河床演变

第三章：河床演变§3.1：河床演变的概念河床演变（fluvialprocessing)：自然条件及人类活动影响下河床所发生的变化过程。它是水流、泥沙、河床相互作用的结果，泥沙运动作为纽带。系统和反馈。河床演变实质：泥沙的冲刷、搬运、沉积。根本原因：输沙不平衡广义的概念:从河源到河口流经河谷的形成及发展的整个历史过程。狭义的概念：近代冲积河床的变化。一、河床演变的分类•1、按时间：工程规划设计考虑长期；•2、按空间：长距离、短距离•3、按河床演变的形式：纵向；横向；•4、按演变的方向：单向；复向；二、河床演变的基本原理•1、输沙不平衡是产生河床演变的根本原因；•产生不平衡的原因可能有：进口水沙条件；出口侵蚀基点（包括侵蚀基面和水流条件如潮汐）；河床周界条件如沙波运动。•2、河床具有自动调整作用。•调整方向是从输沙不平衡向平衡的方向发展，通过改变河宽、水深、比降、床沙组成使挟沙力与来沙相适应。三、河床演变的特点•1、河床演变的绝对性；•2、影响河床演变因素的相对性•3、河床变形的集中性；•4、河床变形的滞后性；•冲积河流的河道形态是在一定外界条件下由水流和泥沙运动塑造而成的。演变的物理过程涉及到的变量很多，可以应用的力学和数学定律及条件却不够，许多问题不能进行精确的分析运算，常常需要依赖于简化假定。四河床演变的影响因素与时间尺度•1、影响因素•来水量及其变化过程•来沙量、来沙组成及其变化过程；•河段的河谷比降；•河段所在河谷的地貌条件。•河流动力学研究把河道形态演变过程与各种环境因素之间的因果关系，归结为水文过程、泥沙特性和河道形态之间的一种确定性的函数响应关系，并用以预测流域、河道边界等环境因素变化可能引起的河道形态调整。2、河道演变过程研究的时间尺度•Schumm在1971年提出可以把时间尺度分为三种：稳定时段（量级为天）、准衡时段（量级为百年）和地质时段（量级为百万年）。•对于实际工程有重要影响的的泥沙输运问题其时间尺度限于百年以内，流域中的气候、地形、植被、岩性可视为确定的自变量，地质构造可以忽略，侵蚀基面视为稳定。河道形态的因变量包括：流量、输沙率、泥沙粒径、河谷比降、岸壁阻力等。如果研究的是地质时间尺度，则气候、地形、植被、岩性不再是确定的自变量，而为不确定因变量。见表6-1。§3.2：河床演变的研究方法•1、实测资料分析；河演分析•2、理论分析：运用泥沙运动基本理论及河床演变基本原理；•3、模型试验研究；河工模型或物理模型•4、类比分析；•5、数学模型计算；•6、新技术的运用；一、实测资料分析（河床演变分析）•1、来水来沙资料分析；•量及其过程，来沙级配。年内变化、多年周期性变化、典型水文年确定。•2、河道平面变化；岸线变化，断面变化，主流变化；通过收集历年河道地形及有关河道变迁资料，对地形图套绘。•3、河道纵向变化及冲淤量：深泓线、动力轴线、河段冲淤量•4、河床边界条件：地质资料、地貌资料等。§3.3：河相关系处于平衡或准平衡状态的冲积河流，其河床形态与河床边界条件之间的关系。一、造床流量造床作用与多年流量过程的综合造床作用相当的某一种流量（channel-formingdischarge,dominantdischarge)。确定方法有：马卡维也夫方法和平滩水位法。马卡维也夫计算思路：造床流量不仅与流量有关，还与输沙能力有关，同时与该流量所经历的时间长短有关。•马卡维也夫计算方法：•(1)将历年或典型年的流量分级；（2）确定各级流量出现的频率；（3）绘制河段的Q~J关系；（4）计算每级流量的QmJP•(5)绘制Q~QmJP关系；•（6）从图中查出QmJP最大值的Q。•平滩流量（bankfulldischarge）•平滩水位（bankfullstage)：指在滩槽分明的河道里，主槽充满后，与新生河漫滩表面齐平的水位。•平河漫滩水位宜采用一个较长河段•造床流量概念不适合研究半干旱地区的季节性和间歇性河流和人为调节作用强烈的河流。•河槽较规则断面，平滩水位从水位～B/H关系最低点。•另一种方法从水位流量关系曲线的转折处得到平滩流量，图6－10。•根据分析，平滩流量的重现期约为1.2-1.5年。二、河相关系式•1、纵剖面河相关系式：•河床纵剖面是非连续的光滑曲线，一般呈波浪形或阶梯型。在实际问题分析中，近似处理成连续的光滑曲线•纵比降：沿程河相关系黄河下游J=41d501.3荆江河段J=25d502.38河流纵剖面及其影响因素•纵剖面一般是下凹的，可用指数、对数或幂函数曲线描述。•下凹度，A为一半河道长度处，河底距纵剖面上下游端点连线的长度。•2、横断面关系：•宽深比关系河相系数ξ•横断面与水力要素关系B=α1Qβ1•h=α2Qβ2U=α3Qβ3•3、河弯的平面河相关系弯距L摆幅Bm曲率半径R中心角•对于相同的特征流量（年平均流量、造床流量）在不同河流或同一河流沿程不同断面。沿程河相关系•断面河相关系B-Q的指数值小于沿程关系的结果，变幅大；平均流速中的m大于沿程关系；水深关系变化不大。断面河相关系四、河床稳定性•1、纵向稳定性•主要决定于泥沙抗拒运动的力和水流作用于泥沙的拖曳力。•比值可用希尔兹数的倒数来表示。•Φ1=d/(hJ)或者Φ2=d/J•比值俞大，泥沙运动强度愈弱，河床愈稳定，相反，比值愈小，泥沙运动强度俞大，河床产生的变形愈大，河床不稳定。•长江荆江河段Φ1=0.27~37，黄河高村以上游荡河段为0.18~0.21。•2、横向稳定系数•横向稳定与河岸稳定密切相关。主要决定于河岸的组成材料。•阿尔图宁用稳定河宽Bs于实际河宽B的比值表示。横向稳定系数Φ=Q0.5J0.2B•Φ值越大，河岸越稳定，越小越不稳定。•也可用枯水河宽b与中水河槽平滩河宽B之比。比值越小河身相对较窄，河岸稳定。•3、综合稳定性系数•河床的稳定既受纵向稳定又受横向稳定影响。可考虑综合稳定系数。§3.4山区河流与平原河流的一般特性•一、山区河流一般特性•1、山区河流的水文泥沙特征•（1）山区河流所流经的地区坡度大，径流模数大，汇流时间短。洪水猛涨陡落；流量水位变幅大，中水历时短。•2、河流形态特征•平面上构造运动对水系格局及河流走向有重要影响，构造和岩性的沿程变化造成河道平面宽窄相间。河中有河漫滩、心滩等泥沙堆积体。河道出口有冲积扇。•纵剖面：形态不规则，存在一系列的折点，比降陡峻，起伏变化大。•横断面多呈V或U字型。•山区河流一般呈缓慢下切，两岸存在阶地。•山区河道水流流态十分紊乱险恶，常有回流、泡水、漩涡、水跃、剪刀水、横流。•3、山区河流河床演变•（1）卵石运动：卵石为主的边滩、心滩在汛期淤积、枯期冲刷，年内基本平衡。•（2）山区河流沿程有溪沟汇入，在沟口发育形成冲积扇。707580859095051015202530距离（km)高程(m)1997年2002年二、平原河流的一般特性•1、水文特性•集水面积大，坡度缓，径流系数小，因而汇流时间长，洪水没有缓涨缓落，洪水持续时间长，流量、水位变幅小。•流态相对平顺，没有明显的跌水、泡水、急漩、横流等险恶流态。•悬沙以沙、粉沙和粘土为主。推移质为中细沙，细颗粒为冲泻质。悬沙为主，推移质输沙量小。•2、河流形态•（1）横断面形态随不同类型的河段而异。有抛物型、三角形、马鞍型和不规则型。•（2）河床纵坡平缓，水面比降小，由于水流的堆积作用，河谷形成深厚的冲积层。•（3）有广阔的河漫滩，洪水演没，中水出露，滩槽水流存在交换。•（4）有些平原河流沿江广泛分布有节点。•它是抗冲性强，对河势起控制作用的特殊边界条件。如矶头，山体等。三、河型的划分•根据河床形态和演变规律，可以把天然河流划分为若干类型。国内外划分类型为研究者河型分类弯曲非弯曲利奥彼德弯曲顺直辫状莱恩弯曲顺直陡坡辫状缓坡辫状罗辛斯基弯曲周期展宽游荡武水弯曲顺直微弯分汊游荡方宗岱弯曲江心洲摆动•根据河流所处地区，来水来沙、边界条件等，将河流分为山区河流、平原河流和潮汐河流。平原河流根据其形态和演变特性分为弯曲、分汊、顺直微弯、游荡四种类型。河型形态演变稳定边界特征实例顺直顺直犬牙交错的变滩，缓慢向下游移动不稳定河岸物质细弯曲弯曲自由弯曲，蜿蜒强制性弯曲，平移稳定河岸有一定的抗冲荆江下游、渭河下游等分汊分汊各汊相互发展消长介与弯曲游荡河岸有一定的抗冲长江种下游、珠江、赣江等游荡散乱多汊游荡极不稳定河岸组成细，不抗冲黄河下游、永定河下游等§3.5冲积河流河床演变•3.5.1、顺直（微弯）型河道•1、河段特性•河身顺直，河槽两侧有犬牙交错的边滩和深槽。深槽之间的过渡段为浅滩。弯曲系数稍大于1，如汉江1.4,边滩大小与河道尺度有关，如北江、汉江b=0.57B,l=2.8B•2、水流特性•洪水流路顺直，边滩被淹没；枯水流路弯曲，产生离心力，存在环流。•3、河床演变•边滩和深槽缓慢向下游移动；•枯水期：浅滩冲刷，深槽淤积•洪水期：浅滩淤积，深槽冲刷。•属于不稳定河道。•4、整治原则•固定边滩：如修建丁坝。3.5.2蜿蜒（弯曲）型河道meander)1、河段特性：平面弯曲；横断面呈不对称；纵剖面不规则,曲折系数2、水流运动•（1）横比降Jz=αU2/(gR)•（2）弯道环流uz•（3）主流线（水流动力轴线）:沿程各断面垂线平均流速最大点的连线。•主流线：低水旁岸，高水居中。顶冲点：低水上提，高水下挫。横比降Jz=αU2/(gR)•a)静水压力，c)离心力与压力差，d)合力分布，e)环流泥沙运动•横向输沙：由于存在横向环流，环流上部指向凹岸，下部指向凸岸，含沙量上小下大，横向输沙不平衡，形成凹岸冲、凸岸淤积。•纵向输沙：汛期冲槽淤滩，枯期冲滩淤槽，纵向基本平衡。•同岸输沙，异岸输沙•演变规律（1）一般演变：曲折程度加剧，河长增加，曲折系数加大。横断面凹岸崩退，凸岸淤长。（2）突变：包括自然裁弯，撇弯和切滩两种类型。3.5.3分汊河道演变•1、河道特性•分流区，分流点到江心洲头；•汇流区，洲尾至汇流点；分汊段：中间段。•按平面形态可分为顺直分汊、微弯分汊、鹅头分汊。•2、水流运动•分流区的分离点高水下移，低水上提；存在环流。分流区水位，支汊一侧高于主汊一侧。汇流区水位，支汊一侧高于主汊一侧。两个高速区，中间低速区。分流区存在环流，有单向、双向、复杂两侧含沙量大，中间含沙量小。分汊河道演变规律•汊道分流比•汊道分沙比•汊道的演变：平面的移动；洲头洲尾的冲淤；主支汊的易位。§3.5.4游荡型河道1、河道形态：河身顺直，宽窄相间，呈藕节状，洲滩密布，汊道交织，弯曲程度不大，曲折系数一般略大于1。主槽不固定。河道宽浅。2、水流运动：水深小，水面比降大，流速大，水流散乱，主流不定。3、演变特性：变形强度大，速度快，有宽广的河漫滩。演变规律：河床多年平均是淤积抬高的，年内汛期主槽冲，滩地淤，非汛期主槽淤，滩地冲。