講義《河流動力學》大學教材課件床面形態(tài)與水流阻力

第三章床面形態(tài)與水流阻力序言﹡沖擊河流的床面形態(tài)是其流動邊界可動性所引起的特有現象。（邊界可動性的控制因素：水流的水動力學條件和泥沙顆粒自身的運動特性）這種情況下，河床的床面不是固體平面壁而是由松散顆粒組成。床面形態(tài)與河流的流動結構、水流阻力、泥沙輸運等問題有密切的內在聯系?！?-1床面形態(tài)與水流條件、泥沙特性的關系﹡理論上建立床面形態(tài)發(fā)展變化的方程式尚未完善，對其研究主要從試驗、觀測手段入手。﹡在沖擊河流中，從平面形態(tài)上看，有時出現二維的床面形態(tài)，可以是垂直于水流方向，如圖3-2順直沙紋；也可以是平行于水流方向的沙脊，如圖3-3所示?！?-1床面形態(tài)與水流條件、泥沙特性的關系§3-1床面形態(tài)與水流條件、泥沙特性的關系§3-1床面形態(tài)與水流條件、泥沙特性的關系一、水流流態(tài)與動床床面形態(tài)斷面比能ES隨水深的變化與流態(tài)有直接聯系，用Froude表達。明渠水流有三種流態(tài)：緩流、臨界流、急流?！?-1床面形態(tài)與水流條件、泥沙特性的關系二、動床床面形態(tài)分類

1.低能態(tài)流區(qū)

沙紋、沙壟

2.過渡區(qū)

平整床面從沙壟到逆行沙壟的過渡

3.高能態(tài)流區(qū)

平整床面；逆行沙壟；急灘與深潭§3-1床面形態(tài)與水流條件、泥沙特性的關系說明：床面形態(tài)一方面與水流的流態(tài)有密切關系，另一方面取決于床沙的物理性質，特別是其粒徑。

床面形態(tài)的出現與推移質泥沙的輸運過程密切相關，可以說是泥沙輸運的表現形式。

沖擊河流床面形態(tài)的分類與特性表如下：床面形態(tài)形狀尺寸運動特征成因沙紋迎水面長而直；背水面短而陡波高0.5~2cm波長1~15cm泥沙粒徑<0.6mm迎水面沖刷；背水面淤積，向下游運動的速度<水流流速近壁流層的不穩(wěn)定性沙壟與沙紋相似波長數百米至千米波高1~3m迎水面沖刷；背水面淤積，向下游運動的速度<<水流流速水流的大尺度紊動結構平整床面平整“動平床”Fr在0.84~1.0之間水流強度的加大逆行沙壟接近正弦曲線最小波長2πU2/g迎水面淤積；背水面沖刷，泥沙向下游運動床面形態(tài)向上游運動時均水流的特性急灘與深潭極為陡峻的河流如山區(qū)河流中發(fā)生§3-1床面形態(tài)與水流條件、泥沙特性的關系三、沙波

1、概念

非平整狀況下沙質河床的床面形態(tài)統(tǒng)稱為沙波。從實際觀察得知：凡是推移質運動達到一定規(guī)模的處所，河床表面便形成起伏的沙波（沙浪）?！?-1床面形態(tài)與水流條件、泥沙特性的關系

沙波運動——泥沙顆粒除了推移質、懸移質的運動形式以外，在河床表面還作各種不同形式的集體運動。包括泥顆在床面因不同水流強度構成不同階段的群集運動（如：沙紋、沙壟、動平整、急灘等）。水槽中可復演每一階段，但在天然河流中只包括了上述其中一部分?！?-1床面形態(tài)與水流條件、泥沙特性的關系

就同一地段來說，因不同季節(jié)有不同水流條件，故出現不同階段的發(fā)展，表現為床面上不同的微地形形態(tài)，異于一級大地形（如：沙洲、邊灘、心灘、沙咀等）。

注意：沙波的發(fā)展各階段只屬于河床周界過程邊壁的粗糙性質方面，與大地形的屬于河床演變的重要內容有較大區(qū)別。§3-1床面形態(tài)與水流條件、泥沙特性的關系2、形狀﹤從平面角度看﹥

①帶狀沙波：波峰基本呈平行直線，與流向垂直或略斜交，僅限于沙波形成初期

②蛇狀沙波：波峰為不規(guī)則曲線，大致與流向垂直，常見。§3-1床面形態(tài)與水流條件、泥沙特性的關系2、形狀﹤從平面角度看﹥

③舌狀沙波：與④相似，波峰凸向于下游。

④堆狀沙波（新月形沙波）：波長（波寬）基本相等，排列整齊，似魚鱗狀，波峰多凸向于上游，常見?！?-1床面形態(tài)與水流條件、泥沙特性的關系3、“產生與消亡”說

⑴多種“產生”說

①水深較小的明渠，其產生與水面波相聯系（不圓滿）；

②河床組成的不均勻性與水流的不穩(wěn)定性（脈動）的綜合結果（不完整）?！?-1床面形態(tài)與水流條件、泥沙特性的關系3、“產生與消亡”說

⑴多種“產生”說

③系兩種不同流體作相對運動時，交界面上的不穩(wěn)定性造成的。（在推移質運動有一定規(guī)模的情況下，河床表面可視為兩種不同流體的交界面）第三種在現階段可采取，但仍未徹底解決?！?-1床面形態(tài)與水流條件、泥沙特性的關系⑵“消亡”說在沙波開始形成時，波長較長，波高較小。隨Fr增大，波長減小，水深增大，若Fr增大到一定數值，沙波趨向于消滅，此時河床上已無大量推移質存在。當Fr較大時，以沙波形成出現的推移質變成懸移質，即水流所攜帶的泥沙已達到充分懸浮狀態(tài)。§3-1床面形態(tài)與水流條件、泥沙特性的關系4、對河流的影響﹤直接深刻﹥

①是推移質運動的主要方式。（推移質運動到一定規(guī)模之處形成沙波）

②沙波的消長對河流的阻力損失有很大影響。（對糙律系數的影響遠大于河床組成的粒徑之影響）

③沙波的消長對航道水深有影響（較大沙波經過淺灘灘脊時，為航行帶來一定困難）§3-1床面形態(tài)與水流條件、泥沙特性的關系四、床面形態(tài)各階段的特征

1、靜平整：在平整河床上（泥質的），水流速度小于沙粒的起動流速的情況下，床底保持平靜。§3-1床面形態(tài)與水流條件、泥沙特性的關系2、沙紋

⑴產生：當υ水>υ沙，床面泥沙開始運動。只要泥沙存在持續(xù)的運動，河段內必然在某些地方產生淤積，另一地方產生沖刷（即表現在河床就會有起伏）。在水流不變的條件下，床面高低起伏漸漸顯得有規(guī)律。§3-1床面形漂態(tài)與水明流條件任、泥沙把特性的貪關系2、沙紋⑵主要特點屈：大小與而水流尺騙度無關①尺寸：大江大材河的灘診地面出幻玉現與小湊河灘出憶現的沙抓紋，尺腥寸大小難差不多炮。λ：30~縫50c驕m態(tài)Δh：3~4c爺m§3-1床面形態(tài)摸與水流條界件、泥沙氧特性的關塑系2、沙紋②形狀：縱剖面邪外形不資對稱，迎水坡冊長而平僻緩，背氧水坡短爬而陡，其坡作度近似萍等于沙纏粒的水糕下休止燥角的正名切?！?-1床面形叼態(tài)與水但流條件走、泥沙蠻特性的叉關系2、沙紋③平面形籍態(tài)：較有規(guī)則慈，大致波犁峰線與細水流垂嬌直，有的波打峰線排列剪平行或呈穩(wěn)魚鱗狀，喜但總有一惑定規(guī)律性簽?！?-1床面形態(tài)始與水流條煙件、泥沙膊特性的關弦系2、沙紋④運動特掩性：“迎沖扁背淤”沙紋形閑成后，碑流線在充波峰處晝產生分圖離，背濟水坡形四成一個踏橫向漩志渦，產霧生了形黑狀阻力布使流速旅減小，嚼泥沙在煙此沉積扎。由于芳沖刷和辜堆積交彩替出現員，使沙碧紋沿水霞流方向總緩慢移戀動，并程且保持泊形態(tài)基伙本不變錫。Fr=0約.15~休0.3§3-1床面形態(tài)暮與水流條薄件、泥沙修特性的關暖系3、沙壟﹤隨水病流流速↑，沙紋→沙壟﹥⑴尺寸：與水流換尺度有木關，其充大小可榆以相差處懸殊河型不同感，沙壟尺摧寸也異。代表性紙河流的利沙壟尺術寸河名Δh（m）λ（m）u（m/天）伏爾加0.7~1.520~400.4密西西比2~4100~1457~12長江（南京段）0.9~4.840~4573.5~13黃河（花園口）0.5~250~130090~120§3-1床面形橋態(tài)與水燭流條件塘、泥沙跪特性的受關系3、沙壟⑵形狀：帶狀（彎道凸鉤岸）新月形（寬淺觸河槽）犬牙交錯飛形（周期敵性展寬旦河床）§3-1床面形痰態(tài)與水頭流條件煤、泥沙濟特性的若關系3、沙壟⑶運動特蓬點：“迎沖背朽淤”水流流速祖分布不均蒜勻，在迎典水坡υ↑，波峰淹處達最挽大值，來越過后υ↓，產生分枯離，波谷英處形成橫質向漩渦（帳其強度較盯沙紋大）忽，υ出現反貞向（負宇值）。Fr=0季.5~0口.8§3-1床面形態(tài)廉與水流條排件、泥沙講特性的關守系3、沙壟⑶運動特斬點：“迎沖證背淤”沉積物萌具有明轉顯的分劣選性：較粗纏顆粒因抬自重沉供積于谷低底，次滾粗的隨弱漩渦上斯移落在妹背水坡支斜面上米，較細特的停留撲在頂部郵或成為覺懸移質妙或隨漩敲渦流帶畏入下一賀個沙壟誼?！?-1床面形碎態(tài)與水妨流條件谷、泥沙泛特性的寸關系3、沙壟⑷研究意役義在河床地抵貌中可單稍獨成為一晨個形態(tài)單甘元，具有崗自身的形臂成機理和基相應的沉武積物特征傍?？山柚鷷裼诖嘶謴蜌v史時期正河道的外缺形、平面摩位置，對廈分析河床萄的演變有敲重要意義隔?！?-1床面形兼態(tài)與水帥流條件克、泥沙礎特性的厚關系4、過渡~動平整：水流υ↑，沙壟子發(fā)展到城最后也傷要走向抄消亡。波峰處水染流把較多吸的泥沙懸衣浮起來成砍為懸移質泰，峰頂后恰的漩渦區(qū)高所占的空湊間位置、級范圍也擴暑大。此時偉進入漩渦祖區(qū)的泥沙希落在沙谷瀉下淤地段伯，久而久款之沙谷、疑沙峰逐漸喇夷平。最列后出現床面平坦分而泥沙群富集移動的繪現象?！?-1床面形漸態(tài)與水亡流條件胃、泥沙彼特性的顆關系5、逆行沙壟⑴產生：υ↑至Fr＞1時，床鏟面再次霉產生起播伏。多見于馳水淺流暫急處?！?-1床面形繳態(tài)與水以流條件抽、泥沙竭特性的勺關系5、逆行沙壟⑵水流特點拐：“迎淤督背沖”在迎水荷坡挾帶北不了的騾泥沙堆棚積下來銹，而在容背水坡榨水流順腔坡而下斑，可擔狼負更多厭的負荷匠量，水槍流挾沙汪能力↑，致使沙平波的波峰榴逆水流移完動?！?-1床面形威態(tài)與水陪流條件柿、泥沙欠特性的乎關系6、急灘和深次潭（平原河辛流中少見昆）⑴產生：υ↑沙波進一休步發(fā)育，稼水面波開條始破碎，虧靠近河底姑的流速在攜一剎那→0，一部分傾水體因υ突然↓，在沙裁波消失繞時，水都體突然孕下泄促醬進下一追河段沙俯波消失留。當υ持續(xù)↑時床面起每伏變得與謎山區(qū)河流卻一樣?！?-1床面形態(tài)睬與水流條配件、泥沙羽特性的關僑系6、急灘和深癢潭（平原價河流中葵少見）⑵水流特點碰：急灘：務急流，土利于沖等刷；深潭：緩督流，利于誦淤積?！?-2床面形英態(tài)的判敏別準則融及特性罪研究一、沙波運紋動的判孤別參數：根據水植流作用姿在床面糞上的剪某切應力暑與床沙棄水下重偶力的比薪值推導羞而得出Shie哨lds數?！?-2床面形態(tài)蘆的判別準欲則及特性榆研究一、沙波運動緊的判別參糧數：Θ愈大，泥啞沙的可動葬性愈強，跪可作為床牌沙運動狀畝況的一個坐重要指標環(huán)。Shi梨eld飾s數決定盛了推移足質運動藝的強度盛，因此澤又被稱全為水流強度紀、剪切強顧度等?！?-2床面形態(tài)蒸的判別準累則及特性令研究二、低流水流能疏態(tài)區(qū)的漸判別：平整—沙紋—沙壟區(qū)泥沙顆粒懶超過某一繭粒徑不會角形成沙紋否。由實驗知Re﹡＞11.苗7即泥沙膠粒徑超鞏過粘性代底層的雅厚度，洲床面不知再是水造力光滑挎之后，掏就不再煉形成沙郊紋。一吊般來說閑，泥沙粒徑師超過0.6m厲m后，將由老平整床面千直接過渡劃到沙壟?！?-2床面形態(tài)唯的判別準妹則及特性原研究三、高水貸流能態(tài)區(qū)搭的判別：沙壟—平整（過秀渡區(qū)）—逆行沙壟清區(qū)§3-3水流阻豈力和斷斷面平均栗流速一、水流見阻力阻力問題慮即水位/流量關系問埋題。同哭一Q、J下，阻視力越大倦，U越小，故叉水深越大齡，水位越張高；反之揉亦然?！?-3水流阻陣力和斷氏面平均蠅流速一、水交流阻力1、產生人工：伐固壁的碎摩擦力越；天然：象還包括盡邊界、爺床面形粗態(tài)引起胳的形態(tài)阻力盒及水流料推動推征移質、跑消耗能量產附生的阻磨力?！?-3水流阻斬力和斷墓面平均沉流速2、影響河勉床阻力的完主要因素第：①河槽的沿刑程阻力取決于引河床表劣面狀況首（床沙仔組成及崇床面形肚態(tài)）、賣岸壁狀天況及水牙溫變化除引起的常阻力變紫化等。喝特殊情焦況下還廈要分析捏冰棱作禾用、險榆工作用棕對綜合忍阻力的勒影響。②河勢或早邊界突惡變引起危的局部慣阻力§3-3水流阻力準和斷面平干均流速3、動床條皮件下水流從阻力的分堪解①推動泥賊沙顆粒含運動的挺力②床面形態(tài)卵引起的壓皂差阻力阻力由不剖同原因引吸起，對總染阻力的劃漫分、分解叛，有助于券更準確、云嚴格地對悉各阻力成薯分進行分戴析、表達第和計算。§3-3水流阻力孫和斷面平忌均流速4、沖擊窗河流阻脅力的分澤類：⑴沿程阻力①河底的床壯面阻力（bed嚷resi焦stan囑ce）a)沙粒阻狐力（grai園nre米sist答ance）泥顆粗糙飼度對水流含產生的表險面阻力。b)沙波阻力（for餓md默rag貍/lo巡壽ss）沙波背水受坡的分離貼漩渦導致樸的迎水坡女和背水坡道的壓力差茄?！?-3水流阻資力和斷浩面平均晃流速⑴沿程阻力②河岸、卡邊壁阻墳力（wal摸lr麻esi拳sta疫nce）因河岸（爽灘地）、蜘植被、護神坡等產生鋒的水流阻蝦力。§3-3水流阻力軋和斷面平妙均流速⑵局部阻力①河道形態(tài)飲阻力：如憶主流線的族擺動、河司彎河谷的泉突然擴寬絞等導致的或水流附加眼阻力。②工程附屈加阻力猛（導流矩堤、護老岸、碼握頭、橋落渡等）亦或源于在個別特蘆大粗糙學的阻力至（孤石催、小島爬、潛灘麻等）?！?-3水流阻論力和斷壞面平均影流速5、床面形輸態(tài)與阻力慶損失的關姑系（幾個文階段）⑴增加段：在低水廚流能態(tài)取下（Fr＜1），隨水丘流強度由垮弱變強，猛泥沙輸運羽從無到有土，床面從駛平整開始涂，出現沙仇紋、再發(fā)簽展成沙壟顫，阻力系惠數越來崗越大，n可增大朽一倍左叛右?！?-3水流阻異力和斷帳面平均抗流速⑵跌落段：當水流強義度↑，由低廢水流能疼態(tài)轉化濫為高水崗流能態(tài)算（Fr≈1）時，床調面出現動平整。此時輸讀沙率繼續(xù)講增大，因洞沙壟夷平男，流動阻明力反而跌乎到最低點它，n→最小值。§3-3水流阻力疑和斷面平池均流速⑶再增加倘：隨水流強前度繼續(xù)增面加，達到駝急流流態(tài)脆之后（Fr＞1），n又緩慢↑。§3-3水流阻力暑和斷面平祥均流速二、斷翻面平均研流速U的常用公奴式1、Chez開y公式2、Mann梳ing公式3、Darc僚y-We冰isba臉ch公式§3-4綜合糙銜率的計鹽算﹡綜編合糙率n是河道叮水流阻己力的一貪種量度但。對于準河床類乞型為礫勇石、卵湯石、卵說石夾砂加的河道睛，可忽示略床面能沙波的贈消長對蛾阻力的和影響。無此時水處位流量辣關系可謎沿用Mann果ing公式，即用邊界糙隆率n代表沿程牧阻力。但考慮n時，必須把邊煎界中的河艙岸和床面咐區(qū)分開來改計算，然貌后再組合聚為綜合糙獵率?！?-4綜合糙旋率的計筒算一、綜準合糙率據阻力迭究加原理，察河床總濕茅周上的阻做力包括河棵岸、河底夜兩部分，眠計算式如憲下：τ0P=τwPw+τbPbτ0=γR洽J其中計耐算τw和τb的表達菜方法有狡兩種：§3-4綜合糙欲率的計短算1、水力半膝徑分割法卸﹤Ein呈ste絹in﹥公式（1）河岸nw憑經驗確厭定式中河底磁（張友鹽齡式）§3-4綜合糙率潤的計算適用：假設一趣段邊界上詢產生的紊膀動只能影悅響附近的移水流而非枝傳播到全貍斷面，即嘉無貫穿整意個斷面的退大尺度紊診動。對于樹河道邊界斥粗糙突起顏不太大或娘平原寬淺朋河流、岸禍壁區(qū)、河溉床區(qū)水流掃速度相同題的水流，蝦假設合理詠。提問：公曉式如何推右導而來？§3-4綜合糙率短的計算2、能坡星分割法佩﹤姜爺國干﹥公式（2）對比兩公鬧式得知：谷其他條件造相同的情菊況下，公商式（2）突出了爽較大的粗幫糙所產生稻的紊動對礙阻力的影尿響。§3-4綜合糙率屯的計算二、綜曉合糙率燦系數的稱處理方茂法無論用水豬力半徑分嗎割法還是風能坡分割父法，只要芒設U=Uw=Ub,即可得淋綜合的Dar搏cy-桃Wei館sba細ch阻力系探數表達倡式：相應于N組斷面分譽區(qū)的情況絕，可得：§3-5沙粒阻力裹和沙波阻堡力一、概念1、沙粒阻停力動床條件籠下，起源航于可動邊碑界上的顆蹈粒粗糙和灶膚面摩擦戶的阻力。它直接與愛推移質顆絮粒運動、懇沙波消長據有關，是對水流與顆繭粒本身直擋接作用的劫結果?！?-5沙粒阻力宴和沙波阻裝力一、概念2、沙波阻暴力又稱形家態(tài)阻力卡或壓差污阻力，略起因于首沙波背懷水面流花動邊界適層的分敢離，對徑應較大次尺度的很紊動（跟與沙波哈的尺度最相仿）去?！?-5沙粒阻述力和沙礎波阻力二、計算鉛方法在水流云作用于糧床面的戶全部剪王切力τ0中