动床床面形态对水流流态的影响

明渠中当流量Q和过水断面形状为已知时，相对于某一水平参考基准面可写出单位重量液体所具有的总能量

式中V=Q/A；z0是相对于某一水平参考基准面的渠底高程。把参考基准面选在渠底，可对通过渠底的水平参考基准面计算得到单位重量液体所具有的总能量

上两式：Es为断面比能；θ为明渠底面对水平面的倾角；h为沿垂直方向量测的水深。

比能Es随水深h有如下的变化规律

若设cosθ≈1，α≈1.0，则有=1—Fr2。

可见，断面比能随水深的变化与流态有直接联系，可用Froude数作参数来表达。一般明渠水流有三种流态，即缓流、临界流和急流。对波高较小的微波，可推出其波速为

式中：c为微波波速；=A/B为垂直于流线的平均水深；A、B分别为过水断面面积和水面宽。定义Froude数为

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当Fr＜1时，水流为缓流。Fr=1时，水流为临界流（此时的水深hc称为临界水深），比能取极值。临界水深可以令Es为常数的流动达到最大流量。Fr＞1时，水流为急流。Fr数反映了水流在该断面上惯性作用与重力作用的对比。把Fr数的定义式稍加变动可以看出Froude数的另一种意义

即，它是比能的两个组成部分（平均动能与平均势能）之比。Fr数越大，意味着水流的平均动能占断面比能的比例越大。Fr=1.0的情况下，水流的惯性作用与重力作用正好相等。

在动床情况下，床面形态与明渠水流的流态有密切的关系。对应于定床水流的缓流、临界流、急流三种情况，可以将动床明渠水流的流区与床面形态相联系作如下对应分类（Simons和Richardson 1961），如图3-4：

图3-4　水流从低能态向高能态变化时所发生的纵向床面形态

（a）沙纹；（b）带沙纹的沙垄；（c）沙垄；（d）沙垄夷平；（e）动平整；（f）逆行沙垄；（g）逆行沙垄；（h）深潭和急滩

（1）低能态流区（Lower flow regime，又称低水流区）。床面形态包括：①沙纹（ripples）；②沙垄（dunes）。

（2）过渡区（transition zone）。床面形态是平整床面（plane bed），这是从沙垄到逆行沙垄（antidunes）的过渡区。

（3）高能态流区（upper flow regime）。床面形态包括：①平整床面（plane bed）；②逆行沙垄和驻波（standing waves）；③急滩与深潭（Chutes and pools）。

非平整状况下的床面形态统称为沙波。

床面形态除与水流的流态有密切关系外，还取决于床沙的物理性质，特别是其粒径。床面形态的出现与推移质泥沙的输运过程密切相关，可以说是泥沙输运的表现形式。冲积河流床面形态的分类与特性可总结为表3-1。