河流動力學(xué)3章-hxgmzhang

主講教師：張紅霞

Email:河流動力學(xué)概論Introductiontorivermechanics教材：邵學(xué)軍王興奎.

《河流動力學(xué)概論》第1版.

清華大學(xué)出版社3.1床面形態(tài)與水流條件、泥沙特性的關(guān)系3.2沖擊河流床面形態(tài)的判別準(zhǔn)則及特性研究3.3水流阻力和斷面平均流速3.4峽谷或卵礫床面河道的綜合糙率計算3.5沙粒阻力和沙波阻力-1-床面形態(tài)與水流阻力第3章-2-3.2沖擊河流床面形態(tài)的判別準(zhǔn)則及特性研究1、shields數(shù)（無量綱參數(shù)）：反映水流促使床沙起動的力和床沙抗拒運動的力的比值。表達(dá)床沙可動性的參數(shù)，shields數(shù)越大，泥沙的可動性越強(qiáng)。決定推移質(zhì)運動的強(qiáng)度，shields數(shù)也稱為水流強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度。

3.2.1沙波運動的判別參數(shù)（3-6）-3-式中，τ0為床面上的剪切應(yīng)力，或稱壁面平均剪切應(yīng)力，D為泥沙粒徑，γs為固體泥沙顆粒的容重，γ為水的容重。3.2.1沙波運動的判別參數(shù)（3-6）-4-2、沙粒剪切雷諾數(shù)Re*：式中，U*為剪切流速或稱摩阻流速。3.2.1沙波運動的判別參數(shù)-5-2、沙粒剪切雷諾數(shù)Re*：3.2.1沙波運動的判別參數(shù)反映床沙高度與壁面粘性底層厚度的比值。間接衡量水流促使床沙運動的力與粘滯力的比值。是決定沙紋運動的一個重要無量綱參數(shù)。-6-3、傅汝德數(shù)Fr反映了斷面上水流慣性力與重力作用的比值。決定水流的流態(tài)。Fr在判別沙壟的運動時，是個常用參數(shù)。3.2.1沙波運動的判別參數(shù)-7-4、沙壟的波長λ是沙粒剪切雷諾數(shù)Re*和床面相對光滑度Z的函數(shù)。3.2.1沙波運動的判別參數(shù)-8-例3-1水力坡度表示單位流程上的水頭損失。3.2.1沙波運動的判別參數(shù)均勻流沿程水頭損失與切應(yīng)力的關(guān)系：水力坡度：-9-3.2.2低水流能態(tài)區(qū)的判別：平整-沙壟-沙壟區(qū)

1、圖3-5shields的泥沙起動條件及平整-沙紋-沙壟形態(tài)分區(qū)-10-

2、圖3-6Chabert和Chauvin基于shields結(jié)果的平整-沙紋-沙壟形態(tài)分區(qū)（法國Chatou夏都試驗室）3.2.2低水流能態(tài)區(qū)的判別：平整-沙壟-沙壟區(qū)-11-2、圖3-6顯示：當(dāng)沙粒雷諾數(shù)Re*很小時，即沙粒較細(xì)時（如Re*<10)，床沙起動后立即出現(xiàn)沙紋（）。當(dāng)沙粒雷諾數(shù)較大Re*時，即沙粒較粗時。床沙起動后尚能維持平整床面（）。只有當(dāng)shields數(shù)進(jìn)一步增大時才出現(xiàn)沙壟（）。3.2.2低水流能態(tài)區(qū)的判別：平整-沙壟-沙壟區(qū)-12-3、圖3-7劉心寬和Albertson的平整-沙紋-沙壟形態(tài)判別準(zhǔn)則3.2.2低水流能態(tài)區(qū)的判別：平整-沙壟-沙壟區(qū)-13-3、圖3-7則：3.2.2低水流能態(tài)區(qū)的判別：平整-沙壟-沙壟區(qū)（3-9）-14-而CD是顆粒繞流雷諾數(shù)Red的函數(shù)，即：則：3.2.2低水流能態(tài)區(qū)的判別：平整-沙壟-沙壟區(qū)（3-8）（3-9）3、圖3-7-15-則，平整-沙紋-沙壟區(qū)平面形態(tài)判別準(zhǔn)則也可用Re*與U*/w來描述，如3-7所示。

圖3-7顯示，Re*=80，沙紋仍然存在。另外，從泥沙起動到出現(xiàn)沙紋，中間存在有泥沙運動的動平整床面。3.2.2低水流能態(tài)區(qū)的判別：平整-沙壟-沙壟區(qū)-16-用Re*和gD3/v2繪制關(guān)系圖如3-8所示。3.2.2低水流能態(tài)區(qū)的判別：平整-沙壟-沙壟區(qū)(3-10)4、圖3-8-17-圖3-9，Garde和Albertson（加德和艾伯森）的沙壟-平整（過渡）-逆向沙壟區(qū)形態(tài)判別準(zhǔn)則圖。

圖中，對于一定的shields數(shù)，沙紋、沙壟、過渡區(qū)、逆向沙壟隨著Fr的增大而依次出現(xiàn)，這種發(fā)展趨勢是合理的。但是，當(dāng)shields數(shù)較大時，床沙具有較大的可動性，進(jìn)入逆向沙壟需要較大的Fr；當(dāng)shields數(shù)較小時，則相反。3.2.3高水流能態(tài)區(qū)的判別：沙壟-平整（過渡區(qū)）-逆向沙壟區(qū)-18-3.3水流阻力和斷面平均流速

河道阻力損失與一般管道或明渠水流阻力損失不同之處在于：

一般的管道或明渠水流的雷諾數(shù)比較起來不是很大，不少情況下，粘性剪切應(yīng)力與湍流剪切應(yīng)力同時出現(xiàn)。

而河道水流則不同，一般情況下，可以只考慮湍流剪切應(yīng)力作用，完全忽略粘性剪切應(yīng)力作用。-19-3.3水流阻力和斷面平均流速沖擊河流阻力3.3.1動床床面水流阻力的分解沿程阻力局部阻力河底的床面阻力河岸、邊壁阻力沙粒阻力沙波阻力源于河流平面形態(tài)特征的阻力，如主流先的擺動、河灣、河谷的突然擴(kuò)大等源于個別特大粗糙的阻力，如孤島、小島等-20-沙粒阻力和沙波阻力是動床阻力的專門性問題。沙粒阻力：起源于河床可動邊界上的顆粒粗糙和膚面摩擦的阻力，直接與推移質(zhì)顆粒運動、沙波消長有關(guān)，稱為沙粒阻力。沙粒阻力屬于膚面阻力。（R’為沙粒阻力對應(yīng)的水力半徑）沙波阻力：天然河流的床面形態(tài)則產(chǎn)生沙波阻力。沙波阻力屬于形體阻力。(R’’為沙波阻力對應(yīng)的水力半徑)3.3水流阻力和斷面平均流速3.3.1動床床面水流阻力的分解-21-例如，

當(dāng)床面處于動平整狀態(tài)時，盡管河床由可動沙粒組成，其阻力狀況與定床阻力類似，只需考慮沙粒阻力。當(dāng)床面出現(xiàn)沙波