河流动力学复习.docx

第一章绪论
考核内容为学科的发展概况、课程的内容及学习任务。
1、了解河流动力学发展的历史；认识水流～泥沙～水电工程可持续发展间的相互关系。
2、了解水流运动与泥沙运动的重要性；
3、理解课程的任务与特点；
4、了解课程的主要内容。
考核知识点：
1、河流动力学的任务
2、水流～泥沙～水电工程可持续发展间的相互关系
3、河流动力学的研究方法及特点
第二章 河流动力学基本概念
考核内容为河流动力学基本概念
1. 河道水流的基本特性:二相性、非恒定性、三维性、非均匀性
2. 水沙运动的不平衡性
3. 河道水流的水流结构及阻力损失
考核知识点：
1、河道水流的基本特性
2、河道水流的水流结构及阻力损失
第三章 泥沙特性
考核内容为泥沙的分类、泥沙的来源、泥沙的几何特性及泥沙的重力特性。
1. 泥沙的分类
2. 泥沙几何特性：粒径，级配曲线，特征值
3. 泥沙的重力特性：含沙量、浑水容重
考核知识点：
1、泥沙的分类
2、泥沙的几何特性及重力特性。
第四章 泥沙的沉速
考核内容为泥沙沉速的定义、沉降过程中的三种状态、沉速公式、影响沉速的主要因素、泥沙沉速的测定。
考核知识点：
1、泥沙沉速的定义、沉速公式
2、影响沉速的主要因素、泥沙沉速的测定。
第五章 泥沙的起动
考核内容为泥沙起动的物理机理，泥沙起动的物理现象及受力分析。
考核知识点：
1、 均匀沙起动条件：力的表达式，散体及粘性泥沙的统一起动流速公式，
2、 散体泥沙的起动拖曳力公式，止动与扬动流速。
第六章 沙波运动与动床阻力
考核内容为沙波运动规律与动床阻力计算。
1. 沙波形态与运动状态，沙坡的发展过程及形成机理，床面形态判别标准，沙波尺度及其运行速度,推求推移质输沙率，沙波运动对河流的影响。
2. 动床阻力：河床与河岸阻力划分，沙粒与沙波阻力的划分，动床阻力的计算。
考核知识点：
1. 沙坡的发展过程及形成机理，床面形态判别标准，沙波运动对河流的影响。
2. 动床阻力的计算。
第七章 推移质输沙率
考核内容为推移质输沙率计算方法。
1. 以流速为参数的推移质输沙率公式一般形式及常用公式：冈恰诺夫、列维、沙莫夫公式；
2. 以拖曳力为参变数的推移质输沙率公式，公式建立的一般形式,特别是梅叶一彼德公式及应用，其他推移质输沙率公式简介。
考核知识点：
1.，推移质输沙率公式一般形式；
2. 推移质输沙率常用公式。
第八章 悬移质运动基本状态及含沙量沿垂线分布
考核内容为悬移质运动基本规律：
1. 悬移质、床沙质和冲泻质的基本概念，紊动扩散作用与重力作用。
2. 悬移质运动的质量简称及含沙量垂线分布的劳斯公式，张瑞瑾对劳斯公式的修改, 绝对含沙量的垂线分布。
考核知识点：
1. 悬移质、床沙质和冲泻质的概念，紊动扩散作用与重力作用。
2. 含沙量垂线分布公式。
第九章 悬移质水流挟沙力
考核内容为水流夹沙力计算
1. 水流夹沙力的定义、公式的建立及应用，
2. 分组水流挟沙力计算。
考核知识点：
1. 水流夹沙力公式的建立。
2. 水流夹沙力计算。

试卷答案
课程名称：河流动力学                                  试卷编号：09

一、名词解释(每题4分，共20分)
1.  泥沙水下休止角：在静水中的泥沙，由于摩擦力的作用，可以形成一定的倾斜面而不塌落，此倾斜面与水平面的夹角称为泥沙的水下休止角。
2.  水流挟沙力：一定水流条件下的单位水体所能携带的床沙质泥沙数量。
3.  泥沙异重流：异重流是指两种重率存在差异（因含沙量不同）但不大、可以相混的流体，在条件适宜时因重率异而产生的相对运动，在运动过程中，各层流体能基本保持其原来的面貌，不因交界面上存在的紊动掺混作用而发生全局性的混合现象。
4.  河道表面阻力：系床面沙粒的摩阻而引起的阻力。
5.  河流近口段：自潮区界起至潮流界止的河段称为河流近口段。
二、填空(每空1分，共10分)
    1.影响泥沙颗粒的沉降的因素除泥沙粒径、水流的粘滯性外还有(泥沙的形状)、(水质) 和 (含沙量)。
    2.如果（泥沙）交换不平衡，则必然产生（河床变形）。河床的（变形）是绝对的，演变达到的（平衡）是相对的。
    3.河床变形是由于（输沙不平衡）引起的，而变形又向着(恢复输沙平衡)的方向发展，此现象称为河床的 (水流与泥沙的自动调整作用)。
三、  问答(每题10分，共20分)
a)  什么是水流动力轴线，弯道中水流动力轴线是任何随水位变化的?
答题要点：
（1）河道中各过水断面上最大垂线平均流速所在位置的平面连线。（3分）
（2）低水傍岸，高水居中；低水上提，高水下挫。（7分）
b)        决定异重流运动的力主要有哪些? 这些力的相对作用情况与明渠水流相比有何异同?
答题要点：
（1）决定异重流运动的力主要有重力、阻力和惯性力；（4分）
（2）与一般明渠水流相比重力作用显著减弱，阻力和惯性力作用相对突出。（6分）
四、计算（10分）
用水泵由河流(二元恒定均匀流)向水渠抽水。已知河流水深为5m，距河床0.5m处，含沙量为49.ON/m3，水泵取水口置于水中距河床4.0m处，试问进入水渠的含沙量为多少。若要求进入水渠的水流含沙量小于14.7N/m3，问水泵取水口应置于水中距河床什么高度范围？[悬浮指标为0.5，]
答案：s=8.17kg/m3；（5分）      y大于或等于2.76 m。（5分）
五、叙述z的物理意义，说明其数值大小对悬移质含沙量沿垂线的分布的影响（10分）
答题要点：
（1）z是一无因次数,称为悬浮指标.它反映了重力作用与紊动扩散作用的相对大小。（5分）
（2）z越大，含沙量沿垂线分布越不均匀；z越小，含沙量沿垂线分布越均匀。（5分）
六、分析天然河道的动床阻力与清水平直规整河道定床阻力的异同。（15分）
答题要点：
（1）冲积河流的河床由泥沙组成，它们能随水流运动，而且，一定条件下，河床还会出现各种不同形态的沙波，也就是说，边界条件随水流条件的变化在不断地变化。因此，冲积河流的阻力随水流条件的改变也在变化，称之为动床阻力，（10分）
（2）清水定床中没有泥沙运动，不存在沙粒阻力和沙波阻力，且阻力基本不变化。（5分）
七、绘出弯道横向环流分析简图，推导横比降计算公式。（说明推导过程15分）
答案：（绘出弯道横向环流分析简图5分，推导过程完整10分）

2010年 秋季 学期
水环学院20081501《河流动力学》课程考试试卷(A卷)答案
一、名词解释：(每小题3分，共24分)
1、  河流动力学——研究河道水流、泥沙运动和河床演变规律及其应用的科学。
2、  等容粒径——就是体积与泥沙颗粒相等的球体的直径。
3、  平均粒径——即各粒径组平均粒径的重量百分比的加权平均值。
4、  含沙量——单位体积浑水中固体泥沙颗粒所占比例。
5、  推移质——在床面附近随着水流以滑动、滚动，跃移形式运动的颗粒统称为推移质。
6、  起动拖曳力表达式——
7、  悬移质单宽输沙率——即在一定水流、河床边界条件下，单位时间内从河道单位宽度下泄的悬移质中床沙质的数量。
8、造床流量——造床作用与多年流量过程的综合作用相当的某一种流量。
二、填空题（每空1分，共43分）：
1、河道水流的基本特性  二相性    ，    非恒定性   ，  三维性       ，  非均匀性    。
2、河流泥沙的最根本来源是：岩石的风化
3、泥沙沉降有三种状态：滞性状态，过渡状态，紊动状态。
4、河道动床阻力可以分为：   沙粒阻力    和  沙波阻力   。
5、河流动力力学中一般可以用达西阻力系数、糙率系数、谢才系数、边壁粗糙尺度系数四个系数来表示阻力系数。
6、推移质的主要运动特点是间歇性、置换性、速度小、跳跃性、数量小，消耗时均能量；
7、常见的表达泥沙起动条件的形式有两种：起动流速和起动拖曳力。
8、随着水流的加强，推移质泥沙运动大致包括下列四种情况：静止、弱动、中动、普动。其中现在大部情况下是以弱动作为泥沙起动标准。
9、就位于床面上的泥沙而言，促成泥沙起动的主要力有：上举力和推移力；泥沙赖以抗拒起动的力为重力。
10、沙波的分类，从平面形态看，沙波大致可以分为四类：带状沙波、断续蛇状沙波、新月形沙波和舌状沙波。
11、在沙波的形成、发展及消亡过程中，沙波经过以下几个发展过程：静平床、沙纹、沙垄、动平整、逆波和急滩与深潭。
12、从理论上探求推移质输沙率的途径可大致分为五类，即以流速和拖曳力为主要参变数考虑问题，根据能量平衡观点考虑问题，从统计法则考虑问题和按沙波运动情况考虑问题。
13、河道演变的具体原因千差万别，但根本原因可归结为输沙不平衡。
三、简答题(每题5分，共20分)
1、影响泥沙的干容重有哪些主要因素？
影响泥沙干容重的因素有：（1）泥沙颗粒的大小，颗粒越大，干容重越大，变化范围小，颗粒越小，干容重越小，变化范围大；（2）泥沙的淤积厚度，淤积越厚，干容重越大，变化范围越小，淤积越浅，干容重越小，变化范围越大；（3）泥沙的淤积历时，沉积越短，干容重越小，沉积越长，干容重越大，然后趋于稳定值。（4）泥沙的组成，组成越均匀，孔隙率越大，干容重越小，组成越不均匀，孔隙率越小，干容重越大。
2、试写出推移质泥沙起动的力学平衡方程式，并写出推移质泥沙沙莫夫泥沙起动公式？
如泥沙颗粒沿着床面滑动的，则起动临界状态下力的平衡方程式为：
，
如泥沙颗粒以滚动的形式起动，则起动临界状态下力的平衡方程式为：

沙莫夫：η=1.14，m=1/6，由此得：

3、二维、恒定、均匀泥沙扩散方程是什么？劳斯（Rouse）方程中悬浮指标Z如何计算？它所表达的含义是什么？
二维、恒定、均匀泥沙扩散方程：，Z叫做“悬浮指标” 。c，它实质上代表重力作用（）与紊动扩散作用（）的对比关系。悬浮指标的数值愈大，表明重力作用在与紊动扩散作用的对比中愈强，悬移质含沙量在垂线上的分布越不均匀。反之，悬浮指标愈小，则表明重力作用在与紊动扩散作用的对比中愈弱，悬移质含沙量在垂线上的分布越均匀。
4、什么是河床演变的基本原理？
河流内部矛盾的发展和外部条件的变化都可能使输沙平衡遭到破坏，从而使河床变形。同时河床又具有向平衡状态进行自我调整的能力，使得河床演变得以持续进行。这就是河床演变的基本原理。

四、计算题(每题14分，共14分)
1、某河流的平均水深为h=1.5m，断面平均流速为U=1.1m/s，水力坡降为J=3/10000，均匀床沙粒径为D=0.6m，试利用爱因斯坦公式计算推移质单宽输沙率、悬移质单宽输沙率和水流挟沙力。
泥沙密度2650kg/m3，泥沙沉速：，
泥沙的沙粒半径：，
爱因斯坦推移质输沙率公式：，
爱因斯坦悬移质输沙率公式：已知，I1=0.1, I2=-0.75。
解：
床面剪切应力：
剪切流速：
泥沙颗粒沉速，D=0.6mm，
悬浮指标：
故泥沙颗粒在作推移运动的同时也作悬浮运动。
爱因斯坦水流强度：
由
按爱因斯坦理论求其推移质单宽输沙率和悬移质输沙率：

2010年 秋季 学期
水环学院20081501《河流动力学》课程考试试卷(B卷)
答案

一、名词解释  (每小题4分，共32分)
1、  几何平均粒径——即粒径取对数后进行平均运算，最终求得的平均粒径值。
2、  泥沙干容重——沙样经过高温烘干后，其重量与原状沙样整个体积的比值。
3、  泥沙沉降速度——是指泥沙颗粒在静水中由于重力下沉达到等速运动以后的下沉速度。
4、  悬移质——泥沙悬浮在水中，基本上与水流以相同速度浮游前进的泥沙颗粒统称为悬移质。
5、  推移质单宽输沙率——即在一定水力、泥沙条件下，单位时间内通过过水断面单位宽度的推移质数量。
6、  水流挟沙力——是指在一定水流、泥沙及边界条件下，水流所能挟带的包括推移质和悬移质在内的全部沙量。
7、  河相关系——在河道均衡状态下，河道型态与来水来沙条件之间某种定量因果关系。
8、  造床流量——造床作用与多年流量过程的综合作用相当的某一种流量。
二、填空题（每空1分，共33分）：
1、河道水流普 遍具有较大的雷诺数，从工程观点来看，河道水流一般居于  阻力平方        区。
2、岩石风化的主要类型是：物理风化和化学风化
3、泥沙运动按输运方式可以分为：悬移质，推移质；按粒径、来源、造床作用可以分为：冲泻质和床沙质。
5、对于床面由均匀沙组成的情况，边壁粗糙尺度就等于D。
6、悬移质的主要运动特点是速度大、悬浮性、置换性、数量多、消耗紊动能。
7、泥沙起动的随机性是指：运动状态的随机性，初始位置的随机性和受作用力的随机性。
8、天然河流中床沙是否起动，一般不易观测。通常采用的办法是以输沙率为零对应的水流强度即为泥沙起动条件。
9、泥沙颗粒沿着床面滑动，则起动临界状态下力的平衡方程式为：FD=(W-FL)f.。
10、沙波的分类，按沙波的尺度大小可以分为：沙纹、沙垄和沙丘或者沙滩。
11、动床阻力计算主要有两种方法：水力半径分割法和能坡分割法。
12、泥沙悬浮机理的理论主要有两个：泥沙扩散理论和重力理论。
13、当泥沙悬浮指标小于0.01时，悬移质相对含沙量将接近于一条垂向直线，它起着区分床沙质与冲泻质的作用。
14、悬移质输沙率乘积法是求解得出断面平均含沙量和平均流速，然后两者之积乘以过水断面面积就是全断面的悬移质输沙率。
15、存在着两种河相关系：沿程河相关系和断面河相关系.
三、简答题(每题5分，共25分)
1、水流拖曳力与摩阻流速、底流速的关系如何？
水流拖曳力是泥沙起动时床面临界剪切应力。
， ， ，
， ， ， ，
2、什么是级配曲线？给出中值粒径、算数平均粒径、几何平均粒径的定义或定义式？
粒配曲线：表示天然沙颗粒组成的曲线，
上限粒径——在总沙样中占某重量百分数的泥沙的上限粒径。如D5,D10,D50等等。
D50——中值粒径，小于该粒径和大于该粒径的泥沙颗粒各占50%。
Dm——平均粒径，即各粒径组平均粒径的重量百分比的加权平均值。
3、何为动床阻力？它与定床阻力有何不同？
在天然冲程河流中，河床上会不断发生冲淤变化和沙坡消长，边岸可能发生冲刷，主流方向和主槽位置也不是固定不变的，无论是沿程阻力还是局部阻力都处于变化之中，因此，它的阻力与定床阻力不同，称之为动床阻力。其综合糙率系数将不再是一个常数。
4、什么是河床演变？影响河床演变有哪些主要因素？
河流内部矛盾的发展和外在条件的变化都可能使输沙平衡遭到破坏，从而使河床变形得以持续进行。这就是河床演变的基本原理。对实际工程有重要影响的泥沙输运问题一般其时间尺度都限于百年以内。从而流域内的气候、地形、植被、岩性可视为确定的自变量，河流沿程地质构造的升降运动可以忽略，侵蚀基准面（内陆湖泊水面，海平面）也可视为是稳定的，河道形态（包括：流量、输沙率、泥沙粒径、河谷比降、岸壁阻力等）是因变量，它是由其它自变量决定的。
5、试描述泥沙悬浮的紊动扩散理论
表达悬移质运动过程中的一条重要规律：悬移质在紊动水流中，既因承受重力作用而下沉，又因承受紊动扩散作用而上升。
基于泥沙颗粒在紊流中随机运动来求解泥沙浓度垂向分布，称为扩散理论。这一理论的基础是液体的紊动扩散理论，它是通过把泥沙或液体微团的运动与分子热运动相比拟而得出来的，其基本方法都是用梯度型扩散（如Fick扩散定律）来描述颗粒 随机运动的宏观结果。
紊动扩散理论可以简单概括为：如果某一物理量m在呈显紊动状态，可作为连续介质看待的流体中分布不匀，具有沿任一方向n的浓度梯度，则这一物理量将通过紊动作用由高浓度区向低浓度区扩散，其扩散强度为，此处为扩散系数，亦称传递系数。
四、计算题(每题10分，共10分)
1、某河流的平均水深为h=1.5m，断面平均流速为U=1.1m/s，水力坡降为J=3/10000，均匀床沙粒径为D=0.6m，试利用爱因斯坦公式计算推移质单宽输沙率、悬移质单宽输沙率和水流挟沙力。
泥沙密度2650kg/m3，泥沙沉速：，
泥沙的沙粒半径：，
爱因斯坦推移质输沙率公式：，
爱因斯坦悬移质输沙率公式：已知，I1=0.1, I2=-0.75。
解：
床面剪切应力：
剪切流速：
泥沙颗粒沉速，D=0.6mm，
悬浮指标：
故泥沙颗粒在作推移运动的同时也作悬浮运动。
爱因斯坦水流强度：
由
按爱因斯坦理论求其推移质单宽输沙率和悬移质输沙率：