河流动力学第三章

《河流动力学》课程教学大纲英文名称：河流动力学（River Dynamics）课程编号：080820047总学时：32适用对象：水文与水资源工程专业本科第三年先修课程：水力学，自然地理学，水文测验学大纲主撰人：大纲审核人：一、课程性质、作用、教学目标1．本课程为水文与水资源工程专业的一门必修专业基础课。

2.目的是使该专业学生了解冲积河流在自然状态下以及受人工建筑物影响以后所发生变化的基本特性。

流域上产生的泥沙进入支流、干流河道后，对河道的水流运动、河道演变及沿河的工业、农业、生活取排水工程有重要影响。

领会学习处理复杂问题的思路及方法，能初步掌握河流泥沙运动的基本规律，分析水流泥沙运动与河道演变对环境的影响，在一定意义上，它也是一门专业课。

通过本课程的学习，让本专业的学生掌握泥沙运动的观测、采集、分析、计算方法，运用所学知识去分析工程中遇到的泥沙问题。

二、教学内容基本要求第一章绪论授课学时：2基本要求：了解河流动力学的研究对象、研究任务、研究方法。

介绍该学科的发展过程，学科的性质、地位、作用，介绍典型工程泥沙问题实例。

第二章河道水流授课学时：4基本要求：2-1 了解河道水流的基本特性：二相性、三维性、非恒定性、非均匀性。

2-2 了解紊动切力：紊动切力的概念、表达式及沿水深的分布规律。

2-3 了解明渠水流垂线流速分布：流速分布的层区，对数流速分布公式介绍。

2-4 掌握明渠水流阻力：阻力的表达形式及相关关系。

2-5 了解明渠水流能量的内在结构：单位水体提供能、消耗能和传递能之间的关系沿垂线分布，挟沙后的能量变化。

重点：水流基本特性和水流阻力难点：水流的能量结构第三章河流泥沙基本特性授课学时：8基本要求：3-1 掌握泥沙的物理特性：泥沙的粒径、沙样的级配曲线、泥沙的形状、容重；3-2了解细颗粒泥沙表面物理化学性质：双电层结构与结合水膜，絮凝与分散现象；3-3了解浑水的基本特性：浑水的含沙量、流型、粘滞性；3-4掌握泥沙的沉降速度：球体的沉降机理、泥沙的沉速公式及影响因素；3-5掌握河流泥沙的分类：按泥沙粒径大小、泥沙运动及造床作用分类；重点：泥沙的物理特性和泥沙的沉速难点：泥沙表面物理化学性质第四章推移质泥沙运动授课学时：4基本要求：4-1了解泥沙起动：起动的机理、泥沙起动的希尔兹关系、起动流速公式、起动的随机性、非均匀泥沙的起动；4-2了解推移质输沙率：均匀沙推移质输沙率公式、各类公式的基本思路、非均匀沙泥沙的处理。

绪论1、河流动力学的概念：河流动力学是研究冲击河流在自然状态下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科学。

河流变化是水流与河床相互作用的结果：水流是动力条件，河床是边界条件；通过泥沙交换来相互作用。

本课研究内容：水流结构，泥沙运动，河床演变及预测。

谢才公式曼宁公式对数流速垂线分布摩阻流速u*=（gHJ）0.5第一章泥沙特性1泥沙的基本特性：几何特性，重力特性，水力特性2等容粒径：体积与泥沙颗粒相等的球体的直径（详见p5）算术平均值，几何平均值3泥沙的孔隙率：泥沙中孔隙的容积占沙样总容积的百分比成为孔隙率4泥沙孔隙率的影响因素：泥沙孔隙率因沙粒大小及均匀度，沙粒的形状，沉积的情况及沉积后受力及历时长短5比表面面积：颗粒表面及与体积之比。

表达式：6/D详见p86沙粒的干容重与干密度：经过100～105度烘干后的沙样质量与为烘干前原样沙体积比（概念，影响因素及规律详见p10～11）影响因素：泥沙颗粒大小，组成均匀程度，淤积深度，淤积历时，泥沙的化学成分，淤积环境及水文条件等。

7干容重的影响因素：1）泥沙粒径2）泥沙淤积厚度3）淤积历时8泥沙沉速：单颗粒泥沙在无大静止清水体中匀速下沉时的速度称为泥沙的沉降速度9影响沉速的因素：绕流状态，泥沙形状，水质，含沙量等1. 等容粒径D：就是体积与泥沙颗粒相等的球体的直径。

2. 泥沙粒径测量方法：测量法（D》20mm）;筛析法（0.1mm《D<20mm）；显微镜法（D<0.1mm）；沉降法。

3. 粒配曲线：通过颗粒分析（筛分、水析），求出沙洋中各粒径泥沙质量，算出小于各粒径泥沙质量，然后在半对数坐标上，将泥沙粒径D绘于横坐标（对数分格）上，小于该粒径泥沙在全部沙洋中所占百分比p绘于纵坐标轴上，绘出的D~p关系曲线，即为粒配曲线。

4.影响泥沙孔隙率的因素：1．粒径均匀泥沙孔隙率最大2.泥沙形状3.泥沙沉积方式5. 比表面积：颗粒表面积与其体积之比。

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(πV D =泥沙粒径可用长轴a ，中轴b ，短轴c 的算术平均值表示)(31c b a D ++= 假设成椭球体，用几何平均值表示3abc D =2、粒配曲线的作法：(图1-1 p6)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50D 2）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min max D D 和 以及各组泥沙在整个沙样中所占重量百分数i p ∆，然后求出各组泥沙的平均粒径32min max min max i min max D D D D D D D D i +++=+=或∑∑==∆∆=n i i n i i im pp D D 11n —为划分组数；2502σe D D m =，其中σ—沙样粒径分配的均方差，9.151.84ln D D =σ 当σ为零时，沙样均匀，50D D m =，一般沙样不均匀，σ总是大于零，因此，通常50D D m >3）分选系数（非均匀系数）25750D D S =，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。

第一章绪论1、河流动力学是什么样的学科？主要研究什么？答：河流动力学是研究河道水流、泥沙运动、河床演变规律及其应用的学科.主要研究内容包括:①水流结构:研究水流内部运动特征及运动要素的空间分布;②泥沙运动：研究泥沙冲刷、搬运和堆积的机理;③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。

（由一条河流从表层到底部记忆,水流——泥沙——河床)2、河流动力学的鲜明特点：半经验半理论3、河流动力学的应用？答：①港口选址论证；②航道整治;③排除修建水利枢纽的不利影响第二章水流的紊动1、紊流的特性答：①即使在流量不变的情况下，流场中任意一点的流速和压力也随时间呈不规则的脉动；②紊流具有扩散性2、如何判断紊流的发生?答：通过雷诺数进行判断。

Re<2000左右，属层流；Re在10000~12000时，进入紊流范围3、紊流发生的分类答：①水流很快流过固体边界，边界是静止的，水流是运动的；②两种不同流速的液体相接触，在接触面上的流速梯度也产生漩涡；③水流绕过物体或物体在静水中运动时，在物体背面,水流发生分离而产生漩涡。

5、紊动切应力如何产生？主要内容？答6、流速分布公式实际应用注意问题？答：①天然河道Ks（明渠水流周界上的粗糙突起高度)难以直接测量.采用实测的方法来确定,即测出水槽的流速分布及u*值,再求出Ks；无法实测则查阅书册确定；②流速分布曲线原点对于不同床面不同第三章泥沙特性1、孔隙率?答：孔隙率是泥沙中孔隙的容积占沙样总容积的百分比 2、比表面积含义答：颗粒表面积与其体积之比 3、双电层现象?粘结水?粘滞水？答：水中(电解质中）离子吸附在泥沙表面和泥沙表面分子离解使泥沙颗粒表面带有负电荷，负电荷将吸引水中正电荷的离子形成吸附层。

吸附层的离子不足以平衡颗粒电荷，继续吸附异号电荷形成扩散层，这就是双电层现象。

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失去自由活动的能力，整齐、紧密排列，这部分被称为粘结水。

1.写出明渠均匀流动断面平均流速的经典阻力方程式。

答：, , ,,2.试述明渠均匀流动断面平均流速的对数律公式各变量的意义。

答：其中，k s为边界粗糙突起的高度，也称边壁粗糙尺度或床面粗糙尺度；，为沙粒阻力对应的剪切流速；χ为校正系数，R’为沙粒阻力对应的水力半径。

3.分析下列针对明渠水流阻力问题所作的判断是否正确：（1）Manning系数n只随边界粗糙度而变；（2）Darcy-Weisbach系数f不仅与边界粗糙程度有关，还与水深有关。

答：（1）错，n有时与水流状态有关，这很大程度上是天然河河底、河岸边界的可变性造成的。

如河底沙波的消长，或当河渠中的杂草生长时，水流强度低的情况下杂草直立使n值较大，而水流强度大的情况下（例如发生洪水时），杂草会倒伏，使得n值较小。

（2）对，因为，所以，所以f与R有关，而R与h有关，所以f与h有关。

4.Shields数可以看作哪两个力的比值？答：Shields数可以看作水流作用在床面上的剪切应力与床面颗粒抵抗运动的力的比值。

5.试说明水流的流区与床面形态之间的关系。

答：对应于定床水流的缓流、临界流、急流三种情况，可以将动床明渠水流的能态分为如下三种，各自对应于不同的床面形态。

（1）低能态流区：其床面形态包括：①沙纹；②沙垄。

（2）过渡区。

其床面形态是平整床面，这是从沙垄到逆行沙垄的过渡区。

（3）高能态流区。

其床面形态包括：①平整床面；②逆行沙垄和驻波；③急滩与深潭。

非平整状况下沙质河床形态统称为沙波。

6.某渠道断面为梯形，底宽为5.0 m，边坡1﹕2，坡降J = 3/10000（万分之三），边壁突起高度k s=0.008mm，无床面形态，试用Einstein的断面平均流速公式求Q=35m3/s时的水深。

解：，，因为是无床面形态，所以χ可查图3-10h=2.586m8. 已知：梯形断面渠道如图，Q=40m3/s，坡降J=8/10000（万分之八），b=5m，ν=10-6m2/s，泥沙粒径D35=0.3mm，D65=0.9mm，水深h=2.0m。