第3章 河道水流运动基本规律

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1、第三章河道水流运动基本规律河道水流与明渠水流在水流运动基本特性、水流结构及水流阻力等方面有很大的不同，尽管在某些情况下，仍可使用水力学中的明渠水流研究成果，但在许多情况下，如果生搬硬套，往往会带来较大的偏差。下面我们从河道水流运动基本特性、水流结构及水流阻力3个方面介绍河道水流运动规律。第一节河道水流运动基本特性河道水流运动基本特性可以概括如下。（一）河道水流的非恒定性河道水流的非恒定性主要表现在以下两个方面：一是来水来沙情况随时间变化。大多数河道来水来沙情况主要受降水影响，而降水在一年各季之间以及年际之间的变化幅度是相当大的。因此，各河流的来水来沙

2、变化幅度也相当大。二是河床经常处于冲淤变化中，河床边界也随时间变化。一方面水流造就河床，适应河床，改造河床；另一方面河床约束水流，适应水流，受水流的改造。河床与水流之间存在着相互依存、相互制约、相互影响的关系。因此，河道来水来沙情况的不恒定性，必不可免地要引起河床时而剧烈、时而缓慢的变化，呈现出与水沙情况相应而滞后的不恒定性。（二）河道水流的非均匀性均匀流首先必须是恒定流，而河道水流一般为非恒定流，这就否定了在一般情况下它呈均匀流的内在可能性。其次，均匀流的边界必须是与流向平行的棱柱体，这样才能保证流线平直，物理量沿流程的偏导数为零。而这一点在天然河

3、流中是很难做到的。再次，沿河床推移的泥沙，在绝大多数情况下往往在河床表面形成波状起伏并向下游移动的沙波。由于在沙波的不同部位，床面起伏高低不同，所以近底的流态与流速也不同。这就是说，即使上游来水来沙情况是恒定的，河床边界沿流向是平直的，河道水流的某些物理量仍然沿流程变化。如果这种非均匀性仅仅是由沙波所造成的床面起伏所引起，而沙波又可简化为二维问题。在这种情况下，取长度等于一个或若干个沙波的河段，就平均情况来看，水流才可以近似地视[1，2]为均匀流。但实际上，大多数沙波在床面上具有明显的三维性。严格地说，河道水流为非均匀流。但对于一个比较顺直的短河段，

4、来水来沙情况基本稳定，河床基本处于不冲不淤的相对平衡情况，过水断面及流速沿程变化不大，水面坡降、床面坡降及能坡基本平直而相互平行，就可以简化为均匀流处理。（三）河道水流的三维性在水力学中，明渠流常简化为一维流或二维流问题来研究。严格说来，在天然河流中，不存在水力学中所讨论的一维流或二维流问题。在天然河道中大量经常出现的是具有不规则的过水断面的三维流。过水断面不规则的程度，一般以山区河流为最大，以冲积平原中的顺直河段为最小。河道水流的三维性与过水断面的宽深比密切相关，宽深比愈小，三维性愈强烈。在顺直宽浅的平原河道上，水流的宽深比较大，可能呈现出一定程度

5、的二维性；而在宽深比很小的山区河段中，水流的三维性就较强。因此，在进行河道水流的分析计算中，应区别不同河道水流在三维性问题上的一些特点，避免不顾实际情况将所有河流简化为二维流或一维流问题来研究。（四）河道水流的二相性物质可分为四相，即固、液、气和等离子。所谓二相流或多相流是指同时考虑物质二相或多相的力学关系的流动。水是比重接近于1的可以视为连续介质的液体。在水力学中，讨82论的是仅以水作为研究对象的一相流，而河道水流或多或少都要挟带一些泥沙，泥沙是比重大于1的不能视为连续介质的颗粒体。因此，挟带泥沙的河道水流属于二相流。水沙二相流是河道水流中最常见的

6、，但并非唯一的。在某些情况下，河道水流也可以呈一相流或多相流，或者虽呈二相流，但并非由水沙二相组成，如河水中污染物迁移扩散、浮冰输移问题。（五）河道非恒定流输沙和不平衡输沙河道水流一般为非恒定流，所以在自然条件下，泥沙都是在非恒定流中输送的。而现阶段泥沙运动力学的诸多理论和公式，都是基于恒定均匀流条件建立起来的，而在自然条件下，泥沙都是在非恒定流中输送的。这可能就是用恒定流条件下建立起来的公式推算非恒定流中[3]的泥沙运动，导致两者结果差别较大的主要原因之一。在一般情况下，无论是推移质还是悬移质，一般都处于不平衡输沙状态，这种状态又称为非饱和输沙状态

7、。当水流处于不平衡输沙状态时，它总是通过在流动空间上的自动调整作用，使含沙量沿程变化，力图与水流挟沙力相适应，达到饱和（平衡）输沙状态。所谓水流挟沙力，系指一定的水力条件，挟带一定粗细的悬移质泥沙，使水流恰恰达到“饱和状态”的“临界含沙量”。水流的挟沙力是判断河床是否淤积、冲刷或不冲不淤的重要依据。当水流中的泥沙含量超过水流的挟沙力时，水流处于超饱和状态，河床沿程发生淤积。反之，当小于饱和含沙量时，水流处于次饱和状态，河床沿程冲刷。通过这种淤积或冲刷，使水流中的泥沙含量趋于饱和，河床恢复不冲不淤平衡状态。严格的说，饱和输沙状态在非恒定流条件下是不可能

8、达到的，但冲积河流调整具有平衡倾向性，朝着相对平衡状态方向演变，当河流处于相对平衡状态时，就平均情况而言，可