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一、 水力学
1、 粘滞性
当液体质点( 液层) 间存在相对运动时液体质点( 液层) 间产生内摩擦力抵抗其相对运动( 液体连续变形) 或 液体在相对运动状态下抵抗剪切变形的能力, 这种性质称液体粘滞性, 此内摩擦力称为粘滞力。液体的粘滞性可视为液体抵抗剪切变形的特性, 剪切变形越大, 所产生内摩擦力越大, 对相对运动液层抵抗越大。
2、 压缩性
当液体承受压力后, 体积要缩小, 压力撤出后也能恢复原状, 这种性质称为液体的弹性或压缩性。
3、 静水压强
静止液体中, 不存在切力和拉力, 只存在正压力。
4、 静水压强的特性
1) 静水压强的方向垂直而且指向受压面;
2) 静止液体内任一点沿各方向上静水压强的大小都相等, 或者说每一点的液体静压强仅是该点坐标的函数, 与受压面的方向无关。
5、 恒定流
流场中任意空间点上所有运动要素都不随时间改变。
6、 迹线
某流体质点在不同时刻所经过的轨迹。
7、 流线
流速场内反映瞬时流速方向的曲线, 在同一时刻, 处在流线上的任意点的流体质点的流速方向与该点的切线方向相重合。
8、 流线的特征
( 1) 恒定流中, 流线的形状和位置不随时间而改变;
( 2) 恒定流中, 流线与迹线重合;
( 3) 流线不能相交, 也不能是折线, 只能是光滑曲线( 一般情况) ; 有边界影响的特殊情况除外( 奇点、 驻点) ;
9、 流量
单位时间内经过过水断面的流体体积。
10、 均匀流
各流线是平行直线;
位于同一流线上各质点的流速大小和方向均相同。
恒定流的当地加速度等于零, 而均匀流的迁移加速度等于零。
11、 均匀流的特性
过水断面为平面, 其面积和形状沿程不变;
同一流线上各点的流速相等, 各过水断面上流速分布相同, 平均流速相等;
过水断面上的流体动压强分布规律符合静压分布规律。
12、 非均匀流的特性
流体流动的流线如果不是相互平行的直线, 例如流线平行但不是直线、 或流线是直线但不平行, 这样的流动称为非均匀流。
非均匀流过水断面上流体动压强分布不满足流体静压强规律;
13、 流网
在不可压缩平面无旋流动中, 流场中任一点都有相应的 φ和Ψ值, 由各点的 φ 和Ψ值, 能够作出一系列的等流函数线(即流线)和等势线, 等流函数线和等势线在流场中所组成的正交网格。
14、 层流
是指在流速较小时, 液体质点作有条不紊的有序的直线运动, 水流各层或各微小流束上的质点彼此互不掺混的流动。
15、 紊流
是指随流速增大, 流层逐渐不稳定, 液体质点相互混掺, 质点运动轨迹极不规则的流动。
16、 雷诺数的物理意义
雷诺数表征了液流的惯性力与粘性力的比值。
粘性力——抑止小扰动, 促使液流趋于稳定。
惯性力——使小扰动的作用保持和强化, 促使液流趋于紊动。
17、 紊流的形成
层流转化成紊流的两个条件: 涡体的形成; 形成的涡体脱离原来的流层或者流束, 掺入临近的流层或者流束。
18、 瞬时流速由时均流速和脉动流速两部分构成。
19、 紊流切应力=时均流速产生的粘滞切应力+脉动流速产生的附加切应力;
用牛顿内摩擦定律和时均流速梯度计算粘性切应力;
普朗特动量传递理论推导紊流切应力。
20、 雷诺准则—粘性力相似;
佛汝德准则—重力相似。
21、 断面比能
若以过水断面渠底0’-0’为基准面, 则过水断面上单位重量液体所具有的总能量为断面比能Es。
22、 堰流
从顶部溢流而水面不受约束的壅水建筑物, 称为堰; 经过堰的水流称为堰流。
23、 闸孔出流
有闸门控制水流的泄水建筑物, 称为闸; 经过闸孔的水流称为闸孔出流。
24、 泄水建筑物下游的水流衔接与消能
底流衔接与消能; 挑流衔接与消能; 面流衔接与消能; 戽流衔接与消能。
25、 消能池
工程中用来控制水跃并利用水跃以消除余能的水工建筑物。作用:使下游局部水深增加, 形成稍有淹没的水跃。
降低护坦高程; 护坦末端建造消能墙; 综合方式。
26、 水击
在有压管路中, 由于某种外界原因(如阀门突然关闭、 水泵机组突然开机、 停机等), 使得管道内流速发生突然变化, 从而引起压强急剧升高和降低的交替变化, 这种水力现象称为水击。
27、 水击预防
1、 增大管径、 减小流速, 能够部分地减小水击压强
2、 缩短管道长度
3、 延长阀门关闭时间
4、 设置调压室
5、 安装减压阀
6、 采取合理的阀门关闭规律, 控制水击压强的上升速度, 使其值最小
二、 河流泥沙动力学
1、 沉降速度
单颗粒泥沙在无限大静止清水水体中匀速下沉时的速度。
2、 含沙量
单位体积浑水中所含的泥沙的数量。
3、 推移质
在床面附近, 较粗颗粒的泥沙沿床面滑动、 滚动、 跳跃, 甚至层移前进, 经常与床沙彼此交换, 前进速度远较水流速度小, 泥沙这种运动形式称为推移运动, 这一类泥沙称为推移质泥沙, 简称推移质。
4、 悬移质
悬浮在水中运动, 速度与水流速度基本相同的运动状态称为悬浮运动, 这一类泥沙称为悬移质。
5、 泥沙交换现象
床沙与推移质、 推移质与悬移质的交换。
6、 推移质、 悬移质泥沙的特点
7、 推移质和悬移质的区别
1） 运动规律的不同
推移质与悬移质运动中泥沙所受水流作用不同, 运动规律也不一样。推移质运动取决于泥沙在床面附近的受力情况; 悬移质运动既与其在床面附近受力情况有关, 又与水流对其悬浮作用有关。
2) 能量来源的不同
推移质运动直接消耗水流的时均能量; 悬移质运动消耗的是水流的紊动能量而非时均能量, 不会引起水流额外的能量损失。因此悬移质的运动效率较高。
3)对河床作用不同
悬移质的存在增加了水流的容重, 加大了水流的静水压力, 并能够一直传递到河床颗粒空隙间的水体中。
推移质在运动中, 颗粒不断碰撞, 颗粒间进行动量交换, 在与水流垂直的方向上产生粒间离散力, 它支持了推移质的重量, 离散力经过颗粒最后传递到河床, 使河床受到一个向下的压力, 从而加大了河床的稳定性。
4)不同的造床过程中所起的作用不同
弯道演变推移质在环流推动下形成的。悬移质则大部分下泄。
库区淤积: 以悬移质淤积为主。
8、 高含沙水流
水流中挟带大量的泥沙( 特别是细颗粒泥沙) , 含沙量很大( 一般每立方米数百公斤甚至上千公斤) , 这种挟沙水流的物理性质、 运动性质和输沙特性等方面不同于一般的挟沙水流。这种水流称为高含沙水流。
9、 泥沙的起动
在一定的条件下, 床面泥沙由静止转为运动的现象。
泥沙的起动条件: 泥沙颗粒由静止状态转为运动状态时的临界水流条件, 称起动的条件。
起动条件能够用流速、 拖曳力和功率来表示。
起动流速: 当用水流垂线平均流速来表示起动条件时, 该流速称为临界起动流速。
起动拖曳力: 当用水流拖曳力表示起动条件时, 该剪切力称为起动拖曳力。
10、 止动流速
泥沙由运动状态转变为静止状态的临界垂线平均流速称为止动流速。
11、 扬动流速
指床面泥沙由静止状态直接转入悬移状态的临界垂线平均流速。
12、 沙波: 推移质运动达到一定的规模时, 河床表面形成波状起伏的各种形态 。
沙波运动: 泥沙颗粒在床面上的集体运动。
13、 推移质输沙率
一定的水流及床沙组成条件下, 河道处于不冲不淤输沙平衡状态时, 单位时间内经过过水断面的推移质数量称为推移质输沙率。
推移质输沙率公式的共同点: 推移质输沙率gb约与u4成正比。这说明流速的细微变化对推移质输沙率有着显著的影响。
14、 床沙质
悬移质中较粗的一部分泥沙是床沙中大量存在的, 这部分悬沙以及绝大部分推移质能够看成是来自相邻的上游河段及本河段的河床, 是从床沙中被带起进入运动的泥沙, 因此称为床沙质。
由于床沙质来自于河床, 经常与床沙发生交换, 因此床沙质对河床冲淤变化( 造床) 影响很大, 又称为造床质。
15、 冲泻质
悬移质中较细的一大部分以及推移质中的极少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, 因此称为冲泻质。
冲泻质对河床冲淤变化( 河床演变) 影响不大, 在河床变形分析计算中, 常可将其排除在外, 因此又称非造床质。
16、 ”床沙质－冲泻质”及”推移质－悬移质”是对运动泥沙的两套不同的命名系统
床沙质和冲泻质中能够同时包含推移质和悬移质; 反之, 在推移质与悬移质中也能够同时包含有床沙质和冲泻质。
从概念上讲, 把床沙质与推移质等同起来, 把冲泻质和悬移质等同起来; 或者认为冲泻质以悬移形式运动, 床沙质以推移形式运动都是不正确的。
17、 床沙质和冲泻质的区别
18、 床沙质和冲泻质的联系及相互转换
1) 上下游河段
上游河床组成粗, 下游河床组成细。
上游河段冲泻质中较粗的泥沙在下游河段就变成了床沙质。
2) 同一河段的不同时期
洪水期河床淤积, 床沙变细, 冲泻质转换为床沙质;
枯水期河床冲刷, 床沙变粗, 床沙质转换为冲泻质。
3) 水库上下游
水库上游, 泥沙淤积, 床沙细化, 冲泻质转换为床沙质;
水库下游, 河床冲刷, 床沙粗化, 床沙质转换为冲泻质。
19、 床沙质和冲泻质的划分
划分方法: 将悬移质粒配曲线与相应的( 即相同水流条件下的) 床沙粒配曲线进行对比, 取床沙粒配曲线上与纵坐标5％相对应的粒径, 作为床沙质与冲泻质的分界粒径。
20、 含沙量
单位体积浑水中固体泥沙颗粒所占的比例。
21、 、 悬移质含沙量沿水深的分布决定于重力作用和紊动扩散作用的对比关系。
22、 水流挟沙力
在一定的水流和泥沙综合条件下, 水流能够挟带的悬移质中的床沙质的临界含沙量。
23、 高含沙水流
在某一水流强度的挟沙水流中, 其含沙量及泥沙颗粒组成, 使挟沙水流在其物理特性、 运动特性和输沙特性等方面基本不能再用牛顿流体进行描述, 这种挟沙水流可称为高含沙水流。
24、 揭河底
是指河床冲刷的一种突变过程, 其特点是, 大片的沉积物从河床上掀起, 有的露出水面, 然后塌落、 破碎, 被水流冲散、 带走。
25、 浆河
是指在含沙量特别高的水流中, 当水流能量不足以继续带动所挟泥沙前进时, 一河泥浆骤然停止下来, 造成淤积性质的河床突变。
26、 异重流
两种或两种以上的流体相互接触, 其重度有一定的可是较小的差异, 如果其中一种流体沿着交界面的方向流动, 在流动过程中不与其它流体发生全局性的掺混现象。
三、 河床演变及整治
1、 河流演变
自然情况下及修建整治建筑物后河床发生的冲淤变化过程。
2、 河流长度
河源到河口的轴线长度。
3、 水沙输移特性-泥沙输移特性
1) 山区河流的泥沙特性
悬移质一般次饱和, 甚至于全为冲泻质, 与床沙交换弱;
推移质数量较大( 川江为悬沙的10%) , 卵石推移质也较多, 但运动速度不大。
2) 平原河流的泥沙特性
悬移质能从河床获得补给, 其床沙质部分多处于饱和状态 ;
推移质一般为沙质推移质。
4、 平原河流的主要特点
顺直型: 中水河槽顺直, 边滩呈犬牙交错状分布, 并在洪水期向下游平移。
蜿蜒型: 中水河槽具有弯曲外形, 深槽紧靠凹岸, 边滩依附凸岸, 凹岸蚀退, 凸岸淤长, 河身在无约束条件下向下游蜿蜒蛇行, 在有约束条件下平面形态基本保持不变。
分汊型: 中水河槽分汊, 一般为双汊, 也有多汊的。各汊道周期性交替消长。
游荡型: 沙滩密布, 汊道纵横, 而且变化十分迅速。
5、 河床演变的主要影响因素
1） 进口条件
河段上游的来水量及其变化过程; 河段上游的来沙量、 水沙组成及其变化过程。
2） 出口条件
出口处的侵蚀基点条件。能够是控制出口水面高程的各种水面, 也能够是能限制河流向
纵深方向发展的抗冲岩层的相应水面。
3） 河床周界条件
河流所在地区的地理、 地质条件, 包括河谷比降、 河谷宽度、 组成河底、 河岸的土层
系较难冲刷的岩层、 软石层、 粘土层, 抑或较易冲刷的沙层。
6、 河床自动调整作用
由输沙不平横引起的河床变形,在一定条件下,往往朝着恢复输沙平衡,使变形朝着停止的
方向发展,这就是河床的自动调整作用或者说是冲积河流的平衡倾向性。
7、 水力几何形态
能够自由发展的冲积平原河流的河床, 在挟沙水流长期作用下, 有可能形成与所在河段具体条件相适应的某种均衡形态。
水力几何形态的主要影响因素: 河床的稳定性; 特征流量的大小。
8、 造床流量
选取造床作用与多年流量过程的综合造床作用相当的某一种流量为造床流量, 而实际上
影响河床形态及其演变特性的流量是变化不定的。
决定中水河槽的流量应为第一造床流量, 第二造床流量仅对塑造枯水河床有一定的作用,
一般所说的造床流量系指第一道床流量。
9、 丁坝的作用( 坝头、 坝身和坝根组成)
1) 未淹没时束窄河槽, 提高流速冲刷浅滩;
2) 淹没后造成环流, 横向导沙, 调整分汊河道的分流比, 淤高河滩, 保护河岸或海塘;
3) 控制分流挑出主流以防顶冲河岸和堤防等。
10、 顺坝( 坝轴线沿水流方向或与水流交角很小的建筑物)
1) 调整急弯、 归顺岸线、 平顺水流、 改进流态
2) 堵塞倒套、 尖潭
3) 堵塞支汊、 上口调整分流角, 下口调整交汇角
4) 束窄河床 。
11、 锁坝的作用
塞支强干。
12、 潜坝的作用
1) 壅高上游水位、 调整比降、 增加航深;
2) 促淤赶沙, 减小过水面积、 消除不良流态。
13、 边滩下移能够看成是推移质运动的一种体现形式。
根据上述的水流泥沙运动特点, 边滩头部的流速和推移质输沙率都大于滩尾, 故滩头表现为冲刷后退, 滩尾则淤积下延, 整个边滩向下游缓慢移动;
同一河岸, 上一边滩滩尾的淤积下移和下一边滩头部的冲刷后退所引起的深槽变化则变为槽首淤积, 尾部冲刷, 整个深槽也相应下移。
14、 自然裁弯与切滩虽然有一些共同点, 但实际上是两个不同的概念
自然裁弯是在两个河弯之间的狭颈上进行的, 而切滩发生在同—河弯的凸岸。切滩所形成的串沟, 虽然也能够成为新河．但原河弯不会被淤积成牛扼湖, 而是形成两条水道并存的分汉河段。至于两者对河势的影响, 自然裁弯比切滩要大很多。
15、 长江中下游的分汊河段按平面形态的不同, 可分为顺直型分汊、 微弯型分汊和鹅头型分汊三类。
16、 主汊分沙比恒大于分流比是汊道的一个重要特点。主、 支汊易位是汊道演变的特点之一。
17、 浅滩
联接上下边滩, 隔断上、 下深槽的水深较小的沙埂。由上、 下边滩, 上、 下深槽和浅滩脊组成。
18、 浅滩演变
影响因素: 1) 流速减小; 2) 环流变化; 3) 洪枯水流向不一致; 4) 输沙不平衡。
19、 浅滩分类
根据浅滩形态特征及其对航行的影响: 1.正常浅滩2.交错浅滩3.复式浅滩4.散乱浅滩。
根据浅滩出现的部位: 1.弯曲段浅滩2.分汊段浅滩3.顺直段浅滩
20、 浅滩演变规律
1) 深槽汛冲枯淤, 浅滩汛淤枯冲; 泥沙输移年内保持平衡
2) 汛后落水, 浅滩段走沙
3) 汛期淤积量多少, 落水时间长短, 决定枯期滩段是否碍航
4) 河床形态不变化, 浅滩不消失
21、 理想的航道应体现哪些特点
1) 枯水期, 水流集中于一个河槽而不分流;
2) 曲率均匀而不过大, 无急弯;
3) 深槽与浅滩水深相差不悬殊, 比降沿程均匀;
4)边滩发育完整, 高程较高, 束水导流作用强;
5)滩脊位置与水流轴线正交, 深槽尖端不交错很远.
22、 游荡型河段特性
平面形态: 河身比较顺直, 在较长的范围内, 往往宽窄相间, 类似藕节状。河段内河床宽浅, 洲滩密布, 汊道交织。
断面形态: 宽浅、 滩槽高差小
水流特性:洪水暴涨暴落、 年内流量变化大、 平均水深小、 流速大。
输沙特性: 含沙量大、 同流量下含沙量变化大( 多来多排, 少来少排) 、 常出现高含沙水流( 运动规律与一般挟沙水流不同) 。
23、 游荡型河段演变规律
1) 多年平均河床逐步抬高
2) 年内冲淤变化规律
一般是汛期主槽冲刷, 滩地淤积, 而非汛期则主槽淤积, 滩地崩塌。
3) 平面变化规律
主流摆动不定, 主槽位置也相应摆动, 且摆幅相当大, 导致河势变化剧烈。
24、 游荡型河段主流剧烈摆动原因:
1) 河床淤积抬高, 主流袭夺新道。
在沙滩罗列、 汉沟纵横交错的河槽中, 主流原来所经河汊的河床较低, 但由于泥沙淤积, 河床和水位逐渐抬高, 迫使水流转向河床较低和较为顺直的沟汊, 经过一次大水后, 主流发生摆动, 原来的主汊则逐渐淤塞。
2) 洪水漫滩拉槽, 主流改道。
当洪水漫滩后, 滩地对水流的控制作用减弱, 水流因惯性作用而取直, 于是在河滩上冲出一条新的河汊, 某逐渐发展成为主流, 这种情况在滩位较低的河段上更为多见。
3) 上游河势的改变。
由各种原因引起的上游主流方向的变化都会导致下游主流流路改变, 引起主槽摆动。
25、 游荡型河段形成条件
1) 上游来沙量大, 河床堆积作用强( 基本条件)
2) 流量变幅大及洪峰暴涨暴落( 加强游荡)
3) 同流量下含沙量变化大( 加强游荡)
4) 来沙细( 加强游荡)
26、 游荡型河段整治
水土保持、 上游修建水库、 调节下游水沙;
经过护岸、 护滩工程等控导工程控制河势。
27、 分汊型河段特性
1、 形态特性
1) 单个的分汊河段, 其平面形态是上端放宽、 下端收缩而中间最宽。中间段可能是两汊, 也能够是多汊, 各汊之间为江心洲。
2) 自分流点至江心洲头为分流区, 洲尾至汇流点为汇流区, 中间则为分汊段。
2、 水流特性
最显著的特征是具有分流区和汇流区。
3、 输沙特性
主汊分沙比恒大于分流比是汊道的一个重要特点。
28、 分汊型河段演变规律
主、 支汊易位是汊道演变的特点之一, 多发生在顺直型分汊河段, 主要原因是上游水流动力轴线的摆动, 引起分汊河段进口分流分沙的变化, 导致主、 支汊易位。
29、 汊道整治
1) 河势好时: 稳定现状
2) 河势不太理想时: 一次性整治到位
3) 河势很差时: 逐步调整
30、 主流线
沿流程各断面最大垂线平均流速所在位置的连线。
31、 潮流界: 涨潮时, 涨潮流速为零( 停止倒灌) 的点
潮区界: 水位受涨潮影响的上界( 潮差为零的地点)
32、 一个周期中, 潮流界水流往复运动的四个阶段:
1) 涨潮落潮流: 外海潮波向河口推进之初, 水位开始上涨, 水面坡降逐渐变小,流速减慢, 但水流方向仍指向海洋;
2) 涨潮涨潮流: 潮波继续向河口推进, 水位不断上涨, 水面从向海倾斜转为向陆倾斜,整个水流都指向上游 ;
3) 落潮涨潮流: 潮波向上游推进到一定距离后,外海已开始落潮, 河口水位开始下降,水面坡度渐趋平缓, 流速逐渐减弱, 但仍指向上游 ;
4) 落潮落潮流: 河口水位继续下降, 流速递减, 水面转为向海倾斜, 水流方向也转向海洋。
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