
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河流动力学
细颗粒泥沙的物理化学特性
河流动力学
电化学性质
1、比表面积 ：泥沙颗粒表面积与其体积之比
4D2/4 6 D3/6 D
（颗粒越细，该值越大） •比表面积的意义：反映泥沙颗粒的物化作用与重力作用的相对
大小， 越大，物化作用就越大
河流动力学
电化学性质
2、双电层及吸附水膜的特性 （1）细泥沙颗粒在含有电解质的水中， 颗粒周围会形成双电层、吸附水膜。 • 细泥沙颗粒表面带有负电荷，吸引反 离子，形成吸附层（固定层）＋扩散层 • 细泥沙颗粒表面带有负电荷，同时也吸引水 分子形成粘结水＋粘滞水＝束缚水
河流动力学
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
河流动力学
泥沙的沉阵速度
沉降形式
泥沙在静止的清水中等速下沉时的速度，称为泥沙的 沉降速度，简称沉速
反映着泥沙在与水流相互作用时对运动的抗拒能力。 组成河床的泥沙沉速越大，则泥沙参与运动的倾向越 小
泥沙重度＞水的重度，在水中的泥沙颗粒将受重力作 用而下沉。→→初始速度为零，抗拒下沉的阻力也为 零，有效重力起作用，泥沙颗粒的下沉具有加速度。 →→随着下沉速度的增大，阻力增大，终于使下沉速 度达到某一极限值。→→此时，泥沙所受的有效重力 和阻力恰恰相等，泥沙颗粒的继续下沉便以等速方式 进行
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
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
等容粒径：与泥沙颗粒容积相当的球体直径
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
由于构成泥沙的岩石成分不同．泥沙的容重 s 也不相 同，常以26kN／m3(国际单位)或2650kgf／m3(工程 单位)为代表值
α有效容重系数或有效密度系数
河流动力学
泥沙的干容重与干密度
沙样经100~l05℃温度烘干后，其重量与原状沙样整 个体积的比值，称为泥沙的干容重 '，单位为N/m3
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
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
和小于这一粒径的泥沙重量刚好相等
河流动力学
河流动力学
三、泥沙的空隙率
孔隙率：泥沙中孔隙的容积占沙样总容积的百分比称为孔隙率
• 泥沙孔隙率因沙粒的大小及均 匀度、沙粒的形状、沉积的情 况以及沉积后受力大小及历时 长短而有不同。 • 对各类泥沙孔隙率一般为
粗沙：的孔隙率39％～40％， 中沙：41％-48％， 细沙：44％—49％。
明槽主要是粗糙边壁附近小尺度的紊动，由大、中、 小尺度构成的紊动结构虽不能完全排除，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
河流动力学
（2）双电层的电位变化
•泥沙颗粒表面带负电荷后，就有一定的电位值，此电位值 与扩散层外的自由电位之差称为热力学电位，或ψ0电位。 •在吸附层内，电位线性降落，所剩余的电位差，即吸附层 与扩散层交界面的电位与扩散层外自由电位之差称为电动 电位，或ζ电位。 •ζ电位的数值及双电层的厚度与水中电解质的离子浓度及价数有关。
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
有多家过渡区泥沙沉降时的阻力规律和沉降速度公式， 本课程介绍张瑞瑾公式
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
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
当大R的e紊d较动大状时态(约下大沉于，1附00近0)的，水泥体沙产颗生粒强脱烈离的铅绕垂动线和．涡以动极 ，这时的运动状态属于紊动状态
当态R为e过d介渡于状0态.5到1000之间时，泥沙颗粒下沉时的运动状
河流动力学
河流动力学
球体的沉速
单颗粒圆球在无限水体中等速下沉时，其沉降可 看做对称绕流运动，则绕流阻力的一般表达式为，
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
泥沙在静水中下沉时，从加速到等速所经历的时间是
十分短暂的：3mm，1/10s；1mm，1/20s
河流动力学
泥沙颗粒在静水中下沉时的运动状态与沙粒雷诺数
有关
Red
d
式中d和ω分别为泥沙的粒径及沉速。υ为水的运动粘滞性
系数
当沙R颗e粒d较基小本时上（沿约铅小垂于线0下.5）沉运，动附状近态的属水于体滞几性乎状不态发，生泥紊 乱现象
粒配曲线可直接表现 泥沙沙样粒径的大小 和沙样的均匀程度
Ⅱ代表较细的沙样 Ⅰ代表较均匀的沙样
河流动力学
从粒配曲线上，可以查出
小于某粒径的泥沙在总沙样中占的重量百分数 在总沙样中占某重量百分数的泥沙的上限粒径 后者通常以重量百分数为脚标，附注在粒径的
右下角，表示该上限粒径如d5、d20、d50、d90等 d50称为中值粒径，它表示在全部沙样中，大于
河道水流和泥沙的一般特性
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
•黄河的河漫滩沉积物就因 孔隙率的不同而有“铁板抄” 与“晃滩沙”的区别。
河流动力学
通常泥沙的平均粒径与中值粒径直并不相等。二 者之间的关系应为
2
d pj d50e 2
关于沙样的均匀程度，常采用如下形式的非均匀 系数或称拣选系数
非均匀系数等于1，则沙样均匀；愈大于1，则越不均 匀
D 75
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。