第3章 河流泥沙的运动形式

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。

浅谈河流泥沙的运动规律摘要：泥沙在河流水流的作用下，有一定的运动形式，沿河底滑动、滚动或跳跃，这种运动形式称为推移质；被水流挟带随水流悬浮前进，这种运动形式称为悬移质。

由于天然河道同一河段流速随时间、沿程发生变化，各河断及各时段在流速较小时，细沙也可呈推移质形式运动；而流速增大时，粗砂也可转化为悬移质。

因此，实际情况中推移质和悬移质处于不断调整中，情况很是复杂。

本文着重讨论了悬移质泥沙的运动规律。

由于脉动，不同瞬时或短历时测量的悬移质含沙量就不会稳定，不能反映它的变化趋势，因此，悬移质含沙量等水文要素的测量应持续一段时间，最好大一个脉动周期。

关键词：河流泥沙；运动；规律；挟沙能力；脉动中图分类号：文献标识码：a该式结构特点表明，河流流速大、泥沙颗粒小、水深浅，则挟沙能力强。

水流挟沙能力一般指各级颗粒的沙源均为充足条件下的平衡含沙量，并不代表水流的实际含沙量，各级颗粒的沙源不充足会出现非饱和输沙，条件特殊时也会出现超饱和输沙。

但是，水流挟沙能力仍是分析河床冲淤或平衡问题的常用概念，当水流挟带的悬移质泥沙超过河段的水流挟沙能力时，这个河段必将发生淤积；反之，则会发生冲刷。

2悬移质的时空分布规律2.1河流泥沙变化的影响因素河流从流域挟带泥沙的多少与流域坡度、土壤、植被、季节性气候变化，降雨强度以及人类活动等因素有关。

河流泥沙随时间的变化，也就取决于这些因素随时间的不同组合和变化。

来源于地势、地形、土壤性质和植被状况等下垫面条件不同的地区河流的洪水，挟带的泥沙将会有显著的差别，多沙河流与少沙河流与流域下垫面状况紧密相关。

另外，对于冲积性河流，其承水河床由长期冲积的泥沙构成，水流流经这样的河段，常会挟带或沉积大量泥沙。

季节性的气候变化对河流泥沙的变化也有一定的影响。

汛前由于降水少，土壤疏松、干燥、抗冲能力差，因此，初夏的暴雨洪水常挟带较多的泥沙，秋末洪水含沙量较少。

降雨强度对河流泥沙的影响是：雨强大，则侵蚀能力强，从而使河流挟带的泥沙增多。

第四节河流泥沙的运动一、推移质运动推移质的运动来源于床面泥沙的起动。

当床面泥沙起动达到一定程度后，床面会出现起伏不平的沙波，而沙波运动又往往是推移质运动的主要形式。

因此，在介绍推移质运动时，往往需要涉及到河床泥沙的起动、起动流速及沙波运动的相关概念。

1.泥沙的起动流速设想床面为泥沙组成且具有一定厚度，在这种水槽中施放水流，使水流的速度由小到大逐渐增加，直到使床面泥沙(床沙)由静止转入运动，这种现象称为泥沙的起动。

泥沙颗粒由静止状态变为运动状态的临界水流条件，称为泥沙的起动条件。

泥沙的起动条件常用起动流速Uc表示，它相当于床面泥沙开始起动时的水流平均流速U。

对于天然沙，其起动流速常由下式计算：U c = 4.66131hd（3-3）式中，d为泥沙粒径；h为水深。

适用范围：d>0.15~0.2mm。

泥沙的起动流速是关系到河床冲刷状态的重要判据，因此，对它的研究具有重要的理论与实践意义。

例如，在研究坝下游河床冲刷时，首先需计算河床泥沙的起动流速。

当河道实际水流流速U超过床沙的起动流速Uc时，就可判定，河床就会被冲刷；反之，河床就不会发生冲刷。

河床在冲刷过程中，水深随之增加，流速降低，当发展到水流条件不足以使床面泥沙继续起动时，冲刷便会自动停止。

再如，组成河床的泥沙粗细不均时，则细的颗粒被水流优先冲走，粗的颗粒留下来逐渐形成一层抗冲覆盖层，冲刷逐渐停止下来。

河床冲刷前的高程与冲刷终止后的高程之差，即为河床的冲刷深度。

下面举例说明泥沙起动流速公式的具体实际应用方法及其意义。

算例：已知某水库下游河段河床沙质组成，河宽B=200m, 过水面积A=500m2，床沙平均粒径d=5.5mm, 问当水库下泄流量Q=500m3/s时,河床会否发生冲刷？可能冲深多少？解：（1）判断河床会否发生冲刷？V = Q/A = 500/500 = 1.0 m/sH = 500/200 = 2.5 m由沙莫夫公式Vc= 4.6d1/3H1/6 = 4.6×（5.5×10-3）1/3×2.51/6= 0.946 m/s∵ V > Vc，∴河床会发生冲刷。

泥沙动力学泥沙动力学00形成原理概述河流中泥沙在水流作用下产生的各种运动。

泥沙按其在水流中的运动状态，分为推移质和悬移质。

推移质指受拖曳力作用沿河床滚动、滑动或跳跃前进的泥沙；悬移质指受重力作用和水流紊动作用悬浮于水中随水流前进的泥沙。

在一定水流条件下，这两种泥沙可以互相转化。

泥沙的起动定义泥沙的起动：指泥沙在一定水流条件下由静止转入运动。

促使水平河床上的泥沙颗粒起动的力有上举力和推移力等。

颗粒抗拒起动的力有重力、颗粒间的摩擦力和物理化学作用引起的粘结力等。

当起动的力大于抗拒起动的力时，泥沙便由静止转入运动。

泥沙起动的水流条件用起动流速或起动拖曳力表示。

起动流速指泥沙由静止到起动的临界状态下的沿断面或垂线的平均流速。

起动拖曳力指泥沙处于起动临界状态下的床面剪切力。

无粘性均匀沙起动流速与泥沙粒径成正比，粘性细泥沙起动流速与粒径成反比。

研究斜坡上粘性沙的起动，还需要考虑床面倾斜。

沙波运动沙波运动：当流速超过起动流速一定程度，推移质运动达到一定规模时，河床表面形成起伏的沙波。

沙波运动是推移质运动的主要形态。

沙波由波峰、波谷和波高等组成(见图)。

相邻两波峰(或波谷)之间的长度称为波长，波峰与波谷之间的垂直距离称为波高。

天然河道上沙波的尺度大小很不一致。

最小的沙波叫沙纹，波高约1～2厘米，波长约几厘米至十几厘米。

中等尺度的沙波叫沙垅，波高由不足 1米到2～3米，波长由几米到100米以上。

最大的沙波叫沙丘,波高一般在几米，波长可达数百米。

天然河道上的沙波运动主要指沙垅运动。

沙波表面附近的水流速度分布很不均匀，波谷处最小，波峰处最大。

水流越过波峰以后，常常发生分离现象，产生水平轴向的回流，使沙波表面附近的流速成为负值。

这样的流态使沙波迎流面成为冲刷区，背流面成为淤积区，综合作用结果使整个沙波向下游爬行。

天然河道中沙波运动总是落后于水流运动。

沙波的运动速度还没有理想的计算公式。

悬移质含沙量沿垂线的分布一般近水面含沙量小，随水深而增大。

浅谈河流泥沙的运动规律摘要：泥沙在河流水流的作用下，有一定的运动形式，沿河底滑动、滚动或跳跃，这种运动形式称为推移质；被水流挟带随水流悬浮前进，这种运动形式称为悬移质。

由于天然河道同一河段流速随时间、沿程发生变化，各河断及各时段在流速较小时，细沙也可呈推移质形式运动；而流速增大时，粗砂也可转化为悬移质。

因此，实际情况中推移质和悬移质处于不断调整中，情况很是复杂。

本文着重讨论了悬移质泥沙的运动规律。

由于脉动，不同瞬时或短历时测量的悬移质含沙量就不会稳定，不能反映它的变化趋势，因此，悬移质含沙量等水文要素的测量应持续一段时间，最好大一个脉动周期。

关键词：河流泥沙；运动；规律；挟沙能力；脉动该式结构特点表明，河流流速大、泥沙颗粒小、水深浅，则挟沙能力强。

水流挟沙能力一般指各级颗粒的沙源均为充足条件下的平衡含沙量，并不代表水流的实际含沙量，各级颗粒的沙源不充足会出现非饱和输沙，条件特殊时也会出现超饱和输沙。

但是，水流挟沙能力仍是分析河床冲淤或平衡问题的常用概念，当水流挟带的悬移质泥沙超过河段的水流挟沙能力时，这个河段必将发生淤积；反之，则会发生冲刷。

2悬移质的时空分布规律2.1河流泥沙变化的影响因素河流从流域挟带泥沙的多少与流域坡度、土壤、植被、季节性气候变化，降雨强度以及人类活动等因素有关。

河流泥沙随时间的变化，也就取决于这些因素随时间的不同组合和变化。

来源于地势、地形、土壤性质和植被状况等下垫面条件不同的地区河流的洪水，挟带的泥沙将会有显著的差别，多沙河流与少沙河流与流域下垫面状况紧密相关。

另外，对于冲积性河流，其承水河床由长期冲积的泥沙构成，水流流经这样的河段，常会挟带或沉积大量泥沙。

季节性的气候变化对河流泥沙的变化也有一定的影响。

汛前由于降水少，土壤疏松、干燥、抗冲能力差，因此，初夏的暴雨洪水常挟带较多的泥沙，秋末洪水含沙量较少。

降雨强度对河流泥沙的影响是：雨强大，则侵蚀能力强，从而使河流挟带的泥沙增多。

河流泥沙测验方法河流中的泥沙，按其运动形式可分三类：悬移质泥沙浮于水中并随之运动；推移质泥沙受水流冲击沿河底移动或滚动；河床质泥沙则相对静止而停留在河床上。

三者没有严格的界线，随水流条件的变化而相互转化。

一般情况，河流中泥沙以悬移质为主。

描述河流中悬移质的情况，常用的两个定量指标是含沙量和输沙率。

单位体积内所含干沙的质量，称为含沙量，用Cs表示，单位为kg/m3。

单位时间流过河流某断面的干沙质量，称为输沙率，以Qs表示，单位为kg/s。

断面输沙率是通过断面上含沙量测验配合断面流量测量来推求的。

（一）含沙量的测量含沙量测验，一般需要采样器从水流中采取水样。

我国目前使用较多的采样器有横式采样器和瓶式采样器。

不论用何种方式取得的水样，都要经过量积、沉淀、过滤、烘干、称重等手续，才能得出一定体积浑水中的干沙重量。

水样的含沙量可按式计算：式中：Cs --- 水样含沙量，g/L 或kg/m3；Ws --- 水样中的干沙重量，g 或kg；V --- 水样体积，L或m3；（二）输沙率测验输沙率测验是由含沙量测定与流量测验两部分工作组成的。

为了测出含沙量在断面上的变化情况，由于断面内各点含沙量不同，因此输沙率测验和流量测验相似，需在断面上布置适当数量的取样垂线，通过测定各垂线测点流速及含沙量，计算垂线平均流速及垂线平均含沙量，然后计算部分流量及部分输沙率。

对于取样垂线的数目，当河宽大于50m时，取样垂线不少于5条；水面宽小于50m时，取样垂线不应少于3条。

垂线上测点的分布，视水深大小以及要求的精度而不同。

（三）悬移质输沙量的计算人们从不断的实践中发现，当断面比较稳定、主流摆动不大时，断面平均含沙量（简称断沙）与断面某一垂线或某一测点的含沙量（简称单沙）之间有稳定关系。

通过多次实测资料的分析，建立其相关关系。

这样经常性的泥沙取样工作可只在此选定的垂线（或其上的一个测点）上进行，便大大地简化了测验工作。

根据多次实测的断面平均含沙量和单样含沙量的成果，以单沙为纵坐标，以相应断沙为横坐标，点绘单沙与断沙的关系点，并通过点群中心绘出单沙与断沙的关系线。

第3章水力侵蚀主要教学目标 (2)主要内容 (2)主要讲解内容 (2)第一节水流作用 (2)第二节溅蚀 (4)第三节面蚀 (8)第四节沟蚀 (11)第五节山洪侵蚀 (14)第六节海岸、湖岸及库岸浪蚀 (17)主要教学目标：分析水力侵蚀发生机制及其发展规律，阐述影响水力侵蚀的自然因素，使学生在掌握上述内容基础上进一步掌握防治水力侵蚀的基本原理。

教学方法以教师课堂结合图片讲授为主，学生课下自习为辅。

主要内容：第一节水流作用第二节溅蚀第三节面蚀第四节沟蚀第五节山洪侵蚀第六节海岸、湖岸及库岸浪蚀主要讲解内容第一节水流作用一、水流剥蚀作用1.判断条件水流剥蚀也就是地表泥沙被水流带走，沙粒可以呈滑动或滚动形式运动。

是否发生剥蚀可根据泥沙起动条件来判断。

在水流流动时，砾石顶部和底部水流流速不同，根据伯努里定律，顶部流速高压力小；底部流速低压力大。

所造成的压差产生了上举力P y，方向朝上，并通过颗粒重心。

2.数量关系沙砾在流水作用下，无论是滑动或滚动，沙砾粒径总是与起动流速平方成正比。

而泥砂体积或重量又与其粒径三次方成正比，因此颗粒的重量与流速间有G∝的关系。

这就是为什么山区河流能够搬动粗大砾石的原因。

二、水流搬运作用泥沙的搬运形式可分为推移和悬移两大类。

这两种形式运动的泥沙分别称为推移质及悬移质，它们各自遵循不同的规律。

1.泥沙搬运方式泥沙起动以后，在水流上举力作用下可以跳离床面，与速度较高的水流相遇，被水流挟带前进。

但泥沙颗粒比水重，它又会逐渐落回到床面，并对床面上的泥沙产生一定冲击作用，作用的大小取决于颗粒的跳跃高度和水流流速，如沙粒跳跃较低，由于水流临底处流速较小，泥沙自水流中取得的动量也较小，在落回床面以后就不会再继续跳动；如沙粒跳跃较高，自水流中取得的动量较大，则落于床面以后还可以重新跳起。

流速继续增加，紊动进一步加强，水流中充满着大小不同的旋涡，这时泥沙颗粒自床面跃起后，有可能被旋涡带入离床面更高的流区中，随着水流以相同速度向前运动，这样的泥沙称为悬移质(图3.3)。

第四节河流泥沙的运动一、推移质运动推移质的运动来源于床面泥沙的起动。

当床面泥沙起动达到一定程度后，床面会出现起伏不平的沙波，而沙波运动又往往是推移质运动的主要形式。

因此，在介绍推移质运动时，往往需要涉及到河床泥沙的起动、起动流速及沙波运动的相关概念。

1.泥沙的起动流速设想床面为泥沙组成且具有一定厚度，在这种水槽中施放水流，使水流的速度由小到大逐渐增加，直到使床面泥沙(床沙)由静止转入运动，这种现象称为泥沙的起动。

泥沙颗粒由静止状态变为运动状态的临界水流条件，称为泥沙的起动条件。

泥沙的起动条件常用起动流速Uc表示，它相当于床面泥沙开始起动时的水流平均流速U。

对于天然沙，其起动流速常由下式计算：U c = 4.66131hd（3-3）式中，d为泥沙粒径；h为水深。

适用范围：d>0.15~0.2mm。

泥沙的起动流速是关系到河床冲刷状态的重要判据，因此，对它的研究具有重要的理论与实践意义。

例如，在研究坝下游河床冲刷时，首先需计算河床泥沙的起动流速。

当河道实际水流流速U超过床沙的起动流速Uc时，就可判定，河床就会被冲刷；反之，河床就不会发生冲刷。

河床在冲刷过程中，水深随之增加，流速降低，当发展到水流条件不足以使床面泥沙继续起动时，冲刷便会自动停止。

再如，组成河床的泥沙粗细不均时，则细的颗粒被水流优先冲走，粗的颗粒留下来逐渐形成一层抗冲覆盖层，冲刷逐渐停止下来。

河床冲刷前的高程与冲刷终止后的高程之差，即为河床的冲刷深度。

下面举例说明泥沙起动流速公式的具体实际应用方法及其意义。

算例：已知某水库下游河段河床沙质组成，河宽B=200m, 过水面积A=500m2，床沙平均粒径d=5.5mm, 问当水库下泄流量Q=500m3/s时,河床会否发生冲刷？可能冲深多少？解：（1）判断河床会否发生冲刷？V = Q/A = 500/500 = 1.0 m/sH = 500/200 = 2.5 m由沙莫夫公式Vc= 4.6d1/3H1/6 = 4.6×（5.5×10-3）1/3×2.51/6= 0.946 m/s∵ V > Vc，∴河床会发生冲刷。