面沙

第四节河流泥沙的运动

一、推移质运动

推移质的运动来源于床面泥沙的起动。当床面泥沙起动达到一定程度后，床

面会出现起伏不平的沙波，而沙波运动又往往是推移质运动的主要形式。因此，

在介绍推移质运动时，往往需要涉及到河床泥沙的起动、起动流速及沙波运动的

相关概念。

1.泥沙的起动流速

设想床面为泥沙组成且具有一定厚度，在这种水槽中施放水流，使水流的速

度由小到大逐渐增加，直到使床面泥沙(床沙)由静止转入运动，这种现象称为泥

沙的起动。泥沙颗粒由静止状态变为运动状态的临界水流条件，称为泥沙的起动

条件。泥沙的起动条件常用起动流速U

c

表示，它相当于床面泥沙开始起动时的

水流平均流速U。

对于天然沙，其起动流速常由下式计算：

U

c

=4.66

1

3

1hd

（3-3）

式中，d为泥沙粒径；h为水深。适用范围：d>0.15~0.2mm。

泥沙的起动流速是关系到河床冲刷状态的重要判据，因此，对它的研究具有

重要的理论与实践意义。例如，在研究坝下游河床冲刷时，首先需计算河床泥沙

的起动电灯图片 流速。当河道实际水流流速U超过床沙的起动流速U

c

时，就可判定，河

床就会被冲刷；反之，河床就不会发生冲刷。河床在冲刷过程中，水深随之增加，

流速降低，当发展到水流条件不足以使床面泥沙继续起动时，冲刷便会自动停止。

再如，组成河床的泥沙粗细不均时，则细的颗粒被水流优先冲走，粗的颗粒留下

来逐渐形成一层抗冲覆盖层，冲刷逐渐停止下来。河床冲刷前的高程与冲刷终止

后的高程之差，即为河床的冲刷深度。

下面举例说明泥沙起动流速公式的具体实际应用方法及其意义。

算例：已知某水库下游河段河床沙质组成，河宽B=200m,过水面积A=500m2，

床沙平均粒径d=5.5mm,问当水库下泄流量Q=500m3/s时,河床会否发生冲刷？

可能冲深多少？

解：（1）判断河床会否发生冲刷？

V=Q/A=500/500=1.0m/s

H=500/200=2.5m

由沙莫夫公式

V

c

=4.6d1/3H1/6=4.6（5.510-3）1/32.51/6=0.946m/s

∵V>V

c

，∴河床会发生冲刷。

（2）当冲刷停止时，求河床冲深H=？

当V，=V，

c

时，即Q/BH，=4.6d1/3H，1/6

∴H，=

）（

3

16.4Bd

Q

6/7=

）（

3

10055.02006.4

500



6/7=2.62m

故知，河床可能冲深：H=H，-H=2.62-2.5=0.12m.

2.沙波运动

床面泥沙起动之后，接下来可能变为推移质沿床面附近前进。从天然河道

及实验室水槽中均可观察到，当推移质泥沙运动达到一定程度时，河床表面就会

出现起伏不平但又看似规则的波浪状形态，称之为沙波。沙波是推移质泥沙运动

的外在表现，从纵剖面看，整个沙波似象一个整体在水流的作用下往下游缓课前互动小游戏 缓“爬

行”，如图3-4所示。沙波附近的水流泥沙运动如图3-5所示。

图3-4沙波纵剖面形态

图3-5沙波附近水流泥沙运动

3.推移质输沙率

在一定水力、泥沙条件下，单位时间内通过过水断面的推移质数量称为推移

质输沙率，用G

b

表示，单位为kg／s或t／s。由于河道沿河宽方向的水流条件

变化很大，单位时间通过不同部位的推移质数量往往差别悬殊，故在实践中常用

单宽推移质输沙率g

b

表示，单位kg／ms或者t／ms。

单宽推移质输沙率的一般计算公式如下：

mn

c

csbh

d

U

U

UUdg)())((

（3-4）

式中，g

b

为单宽推移质输沙率；

s



为泥沙密度；d为泥沙粒径；h为水深；

U为垂线平均流速；U

c

为泥沙起动流速；为综合系数，n、m为待定指数，可据

实测资料反求。公式单位为kg、m、s。

推移质输沙率问题研究有着重要的工程实际意义。如水库回水末端的推移质

淤积，水电站底孔的防沙过机，山区河道模型试验研究等，无一不涉及到推移质

输沙率的定量计算。现阶段看来，推移质问题研究的理论成果虽为数不少，但真

正能满意地用于解决实际问题的却不多。

这里还需指出的是，当前急需改进野外推移质的观测手段与设备，以提高江

河测验效率与资料精度。只有在天然实测资料精度与可靠性有了大的提高之后，

推移质问题的理论研究才有可能取得大的进展。

二、悬移质运动

悬移质是随水流浮游前进的泥沙。自然界中的河流，完全不挟带悬移质的几

乎没有。日常所见的许多河流，河水浑浊，汛期更为如此，表明河水挟带一定数

量的悬移质泥沙。

江河中运动的两种泥沙（推移质和悬移质）相比较说来，悬移质是江河输沙

的主体。冲积平原较大的河流，悬移质的数量往往要占到总输沙量的95％以上；

山区较小的河流，悬移质的数量一般也在80％以上。因此，在河流蚀山造原（指

平原）的过程中，悬移质至少在数量上起着更为重要的作用。所谓的“沧海桑田”，

主要是悬移质泥沙的历史功绩。

悬移质在水流中的运动，跟随着水流中的紊动涡体，时升时降，时快时慢，

时而接近水面，时而触及河床，具有随机性质，运动迹线连续而不规则。

天然河流中的悬移质的泥沙组成，往往很细、很不均匀。与山区河流相比较，

平原河流的悬移质泥沙更细、更不均匀。一般说来，河流愈往下游，悬移质的泥

沙组成愈细、愈不均匀。

河水挟带悬移质泥沙的多少，通常用含沙量表示。它是指单位体积浑水中的

泥沙所占质量，常用符号S表示，单位kg/m3。天然河流的含沙量，不同的河流

不同，同一河流不同的河段不同，同一河流、同一河段不同的时间不同，比如汛

期的含沙量就比枯水季节的要大。此外，即使在同一断面，不同的部位，如水面

与河底，左岸、右岸或河中心，河水含沙量都可能有差异。

大量实测资料表明，悬移质含沙量沿垂线的分布特征是“上小下大”或“上

稀下浓”。也就是说，河流含沙量沿垂线自水面向河底逐渐增大，愈接近河底，

含沙量愈大（图3-6）。

悬移质含沙量沿垂线分布的规

律告诉我们：当我们需要从河流中

图3-6实测含沙量沿垂线分布

引用含沙较少的水的时候，就应该尽可能取接近表层的水；若希望排走河流中较

多的泥沙的时候，就应该尽可能泄走接近底层的水。这样的生产、生活实例很多，

如生活引水，工、农业用水或水力发电等很多方面，都会涉及这方面问题。

在二维均匀明渠流的平衡情况下，悬移质含沙量沿垂线分布规律，可由如下

公式表达：

*

1

1kU

a

a

h

y

h

S

S

































（3-5）

式中S，S

a

分别为垂线上y处及参考点y=a处的含沙量；h为水深；

*

kU



称

为悬浮指标；k为卡门常数，可取0.4；为泥沙沉速；Ｕ

*

为摩阻流速，

ghJU

*

，g为重力加速度，J为河道比降。

河流输送悬移质泥沙的数量，通常用输沙率和输沙量表示。输沙率指每秒钟

通过某断面的悬移质沙量，单位为t/s；输沙量是指河流某断面在某时段内如某

日（月、年）输移的悬移质沙量，单位为t。

三、悬移质水流挟沙力

如所周知，天然河流的河床经常处于冲淤变化之中。河床之所以发生变化，

就是由于在一定的水流和河床条件下，泥沙输移平衡被破坏的结果，或者说，是

上游来沙量与当地水流的挟沙能力不相和谐的结果。当上游来沙量过多，而水流

的挟沙能力有限时，水流无力带走全部泥沙，势必卸下一部分于六级英语作文模板 河床之中，表现

为河床的淤积；相反，当上游来沙量过少，而水流的挟沙能力卓有富余，且河床

又有大量的可冲性沙源时，则水流将会本能性地从河床上冲起一部分泥沙以满足

自身挟沙之不足。这就是水流挟沙的饱和倾向性，亦即悬移质水流挟沙力的概念。

如上所述，当上游来沙量大于当地水流挟沙力时，这种情况称之为挟沙过饱

和或超饱和，反之，则称之为次饱和或欠饱和。若水流挟沙超饱和，河床将发生

淤积，河床淤积抬高之后，过水断面减小，流速增大，水流挟沙能力随之提高，

当水流挟沙力提高到与来沙量相当时，水流输沙达到平衡或饱和状态，河床淤积

停止。相反的情况是，若水流挟沙欠饱和时，河床上的泥沙被冲刷，河床高程下

降，过水断面增大，流速减小，水流挟沙能力随之降低，当水流挟沙力降至与来

沙量相持平时，水流输沙达到新的平衡或饱和状态，河床冲刷停止。这就是冲积

河流中河床与水流的“自动调整作用”的基本概念。

还需指出的是，上面所说的上游来沙量，通三字伤感网名 常是指悬移质中较粗的参与河床

造床的那部分泥沙即床沙质的含沙量。在明确上述道理之后，我们可以给出悬移

质水流挟沙力的定义：在一定的水流泥沙和河床条件下，水流所能挟带的悬移质

中的床沙质的能力（或称临界含沙量），常用符号S

*

表示，单位同含沙量即kg/m3。

悬亥读音 移质水流挟沙力是河流动力学中最重要的基本概念之一，在修建水库和江

河治理规划中，往往要进行关于泥沙输送以及河床的冲刷和淤积等方面的计算。

这些工作都须了解某种条件下水流能够挟带的沙量亦即水流挟沙力。因此，水流

挟沙力问题的研究，一直受到国内外学者的高度重视。在这方面，影响最大的首

推张瑞瑾的研究成果。

张瑞瑾在理论推导和大量实测资料分析的基础上，提出如下水流挟沙力公

式：

m

gR

U

kS)(

3







（3-6）

式中，U为断面平均流速；R为水力半径，一般取等于断面平均水深h；

为床沙质泥沙的沉速；g为重力加速度；K、m为待定系数和指数，由实测资料

确定。

对于某特定河段，我们只要根据该皮皮虾水煮还是清蒸 河段的巳有实测水流、泥沙资料，定出公

式中的系数K和指数m，就可得到实用的水流挟沙力公式的具体形式。这样，在

实际计算时，只要给知河道的水流泥沙因素（爆炒五花肉 U、R、），便可算得相应的水流

挟沙力S

*

，再将算得的S

*

与上游来流的含沙量（床沙质）S比较，即可判定河床

孰冲孰淤。

为了帮助读者对于水流挟沙力概

念及其应用方法的理解，特给出如下

算例。

算例：有一宽浅分流河段，流量

Q=20000m3/s，河宽B=2200m，平

均水深h=4.0m，床沙质代表沉速

=1.32cm/s，分流口上游河段，河床处

于不冲不淤平衡状态，问此处水流床

沙质饱和含沙量为多少？假定分走30%的水量和沙量，分流后下游主河槽河宽不

变，问下游河槽河床高程会否发生变化？如何变化？（已知：水流挟沙力公式

gh

U

S

3

16.0



）。

解：（1）分流口上游河段

此处，流速：U=Q/Bh=20000/22004=2.27m/s

水流挟沙力：

gh

U

S

3

0

16.0



=

0132.048.9

27.2

16.0

3



=3.63kg/m3

由于此处河床处于不冲不淤平衡状态，故水流床沙质饱和含沙量S

0

=S

*0

分流示意图

=3.63kg/m3。

（2）分流口下游河段

分走相同比例30%的水量和沙量后，下游1-1断面的水流含沙量不变，即S

1

=S

0

。又由于下游流量减小，而河槽宽度不变，故流速、水流挟沙力相应减小，

该处河床将会发生淤积。

设达到新的平衡时，此处：水深为h

1

，流速为U

1

，水流挟沙力为S

*1

，此时

有S

1

=S

*10

而U

1

=Q

1

/Bh

1

=0.7Q/Bh

1

S

*1

=



1

3

116.0

gh

U

=

4

1

3

3)7.0(

16.0

hgB

Q

=S

1

=S

0

=3.63kg/m3

4

1

h=0.044

3

3)7.0(

gB联想电脑截图

Q

=0.044

0132.022008.9

)200007.0(

3

3





=87.65

∴h

1

=3.06m

由此知，下游河床淤积厚度：h=h-h

1

=4.0-3.06=0.94m。