河流动力学

11.等容粒径（假定球体）D：算数品均值D：几何品均值（椭球体）D:泥沙级配曲线（群体性）：表示天然泥沙组成特性，在采集的代表沙样中，小于某种粒径的泥沙累计百分数与该粒径在半对数纸上的关系曲线。粒配曲线反映的特性⑴可反映沙样颗粒的大小和范围；⑵可反映沙样组成的均匀程度。沙样的特征粒径：⑴平均粒径Dm：粒径按其所占重量的百分比为权的加权平均值。1100niimiPdd，maxmin2iddd⑵中值粒径50d表示在全部沙样中，大于和小于这一粒径的泥沙重量刚好相等。求法：粒配曲线—P=50%天然沙的平均粒径常常大于中值粒径2.细颗粒泥沙的物理化学特征。细颗粒泥沙在含有电解质的水中，颗粒周围会形成双电层。通常细颗粒泥沙的主要成分是粘土矿物，它们在含有电解质的水中会发生两种可能：电解质中的离子吸附在泥沙颗粒表面；泥沙颗粒表面的分子发生离解。不论哪种情况都使泥沙颗粒表面带有负电。由于凝絮作用，细颗粒在沉积时会连结成絮团，絮团与絮团会连接成集合体，集合体还会搭连而形成网架。絮凝的新沉积物是一个高度蜂窝状的结构，含水量很高，密度很低，这样的淤积物具有很低的抗剪强度或粘结力。3.沉速概念，泥沙沉降状态。单颗粒泥沙在无边界影响的静止清水中的匀速下沉的速度。因数值主要和粒径有关，也称水力粗度，常用ω表示,单位:cm/s.沉降的形式,泥沙颗粒在静水中下沉时的运动状态与沙粒雷诺数ReddG沙粒性力水流粘Z力（式中和d、ω分别为泥沙的粒径及沉速，ν为水的运动粘滞性系数）①层流状态下降:Red0.5,颗粒基本沿垂线下沉，颗粒不发生摆动、转动、滚动，周围水体不发生紊乱现象。颗粒沉降属于层流状态，下降速度较慢，绕流阻力以摩擦阻力为主，压差阻力相对较小，dC与Red呈直线关系②紊流状态下降:Red1000,泥沙颗粒脱离铅垂线，以极大的紊动状态左摇右摆下沉，附近的水体产生强烈的绕动和涡动。压差阻力远大于摩擦阻力，其大小与Red无关③过渡状态下降:Red=0.5~1000,泥沙沉降状态处于二者之间。随Red增大，压差阻力不断增大，摩擦阻力不断减小，阻力系数与沙粒雷诺数之间为曲线关系4.影响泥沙沉速因素。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，形状愈扁平，阻力系数CD愈大，其沉速愈小；水质对沉速的影响。主要影响对象是D0.03mm的细颗粒泥沙。①影响絮凝现象的第一个因素是泥沙粒径。泥沙愈细，絮团愈大②水中电解质的离子浓度与价数。反离子的价数高，絮凝作用强。另外，在小含盐度的范围内，絮凝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，含盐度的增大，对平均沉速的影响不大；含沙量对沉速的影响。5.影响泥沙淤积物干容重因素。取未经扰动的原状沙洋，量出它的体积，然后在烘干箱内经100度烘干后，其重量与原状沙洋整个体积之比，称干容重。N/m3。①泥沙粒径。粒径较粗的泥沙干容重大，变化范围小。②泥沙淤积厚度。淤积愈深，干容重愈大，变化范围愈小。③淤积历时。干容重随淤积历时的增加而趋向于一个稳定值。④泥沙组成：组成越不均匀，孔隙率越小，干容重越大。8.含沙量分布的重力理论原理，优缺点。泥沙比水重，为维持泥沙在水流中悬浮而不下沉，2需要水流对泥沙做功将其托起。水流所做的这部分功称为“悬浮功”。按照威力卡诺夫的观点，水流提供的能量将分成两部分而消耗：一部分用于克服阻力损失，一部分用于提供悬浮功。重力理论正确地用考虑了水流挟沙对水流与泥沙垂向运动速度的影响；特别是正确地提出了悬浮功的概念。但是威力卡诺夫却错误的把悬浮功放到了时均水流的能量平衡方程式中去考虑。水流悬浮泥沙所消耗的是紊动动能，后者是水流为克服阻力已经消耗的能量。因此，悬浮功是阻力功的一部分，在时均能量平衡方程式中不应重复计算两次。9.水流挟沙能力概念及影响因素。在一定水流与河床组成条件下，单位时间内能够通过河段下泄的沙量称为总输沙率；它是指河床处于不冲不淤平衡状态，水流能够输送的包括悬移质和推移质在内的全部沙量。也称水流挟沙力。这些条件包括水流总流的平均流速U、过水断面面积A、水力半径R、清水水流的比降J、浑水水流的比降Js、泥沙沉速水的密度、泥沙的密度s床面组成等边界条件。10.全沙输沙率概念，全沙测验与悬浮指标关系。把推移质输沙率与全部悬移质包括冲泻质在内的输沙率之和叫做全沙总输沙率。11.河床演变原理。1输沙不平衡是产生河床演变的根本原因产生不平衡的原因可能有：进口水沙条件；出口侵蚀基点（包括侵蚀基面和水流条件如潮汐）；河床周界条件如沙波运动。2河床具有自动调整作用:由输沙不平衡造成的变形在一定条件下往往朝着停止变形的方向进行。调整方向是从输沙不平衡向平衡的方向发展，通过改变河宽、水深、比降、床沙组成使挟沙力与来沙相适应，从而使淤积和冲刷向着其停止的方向发展。12.造床流量概念与确定。造床流量是指其造床作用与多年流量过程的综合造床作用相当，对塑造河床形态起着控制作用的某一个流量。造床流量确定方法：平滩流量法（平滩水位法，实际工作中运动较广泛的方法）；计算法（马卡维耶夫法），基本思路：某个流量造床作用的大小，既与该流量输沙能力有关，也与其持续时间有关。13.河床横向稳定及纵向稳定。（所谓河床稳定性，是指随着流域来水来沙条件因时间的变化，河流所表现出来的局部的暂时的，相对变异幅度，而不是指一条河流是否正处于相对平衡状态）横向稳定系数决定河岸稳定性的主要因素是其土壤的抗冲能力，抗冲能力愈强，则河岸愈稳定。其次是滩槽高差。在河岸土壤抗冲能力相同的条件下，滩槽高差愈大，则冲开同一宽度须带走的土方量愈大，因而需要的时间也愈长，河岸也愈稳定。河床的纵向稳定性决定于泥沙抗拒运动的能力与水流对泥沙作用之间的对比关系。14.弯道环流分析。由于水柱上各点的纵向时均流速u是从水面向河底逐渐减小的，因此所受的离心力自然也是从水面向河底逐渐减小。而由水面横比降产生在同一单位水柱体上各点所受到的压力差（P2－P1），即则是自水面向河底均匀分布的。其结果就形成表层水流流向凹岸，底层水流流向凸岸的封闭的横向环流。这一环流叠加在主流上，使水流呈螺旋式运动。横比降通常在弯道顶点附近达最大值，向上下游两方向逐渐减小。15.河流动力轴线（主流线）。水动力轴线为河段中沿流程各断面最大垂线平均流速所在位置的连线，亦称主流线。它反映了水流最大动力所在位置，对河床演变有重大影响。16.影响河床演变的主要因素。①河段的来水量及其变化过程②河段的来沙量、来沙组成及其变化过程③河段的河谷比降④河段的河床形态及地质情况。17.平原（冲积）河流的河型。弯曲河道、分叉河道、顺直（微弯）河道、游荡河道。18.弯曲河道的水流运动，一般演变特性。弯曲型河流也有称为蜿蜒型河流的，它不但具有迂回曲折的外形，而且还具有蜿蜒蠕动的动态特征。弯道水流的动力特征，决定着泥沙运动的性质，从而决定了弯曲河流的演变特性。弯道水流不同于直道水流，弯道上的水流做曲线流动，由于离心力的作用使水面产生横比降，同时表层水流流向凹岸，而底层水流则由凹岸流向凸岸，形成一封闭的环状水流，这种环状水流与纵向水流相结合形成螺旋流。19.游荡河道演变特性。其一般形态：河身宽浅，河中沙滩密布，汊道众多，水流散乱，主3流摆动不定。①多年平均情况下，河床不断淤积抬高，形成“地上河”②年内的冲淤变化，一般是汛期主槽冲刷，滩地淤积，而非汛期则相反③沙洲移动迅速，河道外形经常改变，冲淤变化幅度极大④主槽经常摆动，而且摆动的速度和幅度都很大。20.异重流概念。指两种密度相差不大、可以相混的流体，在条件适宜时因密度差异而产生的相对运动；在运动过程中，各层流体能基本保持原来的面貌，不因交界面上存在的紊动掺混作用而发生全局性的混合现象。21.异重流基本特征。重力作用大大减弱；惯性作用相对突出；阻力作用明显增强。22.泥沙启动概念。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。23.泥沙起动希尔兹曲线反映的泥沙起动特性。曲线为马鞍形-在沙粒雷诺数为10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，这时有曲线最低点；床面处于光滑区时，泥沙受近壁层流层的隐蔽作用，需要更大的拖拽里才能使之运动，沙粒雷诺数2，曲线成为一条45°的斜线，亦即启动拖拽力与泥沙粒径无关；沙粒雷诺数10，近壁层流层不起隐蔽作用，随着粒径加大，泥沙重量增大，加强了泥沙颗粒的稳定性，使起动拖拽力亦相应加大，在沙粒雷诺数1000后，为常数。24.起动流速概念与计算，止动流速概念，两者比较。用水流垂线平均流速来表示的叫起动流速。泥沙颗粒由运动状态转变为静止状态时的临界垂线平均流速。止动流速必小于起动流速25.沙波发展主要的阶段。静平整；沙纹；沙垄；过渡；动平整；沙浪；碎浪；急滩与深潭。26.沙波运动对阻力影响。天然河流中沙波的发生、发展及其形态变化，对河道阻力损失的影响是很大的，这是由于在波峰下游面往往形成平轴漩涡，从而助长紊动，大的沙波是形成大尺度紊动的根源之一，而大尺度紊动将直接影响水流的阻力损失。27.床面阻力与河岸阻力划分方法。水力半径分割法、能坡分割法。28.悬沙垂线分布ROUSE公式推导假设，缺陷。挟沙水流的流速分布遵循对数分布规律，并取k=0.4；泥沙沉速不随y而变；等于单个颗粒在无限静止水体中的沉速。一是水面的含沙量恒等于零，y=H,s=0；二是床面的含沙量为∞，这当然与实际不符,y→0，s→∞；（缺陷的出现与假定有关。）29.分汊型河道水流运动，演变特性。分流区的分离点高水下移，低水上提；存在环流。分流区水位，支汊一侧高于主汊一侧。汇流区水位，支汊一侧低于主汊一侧。两个高速区，中间低速区。分流区存在环流，有单项、双向、复杂。两侧含沙量大，中间含沙量小。最主要的特点是主汊、支汊的易位，其他如洲头、洲尾的冲淤，汊道的横向位移，各汊的纵向冲淤等。30.断面河相关系。处于平衡或准平衡状态的冲积河流，其河床形态与河床边界条件之间的关系为河相关系。同一断面相应于不同流量的河相关系，它能确定断面形态随流量变化的细节，称为断面河相关系。31.悬浮指标概念及对含沙量垂线分布的影响，ROUSE公式计算。它反应了重力作用与紊动扩散作用的相互对比关系。z愈小，悬移质分布愈均匀；z愈大则分布愈不均匀。()ZaSHyaSyHa*zku32．不平衡输沙概念。水流挟沙力不等于来沙量造成河床的冲或淤。其特点是含沙量沿程变化；有冲淤现象。33.张瑞谨泥沙沉速公式分析思路与计算。思路：根据阻力叠加原理，泥沙颗粒下沉时所受的阻力和有效重力平衡。1.层流区（Red0.5，常温下d0.1mm）42sdgv2.紊流区（Red1000，常温下d4mm）sgd3.过渡区（0.1d4mm，0.5Red1000）213.91.0913.95svvgddd34.泥沙运动分类。床沙：组成河床表面的静止泥沙，又称河床质。特点：静止、较粗；推移质：沿河床滑动、滚动及跳跃前进的泥沙。特点：运动间歇性、可与床沙交换、速度较水流慢（接触质、层移质、跃移质）；悬移质：被水流携带、远离床面悬浮于水中运动的泥沙。特点：颗粒细，与水流速度基本相同。35.推移质、悬移质、它们的联系与区别。推移质与悬移质划分：悬移指数Z5，为推移质；推移质与悬移质的区别：运动规律不同：输沙率与水流的切力关系不同，输沙量不同。能量来源不同：推移质消耗水流的时均势能，增大阻力；悬沙来自紊动动能。对阻力是间接的。对河床作用不同。悬沙通过容重增大静水压力；推移质通过颗粒间离散力与河床作用。36.床沙质与冲泻质概念与特性。床沙质：对某一河段来说，较粗的悬沙及大部分推移质可以看成是来自相邻的上游段和本河段的河床是从床沙中被带起进入运动的泥沙，因此称为床沙质。冲泄质：较细的悬沙中的大部分及推移质中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，是被水流长途挟带输送到本河段的。特性：1与水力条件的关系：，河段的床沙质输沙率和上游来沙量无关，只与本河段的