1、高 等 学 校 教 材河 流 动 力 学H eli u Do n g li x u e( 港 口 航 道 与 海 岸 工 程 专 业 用 )王 昌 杰 主 编 陈 国 祥 主 审人 民 交 通 出 版 社高 等 学 校 教 材河 流 动 力 学(港 口 航 道 与 海 岸 工 程 专 业 用 ) 王 昌 杰 主 编 陈 国 祥 主 审插 图 设 计 : 版 式 设 计 : 刘 晓 方 责 任 校 对 : 刘 高 彤人 民 交 通 出 版 社 出 版( 1 00 0 13 北 京 和 平 里 东 街 1 0 号 )新 华 书 店 北 京 发 行 所 发 行 各 地 新 华 书 店 经 销人 民
2、交 通 出 版 社 印 刷 厂 印 刷开 本 : 7 8 7 1 09 2 116 印 张 : 字 数 : 千2 0 01 年 2 月 第 1 版2 00 1 年 2 月 第 版 第 次 印 刷印 数 : 0 00 1 3 0 00 册 : 定 价 : 1 9 .00 元I SB N 7-1 14- -内 容 提 要本 书 是 河 流 动 力 学 的 修 订 版 。 全 书 包括 两 大 部 分 : 第 一 部 分 为 泥 沙 运 动 , 包 括 泥 沙 性 质 、 推 移 质 运 动 、 悬移 质 运 动 以 及 异 重 流 ; 第 二 部 分 为 河 床 演 变 , 包 括 平原 河 流
3、河 床 演 变 、 潮 汐 河 口 河 床 演 变 以 及 河 床 演 变 分 析 与 河 床 变 形 计 算 。本 书 充 分 考 虑 专 业 的 需 要 , 着 重 基 本 概 念 的 阐 述 , 并 顾 及 前 后 课 程 的 衔 接 。 本 书 为 高 等 学 校 港 口 航 道 与 海 岸 工 程 专 业 本 科 生 教 材 , 亦 可 供 有 关 专 业 师 生 及 工 程 技 术 人 员 参 考 。前 言本 书 是 在 1991 年 版 河 流 动 力 学 的 基 础 上 修 订 而 成 的 。 我 国 社 会 主 义 建 设 事 业 的 不 断 发 展 和 社 会 主 义 市
4、场 经 济 的 日 臻 完 善 推 动 着 我 国 教 育 事 业的 改 革 和 发 展 。 为 培 养 适 应 21 世 纪 需 要 的 厚 基 础 、 宽 专 业 、 高 素 质 人 才 , 原 来 的 港 口 航 道 专 业 已 拓 宽 为 港 口 航 道 与 海 岸 工 程 专 业 ; 全 国 高 等 学 校 港 口 与 航 道 工 程 教 学 指 导 委 员 会 也 对 本 专业 的 课 程 设 置 模 式 作 了 较 大 的 调 整 , 并 拟 订 了 新 一 轮 教 材 的 出 版 规 划 。 本 书 就 是 根 据 该 规 划出 版 的 。鉴 于 专 业 的 拓 宽 以 及 与
5、 本 课 程 关 系 密 切 的 “ 航 道 整 治 ”已 与 “ 渠 化 工 程 ”合 并 为 “航 道 工 程 学” , 积 十 年 来 使 用 原 教 材 的 经 验 , 并 考 虑 到 同 “ 航 道 工 程 学 ”以 及 其 他 有 关 课 程 如 “水 力 学 ”、 “海 岸 动 力 学” 等 修 订 后 教 材 的 衔 接 , 我 们 对 原 书 作 了 相 应 的 调 整 、 修 改 和 补 充 。 本 书 注 意 讲 清 基 本 概 念 及 其 应 用 , 修 正 了 原 教 材 中 的 一 些 不 足 , 充 实 了 一 些 新 的 内 容 , 力 求 在 原 教 材 的
6、基 础上 有 较 大 的 提 高 。 例 如 第 一 章 中 对 潮 汐 河 口 常 见 的 细 颗 粒 泥 沙 絮 凝 现 象 及 其 沉 积 压 密 过 程 分 别 作 了 改 写 与 简 要 介 绍 , 补 充 了 海 洋 界 常 用 的 泥 沙 粒 径 - 分 级 法 。 第 六 章 删 去 了 一 些 次 要的 内 容 , 扼 要 介 绍 了 波 浪 对 河 口 泥 沙 运 动 的 影 响 , 在 分 析 潮 汐 河 口 水 流 、 泥 沙 运 动 特 点 的 基 础 上 介 绍 了 不 同 类 型 河 口 的 河 床 演 变 , 使 重 点 更 为 突 出 。 变 动 较 大 的
7、是 第 五 章 和 第 七 章 。 浅 滩是 航 道 整 治 的 主 要 对 象 , 第 五 章 除 介 绍 河 床 演 变 的 基 本 概 念 和 不 同 类 型 平 原 河 流 河 床 演 变 的规 律 外 , 还 介 绍 了 浅 滩 的 类 型 与 演 变 规 律 , 原 书 关 于 河 床 演 变 分 析 的 内 容 一 并 归 入 该 章 。 第 七 章 则 专 门 介 绍 河 床 变 形 计 算 的 内 容 , 该 章 几 乎 全 部 作 了 重 写 。本 书 是 有 关 院 校 分 工 合 作 的 成 果 , 主 编 为 河 海 大 学 王 昌 杰 , 主 审 为 河 海 大 学
8、 陈 国 祥 教 授 。 重 庆 交 通 学 院 程 昌 华 编 写 第 五 、 七 章 , 长 沙 交 通 学 院 胡 旭 跃 编 写 第 二 章 , 河 海 大 学 刘 曙 光 编 写第 一 、 六 章 , 王 昌 杰 编 写 绪 论 和 第 三 、 四 章 。 全 书 由 王 昌 杰 统 稿 。由 于 编 者 水 平 所 限 , 本 书 难 免 有 谬 误 与 不 当 之 处 , 衷 心 希 望 读 者 批 评 指 正 , 以 便 今 后 改 进 。编 者目 录绪 论 1第 一 章 泥 沙 特 性 5第 一 节 泥 沙 的 几 何 特 性 5第 二 节 细 颗 粒 泥 沙 的 物 理 化
9、 学 特 性 8第 三 节 泥 沙 的 重 力 特 性 10第 四 节 泥 沙 的 水 力 特 性 12第 二 章 推 移 质 运 动 22第 一 节 泥 沙 运 动 的 形 式 22第 二 节 泥 沙 的 起 动 24第 三 节 沙 波 运 动 35第 四 节 冲 积 河 流 的 阻 力 38第 五 节 推 移 质 输 沙 率 44第 三 章 悬 移 质 运 动 56第 一 节 床 沙 质 与 冲 泻 质 56第 二 节 含 沙 量 沿 水 深 分 布 58第 三 节 悬 移 质 输 沙 率 70第 四 节 含 沙 量 沿 程 变 化 78第 五 节 总 输 沙 率 80第 四 章 异 重
10、流 87第 一 节 异 重 流 的 一 般 概 念 87第 二 节 异 重 流 的 基 本 方 程 90第 三 节 河 渠 异 重 流 92第 五 章 河 床 演 变 97第 一 节 河 床 演 变 的 基 本 概 念 97第 二 节 河 床 演 变 的 基 本 类 型 及 特 性 100第 三 节 河 相 关 系 122第 四 节 水 利 枢 纽 对 河 道 演 变 的 影 响 127第 五 节 河 床 演 变 分 析 129第 六 章 潮 汐 河 口 的 水 流 泥 沙 特 点 及 河 床 演 变 137第 一 节 潮 汐 河 口 的 分 段 和 分 类 137第 二 节 潮 汐 河 口
11、区 的 水 流 特 性 139第 三 节 潮 汐 河 口 区 泥 沙 运 动 特 点 148第 四 节 潮 汐 河 口 区 的 河 床 演 变 155第 七 章 河 床 变 形 计 算 1631第 一 节 一 维 河 床 变 形 计 算 163目 录第 二 节 平 面 二 维 河 床 变 形 计 算 概 述 175第 三 节 冲 淤 极 限 状 态 估 算 178第 四 节 河 床 变 形 计 算 建 模 及 主 要 程 序 182参 考 文 献 1842绪 论河 流 动 力 学 是 研 究 冲 积 河 流 在 自 然 状 态 下 以 及 受 人 工 建 筑 物 影 响 以 后 所 发 生 的
12、 变 化 和 发 展 规 律 的 一 门 科 学 。天 然 河 流 总 是 处 在 不 断 变 化 和 发 展 过 程 中 。 如 平 原 地 区 的 弯 曲 性 河 流 , 由 于 河 身 外 形 弯曲 , 迫 使 水 流 作 曲 线 运 动 。 在 离 心 力 作 用 下 , 凹 岸 水 面 升 高 , 凸 岸 水 面 降 低 , 表 层 水 体 因 流 速 较 大 , 受 到 的 离 心 力 大 , 底 层 水 体 流 速 小 , 受 到 的 离 心 力 小 , 于 是 面 流 流 向 凹 岸 , 而 底 流 则 流 向 凸岸 。 其 结 果 是 : 一 方 面 , 在 弯 道 横 断
13、面 内 形 成 封 闭 的 环 流 , 该 环 流 与 纵 向 水 流 相 结 合 便 形 成 了弯 道 螺 旋 流 ; 另 一 方 面 , 由 于 表 层 河 水 含 沙 量 较 小 , 底 层 河 水 含 沙 量 较 大 , 在 弯 道 环 流 作 用 下 , 使 得 凹 岸 发 生 冲 刷 , 凸 岸 发 生 淤 积 。 人 们 有 这 样 的 体 验 : 在 大 半 杯 水 中 加 些 茶 叶 末 , 然 后 用 筷子 顺 着 一 个 方 向 搅 动 , 可 以 看 见 边 上 水 面 升 高 , 中 间 水 面 凹 下 ; 而 茶 叶 末 却 逐 渐 集 中 于 杯 底 中心 。 这
14、 是 水 流 内 部 运 动 的 结 果 。 观 察 茶 叶 末 运 动 的 轨 迹 可 以 了 解 , 面 层 水 被 甩 向 四 周 , 接 着 沿 杯 壁 而 下 , 集 于 中 心 , 然 后 回 升 到 水 面 , 再 扩 散 到 周 围 , 在 水 体 上 升 过 程 中 , 其 速 度 不 足 以 托 住下 沉 的 茶 叶 末 , 于 是 后 者 便 集 结 于 杯 底 的 中 部 。 这 一 现 象 说 明 了 弯 道 环 流 的 形 成 和 凹 岸 冲 刷凸 岸 淤 积 的 道 理 。 弯 道 凹 岸 冲 刷 和 凸 岸 淤 积 的 综 合 作 用 , 使 河 道 变 得 更
15、 弯 , 环 流 随 之 进 一 步 增 强 。 在 弯 道 水 流 的 长 期 作 用 下 , 最 终 形 成 很 大 的 河 环 。 在 特 大 洪 水 期 , 水 流 冲 开 河 环 颈 部 , 裁 弯 取 直 , 弯 曲 河 道 暂 时 变 成 了 微 弯 河 段 。 如 果 没 有 人 工 控 制 , 将 重 复 上 述 由 微 弯 发 展 到 弯 曲 到 河 环 直 至 裁 弯 的 过 程 , 如 此 循 环 不 已 , 不 过 不 是 简 单 的 重 复 。 天 然 河 道 的 演 变 一 般 较 为 缓 慢 ; 当 在 河 流 上 修 建 了 各 种 工 程 建 筑 物 或 进
16、 行 疏 浚 、 整 治 以 后 , 河 床 的 变 化 和 发 展 将 更 加 剧 烈 和 迅 速 。 例 如 河 流 上 兴 建 大 型 水 库 以 后 , 水 库 回 水 区 将 产 生 泥 沙 的 淤 积 , 水 库 下 游 将 引 起 河 床 的 冲 刷 。 河 流 的 这 些 变 化 和 发 展 对 于 沿 河 两 岸 的 工 农 业 生 产 以 及 国 民 经 济 各 部 门 , 特 别 是 对 于 水利 、 治 河 、 港 口 航 道 以 及 灌 溉 排 水 工 程 建 设 等 有 重 大 的 影 响 。河 流 的 变 化 和 发 展 是 水 流 与 河 床 相 互 作 用 的
17、 结 果 。 一 条 河 流 包 括 水 流 与 河 床 这 两 个 矛 盾 着 的 方 面 。 水 流 作 用 于 河 床 , 使 河 床 发 生 变 化 , 河 床 又 反 过 来 作 用 于 水 流 , 使 水 流 结 构 和 水 流 要 素 如 流 速 、 流 向 、 水 位 等 发 生 变 化 , 二 者 相 互 依 存 , 又 相 互 作 用 , 从 而 推 动 着 河 流 不 断 地 变 化 和 发 展 。 水 流 与 河 床 的 相 互 作 用 是 通 过 它 们 之 间 的 泥 沙 交 换 来 实 现 的 。 水 流 挟 带 泥沙 , 河 床 是 由 泥 沙 组 成 的 ,
18、它 们 之 间 经 常 地 进 行 着 泥 沙 的 交 换 。 一 种 情 况 下 , 通 过 泥 沙 的 淤 积 使 河 床 升 高 ; 另 一 种 情 况 下 , 通 过 泥 沙 的 冲 刷 使 河 床 降 低 。 泥 沙 运 动 是 水 流 与 河 床 相 互 作 用 的 媒 介 。 水 流 与 河 床 间 的 泥 沙 交 换 又 是 受 水 流 紊 动 结 构 所 制 约 的 。 由 于 紊 动 交 换 作 用 , 向 上 脉 动 水 流 从 床 面 掀 起 泥 沙 颗 粒 并 把 它 们 带 到 水 流 中 去 , 而 向 下 脉 动 的 水 流 则 把 一 定 数 量 的 泥 沙
19、重 新 带 向 河 底 , 水 流 紊 动 结 构 对 泥 沙 运 动 有 决 定 性 的 影 响 。 因 此 , 河 流 动 力 学 研 究 的 内 容 包 括 水 流 结 构 、 泥 沙 运 动 、 河 床 演 变 及 河 床 变 形 预 测 等 几 个 部 分 。 它 们 是 互 相 联 系 、 不 可 分 割 的 。 河 流 动 力 学 与 港 口 及 航 道 工 程 建 设 的 关 系 十 分 密 切 。 在 河 流 上 建 设 一 个 港 口 , 首 先 要 正确 地 选 定 港 址 。 除 了 考 虑 国 民 经 济 的 需 要 、 陆 域 条 件 以 及 水 深 足 够 外 ,
20、 选 择 港 址 时 还 必 需 了 解 河 道 的 冲 淤 变 化 情 况 , 尽 可 能 选 择 冲 淤 变 化 不 大 的 或 冲 淤 变 化 正 向 着 有 利 于 建 设 方 向 发 展 的1地 方 建 港 。 如 不 能 满 足 , 应 另 行 选 址 或 制 定 整 治 的 措 施 。 疏 浚 和 整 治 航 道 首 先 要 了 解 浅 滩 碍航 情 况 和 产 生 原 因 , 为 此 必 须 充 分 掌 握 河 床 演 变 的 规 律 , 找 出 主 要 的 影 响 因 素 , 在 此 基 础 上 拟订 疏 浚 整 治 工 程 方 案 , 使 河 床 演 变 朝 着 有 利 于
21、 通 航 要 求 的 方 向 发 展 , 只 有 这 样 才 能 收 到 事 半 功 倍 的 效 果 。 在 河 流 上 修 建 水 利 枢 纽 , 可 以 在 发 电 、 灌 溉 、 防 洪 等 方 面 获 益 , 但 也 带 来 不 少 问 题 。 在 大 坝 上 游 的 水 库 库 区 , 其 常 年 回 水 区 内 的 滩 险 可 全 部 淹 没 , 航 道 水 深 增 加 , 航 行 条 件 得 到 很大 改 善 。 但 是 , 在 库 尾 回 水 变 动 区 内 泥 沙 会 大 量 淤 积 , 使 航 道 水 深 不 足 , 妨 碍 航 行 , 并 使 其 影 响 范 围 内 的
22、码 头 、 取 水 口 、 支 流 河 口 等 淤 浅 甚 至 淤 塞 。 在 大 坝 下 游 , 由 于 水 库 的 调 节 作 用 , 增 加 了 枯 水 期 的 流 量 和 水 深 , 这 是 有 利 的 一 面 。 但 也 存 在 很 多 不 利 的 方 面 , 例 如 上 游 的 浑 水 进 入 水库 , 经 沉 淀 泥 沙 后 成 为 清 水 。 水 库 下 泄 清 水 将 引 起 河 床 长 距 离 的 冲 刷 , 使 同 流 量 下 的 水 位 降低 , 并 引 起 枢 纽 下 游 河 道 剧 烈 的 变 化 。 例 如 葛 洲 坝 枢 纽 建 成 以 来 , 坝 下 河 段
23、遭 受 冲 刷 下 切 , 枯 水 期 水 位 比 设 计 低 水 位 还 低 0 .6m , 以 至 下 引 航 道 和 二 、 三 号 船 闸 下 闸 首 的 槛 上 水 深 不 能 达 到 原 设 计 标 准 , 特 枯 水 位 时 , 给 航 运 造 成 了 严 重 威 胁 。 在 丹 江 口 水 库 下 游 , 由 于 清 水 冲 刷 , 下 游 河 床 变 化 剧 烈 , 不 但 刷 深 , 还 严 重 崩 岸 , 仅 宜 城 县 就 有 5 万 亩 良 田 崩 塌 于 汉 江 之 中 。 该 河 段 由 于河 床 展 宽 , 无 明 显 深 槽 , 洲 滩 变 化 迅 速 , 河
24、 床 极 不 稳 定 , 这 对 航 道 极 为 不 利 。 在 河 流 渠 化 和 运 河 工 程 建 设 中 必 须 十 分 重 视 泥 沙 及 河 床 演 变 问 题 , 除 了 泥 沙 淤 积 和 坝 下 游 河 床 冲 刷 问 题 外 , 还 要 注 意 船 闸 引 航 道 的 淤 积 问 题 等 。 事 实 上 , 在 科 学 技 术 高 度 发 展 的 今 天 , 港 航 工 程 建 筑 物 因 结 构 设 计 不 当 而 垮 塌 的 事 故 已 很 少 见 ; 但 因 河 岸 冲 刷 使 建 筑 物 坍 入 江 中 , 或 因 泥 沙 淤 积 影 响 港 口 码 头 营 运 ,
25、 甚 至 将 港 口 淤 塞 的 现 象 却 屡 见 不 鲜 。 例 如 汉 江 宜 城 港 就 曾 被 大 片 边 滩 包 围 , 以 至 枯 水 期 船 舶 无 法 在 码 头 靠 泊 。 为 了 合 理 地 利 用 和 有 效 地 治 理 河 流 , 为 了 在 河 流 两 岸 修 建 水 工 建 筑物 , 人 们 必 须 认 识 和 掌 握 河 流 运 动 的 客 观 规 律 , 并 对 其 在 今 后 的 发 展 趋 势 作 出 定 性 和 定 量 的 预 测 。在 河 口 和 海 岸 兴 建 工 程 同 样 要 考 虑 河 口 与 岸 滩 的 演 变 , 也 会 遇 到 泥 沙 冲
26、 淤 问 题 。 但 河 口与 岸 滩 受 波 浪 、 潮 流 以 及 沿 岸 流 等 多 种 动 力 因 素 的 作 用 ; 在 淤 泥 质 海 岸 , 极 细 泥 沙 还 有 絮 凝 与浮 泥 等 问 题 , 情 况 比 内 河 更 为 复 杂 。 这 些 将 是 “海 岸 动 力 学” 研 究 的 内 容 。 本 课 程 将 专 章 叙 述潮 汐 河 口 的 演 变 , 对 絮 凝 等 现 象 将 作 简 要 的 介 绍 ; 而 本 课 程 中 关 于 泥 沙 性 质 、 推 移 质 与 悬 移 质 运 动 以 及 冲 淤 计 算 等 的 研 究 方 法 、 概 念 与 结 论 对 研
27、究 河 口 与 海 岸 泥 沙 运 动 有 重 要 的 借 鉴 意 义 ,有 些 则 被 直 接 引 用 。 本 课 程 是 学 习 和 研 究 “海 岸 动 力 学” 有 关 内 容 的 基 础 。河 流 动 力 学 是 在 人 类 同 江 河 作 斗 争 的 过 程 中 诞 生 和 成 长 起 来 的 。 河 流 两 岸 自 古 以 来 就 是 人 类 繁 衍 生 息 之 所 , 河 流 给 人 们 带 来 航 运 和 生 活 、 生 产 用 水 之 利 ; 但 洪 水 泛 滥 、 河 道 迁 徙 使 人 们 深 受 其 害 。 为 了 化 害 为 利 , 人 们 不 断 地 与 江 河
28、进 行 不 屈 不 挠 的 斗 争 。 在 长 期 斗 争 过 程 中 , 人 们 逐 渐 加 深 了 对 河 流 的 了 解 , 积 累 了 关 于 河 流 运 动 发 展 规 律 的 认 识 , 从 而 逐 步 地 于 20 世 纪 30 年 代 起 形 成 了 一 门 新 的 学 科 河 流 动 力 学 。 随 着 近 代 科 学 技 术 的 进 步 和 人 们 对 河 流 认 识 的 深 化 , 这 门 学 科 日 益 发 展 和 完 善 。 我 国 古 代 在 治 河 方 面 有 着 辉 煌 的 成 就 , 特 别 在 都 江 堰 工 程 以 及 与 黄 河 作 斗 争 方 面 更
29、是 举 世 闻 名 。 都 江 堰 工 程 是 蜀 太 守 李 冰 带 领 人 民 在 岷 江 上 修 建 的 取 水 工程 , 建 成 于 公 元 前 250 年 秦 孝 王 初 期 。 它 把 “ 沃 野 岁 灾 , 民 受 其 害” “, 江 水 初 荡 荡 , 蜀 人 几 为 鱼 ”的 成 都 平 原 改 变 为 “水 旱 从 人 , 不 知 饥 馑 , 时 无 荒 年” 的 天 府 之 国 。 这 个 取 水 工 程 在 防 止 底 部 粗 沙 进 入 渠 道 以 及 既 能 引 入 足 够 的 用 水 , 又 能 防 止 洪 水 进 入 灌 区 的 工 程 设 施 方 面 与 近
30、代 无 坝 取水 工 程 的 设 计 原 则 , 如 利 用 弯 道 环 流 的 正 面 引 水 、 侧 面 排 沙 原 则 等 是 完 全 符 合 的 。 万 里 长 城 因 其 工 程 浩 大 、 艰 难 与 雄 伟 而 成 为 举 世 公 认 的 世 界 八 大 奇 迹 之 一 。 而 都 江 堰 2200 多 年 来 一 直 抵 御 着 岷 江 洪 水 , 灌 溉 着 成 都 平 原 , 至 今 仍 使 当 地 数 百 万 人 民 受 益 , 从 这 个 意 义 上 说 , 它 堪 称 世 界2又 一 奇 迹 。 在 长 期 的 治 黄 过 程 中 , 我 国 人 民 积 累 了 许
31、多 宝 贵 的 经 验 , 其 中 不 少 认 识 如 “ 筑 堤 束水 , 藉 水 攻 沙” , 以 及 “ 水 分 则 势 缓 , 势 缓 则 沙 停 , 沙 停 则 河 饱” “, 水 合 则 势 猛 , 势 猛 则 沙 刷 , 沙 刷则 河 深” 等 关 于 水 沙 关 系 的 论 断 在 今 天 仍 不 失 其 理 论 和 实 践 意 义 。 但 在 解 放 前 这 些 经 验 得 不到 很 好 的 总 结 。新 中 国 建 立 以 来 , 随 着 社 会 主 义 建 设 事 业 的 蓬 勃 发 展 , 对 江 河 的 利 用 和 治 理 日 益 广 泛 。 生 产 实 践 , 特
32、别 是 许 多 大 型 水 利 枢 纽 如 葛 洲 坝 等 的 建 设 有 力 地 推 动 着 河 流 动 力 学 的 迅 速 发 展 。 多 年 来 , 我 们 进 行 了 大 规 模 的 河 道 观 测 工 作 , 收 集 了 大 量 极 其 宝 贵 的 资 料 ; 建 立 了 许 多 具 有 相当 规 模 的 实 验 室 ; 开 展 了 多 方 面 的 理 论 分 析 、 试 验 研 究 和 数 值 计 算 工 作 , 解 决 了 生 产 实 践 中 提出 来 的 大 量 科 学 技 术 问 题 , 取 得 了 许 多 科 学 研 究 成 果 。 三 峡 工 程 举 世 瞩 目 。 在
33、其 前 期 论 证 工作 中 , 泥 沙 问 题 就 被 列 为 关 键 技 术 问 题 之 一 。 通 过 物 理 模 型 、 数 学 模 型 、 实 船 试 验 、 原 型 观 测 等手 段 , 就 “ 三 峡 坝 区 泥 沙 淤 积 对 通 航 和 发 电 的 影 响 及 其 防 治” “, 回 水 变 动 区 河 段 泥 沙 淤 积” “, 坝下 游 河 道 演 变 及 重 点 河 段 整 治” 等 问 题 进 行 了 深 入 的 研 究 , 其 成 果 在 整 体 上 达 到 了 国 际 先 进 水 平 。 对 我 国 江 河 的 治 理 , 泥 沙 工 作 者 做 了 许 多 卓
34、有 成 效 的 工 作 , 其 中 钱 宁 、 窦 国 仁 、 谢 鉴 衡 三 位 院 士 等 知 名 专 家 是 其 中 的 突 出 代 表 , 他 们 对 我 国 泥 沙 研 究 工 作 的 推 进 , 做 出 了 杰 出 的 贡 献 , 在 国 际 泥 沙 学 界 也 享 有 很 高 的 声 誉 。虽 然 如 此 , 河 流 动 力 学 还 是 一 门 新 兴 的 、 发 展 中 的 学 科 。 由 于 研 究 的 问 题 比 较 复 杂 , 现 阶 段 还 不 可 能 完 全 从 理 论 上 得 到 解 决 , 因 此 , 在 研 究 中 就 不 得 不 对 问 题 作 出 某 些 假
35、 定 , 进 行 一 些简 化 , 同 时 在 实 际 工 作 中 则 广 泛 使 用 半 经 验 的 或 经 验 的 方 法 。 本 书 就 一 些 有 代 表 性 的 公 式 较为 详 细 地 介 绍 了 其 推 导 过 程 , 希 望 读 者 从 中 领 会 学 习 通 过 半 经 验 与 经 验 途 径 处 理 问 题 的 方 法 。 正 因 为 研 究 问 题 的 复 杂 , 不 同 的 学 者 处 理 问 题 的 出 发 点 和 依 据 的 资 料 不 同 , 对 同 一 问 题 得 到 的 公 式 也 各 不 相 同 , 这 也 从 一 个 侧 面 反 映 了 本 学 科 的 不
36、 成 熟 。 对 于 书 中 介 绍 的 众 多 公 式 , 并 不 要 求 一 一 背 诵 , 而 应 将 注 意 力 放 在 弄 清 其 物 理 概 念 , 分 析 其 影 响 因 素 , 注 意 其 建 立 条 件 和 适 用 范围 等 方 面 , 切 忌 盲 目 照 搬 。 选 定 公 式 后 进 行 计 算 时 , 要 留 意 有 关 变 量 的 量 纲 及 其 相 互 关 系 , 不 可 随 心 所 欲 地 取 用 单 位 。 在 解 决 实 际 问 题 时 , 必 须 依 据 辩 证 唯 物 主 义 的 观 点 和 方 法 , 从 实 际 出 发 , 重 视 和 掌 握 第 一
37、手 资 料 , 对 所 研 究 问 题 的 各 个 方 面 进 行 全 面 的 了 解 。 在 此 基 础 上 抓 住 主 要 因 素 进 行 理 论 分 析 和 数 学 推 导 , 求 得 相 应 的 公 式 或 结 论 , 然 后 再 回 到 实 践 中 去 , 根 据 实 际 资 料来 检 验 所 得 结 论 的 正 确 性 , 并 逐 步 修 正 自 己 的 结 论 , 如 此 不 断 反 复 , 不 断 提 高 。本 教 材 是 根 据 “河 流 动 力 学” 教 学 大 纲 编 写 的 。 内 容 取 舍 和 章 节 安 排 力 求 符 合 专 业 特 点 。 鉴 于 有 关 水
38、流 结 构 与 河 道 水 流 的 内 容 已 分 散 到 各 有 关 部 分 , 不 另 列 专 章 , 故 本 书 共 分 三 个 单元 。 第 一 单 元 为 泥 沙 运 动 基 本 规 律 , 包 括 泥 沙 特 性 、 推 移 质 运 动 、 悬 移 质 运 动 和 异 重 流 ; 第 二 单 元 为 河 床 演 变 特 性 , 包 括 河 床 演 变 基 本 原 理 、 不 同 类 型 河 段 如 弯 道 、 汊 道 、 浅 滩 的 河 床 演 变 和 潮 汐 河 口 的 河 床 演 变 ; 第 三 单 元 为 河 床 演 变 分 析 及 河 床 变 形 计 算 。 在 教 学 过
39、 程 中 , 可 根 据 具 体 情 况 有 所 侧 重 。 第 三 单 元 属 河 床 变 形 预 测 的 范 畴 , 为 叙 述 方 便 并 考 虑 到 内 容 的 连 贯 , 将 河 床 演 变 分 析 纳 入 第 五 章 , 第 七 章 则 专 门 介 绍 河 床 变 形 计 算 。 应 该 注 意 的 是 , 河 工 模 型 试 验 和 河 床 演 变 分 析 及 河 床 演 变 计 算 一 样 , 是 预 测 河 床 演 变 的 重 要 手 段 , 其 具 体 做 法 将 在 “ 模 型 试 验 和 量 测 技 术” 的 课 程 中 另 行 介 绍 。思 考 题1 .为 什 么 说
40、 河 流 永 远 处 于 发 展 变 化 之 中 ?32 .泥 沙 运 动 在 河 床 演 变 中 有 什 么 作 用 ?3 .河 流 动 力 学 与 港 口 航 道 及 海 岸 工 程 有 什 么 关 系 ?4 .我 国 古 代 在 治 水 方 面 有 哪 些 著 名 的 成 就 ?5 .学 习 本 课 程 时 要 注 意 些 什 么 问 题 ?4第 一 章 泥 沙 特 性由 于 水 流 条 件 的 变 化 , 有 时 水 流 挟 带 的 泥 沙 沉 积 于 河 床 , 有 时 水 流 从 床 面 上 攫 取 泥 沙 , 从 而 造 成 河 床 淤 积 或 冲 刷 , 引 起 河 床 演 变
41、 。 泥 沙 运 动 在 其 中 扮 演 着 重 要 角 色 。 因 此 , 泥 沙 运 动 规 律 是 河 流 动 力 学 研 究 的 重 要 内 容 之 一 。要 研 究 泥 沙 运 动 规 律 , 首 先 应 了 解 泥 沙 的 基 本 特 性 , 它 包 括 几 何 特 性 ( 泥 沙 颗 粒 的 形 状 、 大 小 及 群 体 泥 沙 的 组 合 特 性 ) 、 重 力 特 性 ( 泥 沙 颗 粒 的 容 重 与 淤 积 泥 沙 的 干 容 重 ) 和 水 力 特 性 ( 泥 沙 颗 粒 的 沉 降 速 度 ) 。 此 外 , 对 于 细 颗 粒 泥 沙 , 还 有 物 理 化 学
42、特 性 ; 对 于 粘 性 土 壤 , 还 有 生 物 化学 特 性 。本 章 介 绍 泥 沙 的 主 要 特 性 及 其 计 算 方 法 。第 一 节 泥 沙 的 几 何 特 性一 、 泥 沙 的 粒 径河 流 中 泥 沙 的 形 状 各 式 各 样 。 常 见 的 砾 石 、 卵 石 , 外 形 比 较 圆 滑 常 呈 椭 球 状 。 沙 类 和 粉 土 类 泥 沙 外 形 不 规 则 , 尖 角 和 棱 线 都 比 较 明 显 。 粘 土 类 泥 沙 一 般 都 是 棱 角 分 明 , 外 形 十 分 复 杂 。 泥 沙 颗 粒 的 大 小 , 通 常 用 泥 沙 的 直 径 来 表 示
43、 。 由 于 泥 沙 颗 粒 形 状 不 规 则 , 不 易 确 定 其 直径 , 理 论 上 采 用 等 容 粒 径 。 所 谓 等 容 粒 径 , 就 是 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 其 等 容 粒 径 D 为D = 6 V1/ 3( 1 -1)等 容 粒 径 简 称 为 粒 径 , 常 用 单 位 为 mm , 对 较 大 的 粒 径 也 可 用 cm 作 单 位 。此 外 , 泥 沙 的 粒 径 也 可 用 其 长 轴 a、 中 轴 b 及 短 轴 c 的 算 术 平 均 值 或 几 何 平 均 值 表
44、 示 , 其 中 算 术 平 均 值 为D = 13 ( a + b + c) ( 1 -2)而几 何 平 均 值 则 是 假 定 把 泥 沙 看 成 椭 球 体 , 因 椭 球 体 的 体 积 为 abc/ 6 , 而 球 体 的 体 积 为 D3/ 6 , 令 两 者 相 等 , 可 得 几 何 平 均 值 为3D = abc ( 1 -3)即 椭 球 体 的 等 容 粒 径 为 其 长 、 中 、 短 轴 的 几 何 平 均 值 ; 就 一 般 沙 粒 而 言 , 可 认 为 二 者 近 似 相 等 。 对 较 粗 天 然 沙 粒 测 量 结 果 表 明 , 沙 粒 的 中 轴 长 度
45、, 和 其 长 、 中 、 短 三 轴 的 几 何 平 均 值 接 近 而 略 大 。 这 就 为 用 沙 粒 的 中 轴 长 度 来 代 替 等 容 粒 径 提 供 了 依 据 。在 实 际 工 作 中 , 有 时 仅 对 单 颗 粒 的 卵 石 、 砾 石 直 接 量 得 它 的 长 、 中 、 短 三 轴 长 度 , 再 求 其 平 均 值 , 对 于 其 他 较 细 颗 粒 泥 沙 则 不 可 能 也 没 有 必 要 用 上 述 方 法 来 确 定 泥 沙 的 粒 径 。 通 常 都 采用 筛 析 法 或 水 析 法 ( 如 比 重 计 法 、 粒 径 计 法 等 ) 来 近 似 地
46、确 定 泥 沙 的 粒 径 。 这 些 方 法 在 水 文 学 、52土 力 学 中 均 有 介 绍 。 但 应 注 意 , 用 这 些 方 法 测 得 的 泥 沙 粒 径 , 既 不 是 严 格 的 等 容 粒 径 , 也 不 是平 均 粒 径 , 而 只 是 等 容 粒 径 的 近 似 值 。根 据 泥 沙 粒 径 大 致 符 合 对 数 正 态 分 布 的 性 质 , 克 伦 宾 ( W .C .Krumbein ) 提 出 用 - 分 级 法 表 示 泥 沙 的 粒 径 , 其 表 达 式 为 :式 中 : D 为 粒 径 ( mm ) ; 为 指 数 。D = 2 - 或 = - l
47、og D ( 1 -4)应 用 该 方 法 , 可 以 用 不 大 的 值 变 化 表 示 相 当 大 的 粒 径 范 围 。 表 1-1 是 值 与 D ( mm ) 的 对 应 关 系 , 由 表 可 见 , 后 一 粒 径 为 前 一 粒 径 之 半 , 值 从 - 3 7 可 以 表 示 从 8 0 .008 mm 的 粒 径 范 围 。 现 在 这 种 表 示 粒 径 的 方 法 已 被 海 洋 部 门 广 泛 采 用 。值 与 粒 径 D 的 关 系 表 1-1- 3 - 2 - 1 0 1 2 3 4 5 6 7D( mm ) 8 .0 0 4 .00 2 .0 0 1 .00
48、0 .5 0 0 .2 5 0 .12 5 0 .0 63 0 .0 32 0 .0 1 6 0 .00 8根 据 泥 沙 颗 粒 的 大 小 , 可 对 泥 沙 进 行 分 类 , 各 类 泥 沙 的 粒 径 可 参 考 表 1-2。 由 表 可 见 , 各 类 泥 沙 的 分 界 数 字 为 1/ 2001/ 202 20 200。 泥 沙 又 可 分 为 泥 、 沙 、 石 三 大 类 , 其 中 粘 粒 、 粉 沙 属 泥 ; 沙 粒 属 沙 ; 砾 石 、 卵 石 、 漂 石 属 石 。泥 沙 颗 粒 分 级 标 准 (我 国 水 利 工 程 界 分 类 ) 表 1-2粘 粒 粉 沙
49、 沙 粒 砾 石 卵 石 漂 石0 .0 05 0 .05 2 2 0 2 00 粒 径 ( mm )二 、 沙 样 组 成 与 粒 配 曲 线河 流 中 的 泥 沙 是 由 大 小 不 等 的 颗 粒 所 组 成 , 各 种 颗 粒 的 含 量 也 不 相 等 , 为 了 表 示 泥 沙 的 组 成 特 性 , 通 常 利 用 粒 配 曲 线 。 其 作 法 是 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 , 算 出 小 于 各 种 粒 径 的 泥 沙 总 重 量 , 然 后 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 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 , 见 图 1-1。从 泥 沙 粒 配 曲 线 上 , 不 但 可 以 了 解 沙 样 中 泥 沙 颗
