5-泥沙运动与河床演变

第五章泥沙运动与河床演变研究目的：为了取得较好的水质，防止泥沙、漂浮物等对取水构筑物及河道形成危害，避免因河道变迁造成取水脱流。第一节河水运动河水的运动极为复杂，是纵向水流、横向环流和紊流的交互作用的混合运动且沿着流程不断变化。一、河水的纵向运动：由河床的纵坡降的总趋势引起均匀流：流速沿程不变的流动；反之，为非均匀流。天然河道的水流不均匀主要原因是河道断面形状、底坡及流量等沿程不断变化。但是，对于一个比较顺直的河段，来水来泥情况基本稳定、河床基本处于不冲不淤的相对平衡状况，过水断面及流速沿程变化不大，水面坡度、床面坡度基本平直且相互平衡，基本上可视之为均匀流。研究模型：为计算方便，将非均匀流的长河段分成若干视为均匀流的短河段加以研究。均匀流的短河段，其平均流速按谢才公式计算。1．河道水流的轴线·正流(或元生流)：指河道水流的主体部分。主流线：为沿程各断面最大纵向垂线平均流速所在点的连线的水平投影。(注流线和深水线大致重合）主流带：为围绕主流线两侧一定宽度内平均流速较大的流带。·边流带：在主流带以外的两侧或一侧，平均流速较小的近岸区域。·主流线可以作为河道水流的轴线，具有“大水趋直，小水走弯”的趋向。·主流线及主流带对全河段总的状态及发展趋势起决定性作用。同一河段中不同季节(洪水期和枯水期)形成不同的主流位置和洲滩形态。2．洪水波·流域降水以前，河道中已有一水面。流域降水后，地表径流不断汇入河槽，河道水位、流量、流速等沿程发生变化，原有的水面因受干扰而形成波动称为洪水波。在原有水面上涌入的水量称为波流量。·原有水面上附加的水体，称洪水坡的波体，波体轮廓线上最高点相对于原有水面的高度称洪水波的波峰BD，波体与原有水面交界的水流方向的长度，称洪水波的波长AC。·无旁侧汇流时，洪水波主要表现为推移运动和洪水波展开与扭曲变形，如图5-2。洪水波总是以一定速度不断地向下游河段推移运动，推移中波长不断增大A1C1→A2C2，波峰减小B1D1-B2D2这种为形称洪水波展开。在推移过程中，波峰的前部逐渐减小，波峰位置不断超前，而波峰的后部长度逐渐拉开，这种现象称洪水波的扭曲。二、河水的环流运动：由纵坡降以外的其他因素促成环流运动：环绕一定的旋转轴往复进行的水流运动。环流称副流或次生流，主要影响泥沙运动和河床演变，是引起横向输沙的主要动力。1．水平轴环流：水平轴环流：旋转轴呈水平状的环流。图5-3·图5-3(a)为河道弯段上由离心力产生横坡降引起的横向环流。凹岸水面高于凸岸，表流流向凹岸，底流流向凸岸，凹冲凸淤。·图5-3(b)由心滩形成的横坡降引起的横向环流。表流由心滩流向两岸，底流由两岸流向心滩，造成两岸冲刷，心滩淤积。·图5-3(c)河底有横向沙脊或横向石滩时形成的双向环流。与(b)图(由于心滩大，且又有弯道，而沙脊纵向短)的情况正好相反，水流经过沙脊或石滩时，由于中部流速大，受到的壅水作用强，因而河心水面隆起，两岸之间相对下降，形成从河心向两岸下倾的横坡降，这时双向环流的底流从河心流向两岸。如河底泥沙的可动性很大，则河心被冲刷，两岸则淤高。横坡降引起的横向环流是河床冲刷和淤积的主要原因之一。以上旋转轴基本与纵向主流平行。·图5-3(d)，(e)两种水平轴环流的旋转轴与纵向主流相垂直，这种环流一般为相对封闭的回旋流，其形成原因各不相同。(d)环流由于前进流受阻形成，(e)环流是水流的离解作用形成。2．竖直轴环流竖直轴环充的旋轴与主流及河底都垂直，它是相对封闭的回旋流。主要由水流的离解作用产生的。如图5-4，5-5。三、紊流：泥沙悬浮的主要动力形成：河道周壁由不同粒径的泥沙组成且具一定的粗糙度，河道中水流雷诺数很大而形成紊流(且具速度梯度)。特点：·脉动：指水流中任一质点的流速和压力随时间呈不规则的变化。(绕一个平均值上、下波动)·扩散：指紊乱的运动过程伴随着水流的能量及质量传递。第二节泥沙运动河流泥沙：河流中运动的以及组成河床的泥沙，所有在河流中运动及静止的粗细泥沙、大小石砾都称为河流泥沙。固体径流：随水流运动的泥沙，是重要的水文现象之一。影响河流泥沙的主要因素：1）降雨；2）流域的下垫面（地形、植被及土壤特性等）一、泥沙的分类·床沙：河床表面静止的泥沙，其颗粒较大(推移质)·推移质：在水流作用下，沿河底滚动，滑动或跳跃前进的泥沙，称推移度(也称底沙)。特点：颗粒d较粗，占河总沙量的5～１０％。但对河床演变起重要作用。·悬移质(悬沙)：悬浮于水中随水流前进的泥沙称悬移质。特点：粒径较细，在冲积平原江河中，占总沙量的90～９５％。·联系和区别：同一泥沙在较缓水流作用下，也可表现为推移质；在较强水流作用下，也可表现为悬移质。推移质与床沙也可处于不断交替之中。二、推移质运动对于推移质运动，与取水工程最为密切的问题是泥沙的起动和沙波运动。1．泥沙的起动①泥沙运动的受力分析：·正面推力：水流经过河床面泥沙中的某一颗沙粒而受阻在附近发生绕流，在沙粒的迎水面形成的正压水的水流推力，在其背水面则由于绕流导致水流分离形成负压。迎水面的正压力和背水面的负压力合成纵向水流对沙粒的正面推力。·上举力：流过河床上沙粒上方和下方的水流存在速度梯度，颗粒下方流速小，压力大，上方向流速大，压力小，因而产生一向上的压力差Py，即产生使泥沙向上的上举力。·脉动压力：紊流的水流中存在着脉动压力如图a中小箭头。对泥沙只起摇撼作用，往往忽略。·重力G·摩擦力：沙粒滑动时，颗粒与河床间存在摩擦力，其大小与摩擦系数有关。·粘结力N：水中沙粒的表面被一层水膜包围，当颗粒相互接触时，产生便颗粒连结在一起的粘结力。大小与泥沙颗粒的性质、粘径、水深等有关。泥沙d↑→N↓d↓→N↑。上述中1、2、3种是促使沙粒起动的力，4、5、6种是抵抗沙粒起动的力。以0点为瞬时转动中心，Px、Py构成起动力矩，G、N构成抵抗力矩。②泥沙颗粒的起动条件(即开始运动的水力条件)·起动流速：在一定的水流作用下，静止的泥沙，开始由静止状态转变为运动状态，叫做“起动”。这时的水流速度称为起动流速。·沙莫夫公式：Vc—起动流速m/s,h—水深mg—重力加速度9。806m3/s,d—泥沙颗粒径m。应用：未考虑粘结力，因形式简单在d≥0.2mm应用较多Ps—泥沙的密度kg/m3,P—水的密度kg/m3。61)(14.1dhgdPPPsVc·武汉水力电力大学张瑞瑾考虑粘结力因素，对粗、细沙均适用公式21772.014.0)101005.66.17()(dhdPPPsdhVc（5-2）对于一般泥沙，可取上式简化为21772.014.0)101005.629()(dhddhVc（5-2a）·考虑水温影响的张红武公式（引入运动粘度γ，适用细沙d≤0.15mm）619592)(5.3hgPpPsVcdr（5-3）当计算取水构筑物周围河床的局部冲涮深度，需要知道泥沙的起动流速时，可根据河床泥沙平均粒径和水深，用(5-2a)进行计算，该式适用d=0.1～１００mm，水深h=0.2～17m，流速为0.1～６m/s。·止动流速：使运动着的泥沙回到河床上静止不动的垂线平均流速称泥沙的止动流速(即水平平均流速)。因止动流速不需克服重力、河床的V摩擦力及粘结力，固一般Vc=1.2~1.4VH2．泥沙的推移运动——沙波运动沙波运动—冲积河流推移质的运动达到一定程度时，河床表面便逐渐形成与风成沙丘形状类似的水下沙波，称沙波运动。沙波运动是推移质的主要运动形式，是构成河床地形的基本单位。特点：·沙波表面的水流速度分布不均，迎水面逐渐增大至波峰处最大；过峰后由于离解现象使背水面形成环流。波谷流速最小。·迎水坡面的泥少被推移的数量↑，坡面冲刷，冲下的泥沙越过波峰后，较粗的跌入波谷，较细的在环流作用下落到下一个沙波的迎水坡。·沙粒不断地从上坡冲走，在下坡堆积，形成沙波的推移运动。如移至取水构筑物附近，则有可能有大量泥沙堵塞取水构筑物，影响取水安全。3．推移质输沙率推移质输沙率：是指单位时间内通过过水断面的推移质数量，kg/s,m3/s。·上游的推移质泥沙量超过本段的输沙率，就发生淤积，反之则发生冲刷。·确定输沙率方法：用采样器现场实测。不完善、效率低、稳定性差。采用输沙率公式计算：采用水力因素和泥沙因素建立。用水槽试验确定公式中系数。三、悬移质运动对于悬移质运动，与取水最为密切的问题是含沙量沿水深分布和水流的挟沙能力。泥沙悬浮主要因素是紊动作用。1．悬移质分布含沙量：单位体积河水内挟带泥沙的重量称含沙量。·由于江河中各处水流脉动强度不同，河中含沙量的分布不均匀。近河床底部大，近水面少。泥沙的粒径靠河底粗，近水面细。·泥沙在水流横断面上的分布亦不均匀。一般泥沙沿断面横向分布比沿水深的变化为小，在横向分布上，河心的含沙量略高于两侧。2．水流的挟沙能力挟沙能力：单位水体积的饱和含沙量，称为水流挟沙能力。单位kg/m3。·水流条件一定，挟沙能力一定，水流条件改变，挟沙能力也随着改变。·处于输沙平衡状态(上游来沙量与本段水流挟沙能力相适应)时，河床既不冲刷，也不淤积。相反则冲刷淤积。·水流挟沙能力的影响因素有流速、水深或水力半径及泥沙粒径。不同河流，可采用不同的经验公式计算挟沙能力。长江：ghwvS307.0S-水流挟沙能力kg/m3,V-断面平均流速m/s。h-水深，W-悬移质的加权平均沉降速度m/s。黄河干、支流通渠道：77.0074.026.207.1RVSR-水力半径ω0-随ω变化，当sm/004.0～0。02m/s时，ω0=0。02m/s,当sm/02.0～0.08m/s时，ω0=ω3．悬移质的输沙率：单位时间内通过断面的悬移质泥沙量kg/m3四、河流年输沙量估算年输沙量：一年内通过河流断面的泥沙总量。推移质量+悬移质量1．输沙量的变化特点·输沙量在时序变化上具有偶然性。·年输沙量多年期间绕平均值随机变化，且呈现丰枯交替的循环变化。·输沙量年际之间的变化，受降雨量和径流量年际变化的制约。2．多年平均年输沙量的估算多年平均年输沙量niWin11（5-6）Wi-第I年的年输沙量，n-实测资料年数。①悬移质多年平均年输沙量估算·有12年以上资料时，采用上(5-6)式计算·资料不足时，尽量延展资料，如不能则用下式估算QQiWiWs用输沙量与径流有关Ws-多年悬浮年输沙量tWi-实测年份的悬浮质年输沙量tQ多年平均年径流量m3Qi相应年份的年径流量m3适用几年实测资料，无法建立其它相关关系时公式。·无实测资料时进行粗略估计悬浮质多年平均侵蚀摸数法：单位流域面积上多年平均的悬移质年产量，称悬浮质多年侵蚀模数法。悬移质多年平均年输沙量：FMssWMs-悬移质多年平均侵蚀模数，t/km2.a查水文手册中的悬移质多年平均模数分区图。F-流域面积,km2水文比拟法：利用自然地理条件相似的参证流域的土壤侵蚀系数，用FsMsW计算②推移质多年平均年输沙量的估算利用推移质的数量与悬移质的数量之间存在一定关系估算，推移质多年平均年输沙量：sWbWβ-系数，平均河流β=0.01～0.05，丘陵地区河流β=0.05～0.15，山区河流β=0.05～0.30。经验方式（由武汉水利电力大学）46.197.0)(1600sMiQbWQ-多年平均流量m3/si-河床平均比降3．设计年输沙量的推算(在水文计算中介绍)同推求设计年径流量的方法相同，悬移质设计年输沙量也采用频率计算法。①首先确定悬移质多年平均年输沙量，年输沙量的变差系数Cvs和偏差系数Css。②由、Cvs、Css三个统计参数按P-Ⅲ型曲线绘制悬移质年输沙量的理论频率曲线。③依设计频率确定设计年输沙量，设计丰沙年一般采用P=5%～20%，枯沙年则采用P=80%～95％④参数确定第三节河床演变河床演变：任何一条江河，其河床形态都在不断地发生变化，只是有的河段变形显著，有的河段变形缓慢或者暂时趋于相对稳定状态。这种河床形态的变化，称河床演变。河床演变是水流与河床相互作用的结果，河床影响水流条件，水流促进使河床变化。水流与河床的相互作用是通过泥沙运动来实现的。