河流动力学总结

河流动力学第一章泥沙特性1、等容粒径：体积与泥沙颗粒相等的球体的直径。设某一颗泥沙体积为V，则等容粒径3/1)6(VD泥沙粒径可用长轴a，中轴b，短轴c的算术平均值表示)(31cbaD假设成椭球体，用几何平均值表示3abcD2、粒配曲线的作法：(图1-1p6)①通过颗粒分析（包括筛分和水析），求出沙样中各种粒径泥沙的重量②算出小于各种粒径的泥沙总重量③在半对数坐标纸上，将泥沙粒径D绘于横坐标（对数分格）上，小于该粒径的泥沙在全部沙样中所占重量的百分数p绘于纵坐标（普通分格）上，绘出的D~p关系曲线即为所求的粒配曲线。3、粒配曲线特点曲线坡度越陡，表示沙样内颗粒组成越均匀，反之，不均匀。4、粒配曲线特征值1）中值粒径50D：是常用的特征值，它表示大于和小于该种粒径的泥沙重量各占沙样总重量的50%，即粒配曲线的纵坐标上找出p=50%，其对应的横坐标即为50D2）平均粒径50D：是沙样内各泥沙粒径组的加权平均值。即粒配曲线的纵坐标（p）按其变化情况分成若干组，并在横坐标（D）上定出各组泥沙相应的上、下限粒径minmaxDD和以及各组泥沙在整个沙样中所占重量百分数ip，然后求出各组泥沙的平均粒径32minmaxminmaximinmaxDDDDDDDDi或niiniiimppDD11n—为划分组数；2502eDDm，其中—沙样粒径分配的均方差，9.151.84lnDD当为零时，沙样均匀，50DDm，一般沙样不均匀，总是大于零，因此，通常50DDm3）分选系数（非均匀系数）25750DDS，若0S=1，则沙样非常均匀，越1，则越不均匀。5、影响泥沙的孔隙率的因素①沙粒的大小②均匀度③沙粒的形状④沉积的情况⑤沉积后受力大小⑥历时长短泥沙越细，孔隙率越大；泥沙越均匀，孔隙率越大；越接近球体，孔隙率越大。6、颗粒比表面积：颗粒表面积与其体积之比，对于球体，其表面积DDD6632颗粒比表面积间接地反映了颗粒受到的物理化学作用于重力作用的相对大小。（细颗粒沙粒的比表面积很大，所以，细颗粒表面的物理化学作用明显特别突出，从而对泥沙运动产生重要的影响。）7、吸附层（固定层）：表面带负电荷的细颗粒泥沙在含有电解质的水中，由于静电引力作用，吸引水中反号电荷（带正电荷）的离子，这种被牢固吸附在紧邻颗粒表面周围的反离子层。扩散层：吸附层的离子电荷不足以平衡颗粒表面的全部电荷，因此在吸附层外还有一层与颗粒表面电荷异号的反离子层。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。粘结水：在泥沙颗粒表面负电荷的作用下，靠近颗粒表面，在吸附层范围内的水分子便失去了自由活动的能力而整齐的、紧密地排列起来粘滞水：围绕在粘结水外面，在扩散层范围内的水分子因距颗粒表面较远，受到的引力较小，水分子的排列比较疏松，仅有轻微的定向。粘结水和粘滞水统称为束缚水。束缚水外的水分子几乎不再受静力引力作用，在重力作用下能自由流动，称为自由水。△如果水中电解质反离子浓度增加，反离子向颗粒表面挤压，吸附层中反离子数增多，可更有效地平衡颗粒表面电荷，双电层厚度也相应较小。所以容易发生絮凝。相反，当离子浓度增加，反离子向水中扩散，更多的反离子由吸附层进入扩散层，双电层厚度也相应增大。絮凝：细颗粒泥沙在一定条件下彼此聚合的过程8、泥沙的干容重（干密度）：取出经扰动的原状沙样，量出它的体积，然后在烘箱内经100~150℃的温度烘干后，其重量（或质量）与原状沙样整个体积之比。9、干容重的影响因素？①泥沙粒径：粒径较粗的泥沙干容重大，变化范围小；反之，粒径较细的泥沙干容重小，变化范围大。②泥沙淤积厚度影响：泥沙的淤积深度越深，琪干容重越大，变化范围越小；反之，淤积深度越浅，其干容重越小，且变化幅度越大。③淤积历时的影响：干容重's随淤积历时的增加而趋向于一个稳定值，较粗颗粒淤积历时不长，其干容重's就趋向稳定，且初始干容重与最终干容重比较接近；而细颗粒泥沙's趋向稳定所需的时间要长的多，初始干容重与最终干容重相差甚远。10、泥沙沉速: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。（泥沙沉速反映着泥沙在与水流相互作用时对机械运动的抗拒能力。沉速越大，则沉淀的倾向越强。因此，沉速是泥沙的重要特性之一。）11、影响沉速的因素①泥沙的形状，越接近球体，沉降越大，形状越扁平，abC越小，阻力系数dC越大，沉速越小。②水质对沉速的影响，反映在絮凝，所有影响絮凝的因素均影响沉降。水质对沉降的影响主要是对D0.03mm的细颗粒泥沙而言的。在小含盐度的范围内，絮团的平均沉降因含盐度的增加而迅速增大；当含盐度超过某一数值后，含盐度的进一步增加，对平均沉降的影响不大。含沙量越大，曲线转折处相应的含盐度越小。由（图1-8书p19含盐度）可见，在含盐度超过10‰后，不同情况的絮凝沉速相差不大，一般在0.4~0.5mm/s左右。③含沙量对沉速的影响因浑水容重加大而引起的沙粒有效重力减小也有重要影响。这些将使得泥沙沉速减小。细颗粒泥沙形成絮团，沉速随含沙量增大而逐渐增大，直到15kg/m3左右为最大；含沙量超过15kg/m3后，沉速随含沙量增大而减小。影响絮凝现象的因素：①泥沙粒径。泥沙愈细，其比表面积愈大，颗粒聚集成絮团的作用愈强，相对于基本颗粒而言，形成的絮团越大。②水中电解质的离子浓度与价数。水中反离子浓度较小，扩散层的厚度就较大，沙粒的分散状态就比较稳定；反之，水中反离子浓度较大，扩散层厚度就较小，沙粒容易絮凝。反离子对沙粒的絮凝作用，与反离子的价数有密切关系。反离子的价数高，絮凝作用强。这是因为反离子的价数高，双电层厚度小，就容易产生絮凝。③水中的含盐量、含沙量等。小含盐度的范围内，絮团的平均沉速因含盐度的增加而迅速增大；当含盐度超过某一数值后，含盐度的进一步增加，对平均沉速的影响不大。含沙量越大，曲线转折处相应的含盐度越小。含盐度超过10‰后，不同情况的絮凝沉速相差不大。第二章推移质运动1、泥沙在水流中的运动形式可分为哪两类？定义各是是什么？推移质（接触质、跃移质、层移质）和悬移质。接触质：滑动或滚动的泥沙，在运动中始终保持与床面接触。跃移质：在床面附近以跳跃形式前进的泥沙。床面层：在流速较低时，同一种河床组成，其接触质或跃移质的运动范围，仅限于河床表层以上大约1~3倍泥沙粒径的区域。层移质：河床表层以下的泥沙，在水流拖曳力的作用下，将成层移动或滚动，运动速度由上而下逐次递减。推移质实质上是指在河底附近，以滚动、滑动、跳跃或层移形式前进，其速度远小于水流速度的泥沙。悬移质则是悬浮在水中运动，速度与水流速度基本相同的泥沙。交换过程是双向的，2、泥沙起动：河床上静止的泥沙颗粒，随着水流条件的增强，到一定条件时开始运动的现象。3、泥沙起动条件：维持泥沙颗粒静止状态的平衡条件遭到破坏，床面泥沙由静止状态转变为运动状态的临界水流条件。泥沙的起动条件可以用流速、拖曳力、功率来表示。用水流垂线平均流速来表示的，叫起动流速；用拖曳力表示的，叫拖曳力（起动切应力或起动剪切力）；用水流功率表示的叫起动功率。4、起动拖曳力：指泥沙处于起动状态的床面剪切力。其值等于泥沙起动时，单位面积床面上水柱重量在水流方向的分力，即：2*0UhJ为水的容重；J为水面比降；为水的密度；*U为摩阻流速。☆5、希尔兹曲线特点：①曲线为马鞍形，在沙粒雷诺数10/*DU附近，亦即近壁层流层厚度与床沙粒径接近时，泥沙最容易起动。②床面处于光滑区时，泥沙受近壁层流层的隐蔽作用，需要更大的拖曳力才能使之运动。在6/2/*DDU或时以后，曲线成为一条45°的斜线。③当DDU即10/*，近壁层流层不起隐蔽作用，随着粒径加大，泥沙重量增大，加强颗粒稳定性，拖曳力也相应加大。悬移区床面层河床(悬移质)(接触质及跃移质)(床沙)悬移区床面层层移区河床(悬移质)(接触质及跃移质)(层移质)(床沙)6、止动流速：泥沙颗粒由运动状态转变为静止状态的临界垂线平均流速。止动流速必小于起动流速，也小于扬动流速。扬动流速：床面泥沙由静止直接转入悬移状态的临界垂线平均流速。扬动流速远大于起动流速。7、沙波：是推移质运动的一种主要形式，是构成河床地形的基本元素，它对河道水流结构、河道阻力、泥沙运动及河床演变均有重要影响。（沙波运动：当推移质运动达到一定的规模时，河床表面便会形成波状）8、沙波从平面形态分的四种类型：①带状（顺直）沙波②继续蛇曲（弯曲）状沙波③新月形沙波④舌状沙波。9、沙波表面附近的水流流速是沿程变化的，波峰处流速最大，波谷处流速最大，波谷处流速最小。☆10、沙波运动的两个重要现象：一是沙波对床沙的分选作用，二是较粗泥沙运动的间歇性。泥沙沿迎水面越过沙波峰顶后，在重力作用下，其中较粗的泥沙落到谷底，越细的泥沙越向上，形成上细下粗的分层淤积，这就是沙波运动对泥沙的分选作用。进入沙波背水面漩涡区淤积的泥沙随即被下移的沙波所覆盖，直到它再次出露，处于下一个沙波的迎水面上时才继续运动，颗粒越粗，覆盖的时间也越长，这就是沙波表面较粗泥沙运动的间歇性。11、床面阻力包括沙粒阻力和沙波阻力。其中，沙粒阻力系床面沙粒的摩阻而引起，也称表面阻力。沙波阻力属形状阻力，沙粒阻力和沙波阻力就是通常所说的动床阻力。12、河床阻力有床面阻力和河岸阻力两部分组成。求床面剪切力b和河岸剪切力w有两种方法：一是爱因斯坦的水力半径分割法；另一种是能坡分割法。13、推移质输沙率bG：在一定的水流及床沙组成条件下，河道处于不冲不淤输沙平衡状态时，单位时间内通过过水断面的推移质数量；一般情况下推移质输沙率以通过单位宽度的数量bg表示，称为单宽推移质输沙率。14、推移质输沙率的研究途径大致分为五类：①以流速为主要参变数②以拖曳力为主要参变数③根据能量平衡观点④从统计法则考虑⑤沙波运行规律15、建立以垂线平均流速为主要参变数的公式的基本思路是：认为影响推移质输沙强度的主要水力因素是流速，流速愈大，则推移质输沙率愈大。16、以拖曳力为主要参数的公式，其基本认识是拖曳力与起动拖曳力的差值愈大，推移质数量率也愈大。17、推导均匀沙推移质输沙率公式，从两个概念出发：泥沙的沉积率：单位时间单位面积的床面上沉落的泥沙的质量；泥沙的冲刷率：单位时间上从单位面积的床面上冲起的泥沙量。第三章悬移质运动1、泥沙按照其运动形式的不同，可分为推移质和悬移质；而按照其相对与床沙组成的粗细及来源的不同，运动泥沙又可分为床沙质和冲泻质。2、床沙质：悬移质中较粗的一部分以及绝大部分推移质来自相邻的上游段及本河段的河床，是从床沙中被带起进入运动的泥沙；床沙质与河床的冲淤变化有密切的联系，所以又称“造床质”。来源：推移质中的绝大部分，悬移质中的极少部分。3、冲泻质：悬移质中较细的一大部分以及推移质中的极小部分是床沙中很少或几乎不存在的，它们起源于上游的流域冲蚀，是被水流长途携带输送到本河段的。冲泻质泥沙与床沙几乎不发生交换，同河床演变关系不密切，因而也有把冲泻质称为“非造床质”的。来源：悬移质中的绝大部分，推移质中的极少部分。4、“床沙质与冲泻质”以及“推移质与悬移质”是对运动中两套不同的命名，不可将它们混淆。床沙质与冲泻质中，都可以同时包含有推移质与悬移质；反之，在推移质与悬移质中也可以同时包含有床沙质与冲泻质。5、单位体积浑水中所含泥沙的数量成为含沙量或含沙浓度，工程中常用S表示，其含义为浑水体积）泥沙所占质量（或重量S体积比含沙量：浑水体积泥沙所占体积vS重量比含沙量：浑水重量泥沙所占质量wS6、一方面，紊动扩散作用是泥沙上浮；另一方面，重力促使悬移质泥沙下沉，因此悬移质含沙量沿水深分布就决定于紊动扩散作用与重力作用的对比关系。（二者相比，当重力作用占优势，则悬移质向床面下沉的倾向超过向水面上浮的倾向，水流含沙量将逐渐增加，河床随之冲刷。当二者作用相当则含沙量将维持不变，河床不冲不淤。）（7、二元恒定均匀流中，平衡情况下含沙量沿垂线分布的基本微分方