河流动力学2007-C5河床演变for教学楼

11.4.7(6周)四11.4.12(7周)二11.4.14(7周)四1第五章河床演变本章内容简介2河床演变的基本概念河床演变的基本类型及特性河相关系水利枢纽对河道演变的影响河床演变分析5.00第五章河床演变河床演变的定义涵义广义：河道从河源到河口所流经河谷的各个部分的形成和发展的全部历史，属地貌学的研究范畴狭义：只限于近代冲积河道的演变发展，属河流动力学的研究范畴河床演变是指河床在自然条件下或受人工建筑物影响而发生的变化河床演变常见的现象垂向上的上抬下切横向上的拓宽和缩窄局部地形的左右、上下摆动5.1.15.1河床演变的基本概念一、河床演变特征一第五章河床演变※河床演变主要表现在两个方面：⑴一定的河床形态与组成，必有一定的与之相适应的水流结构和水流条件水流条件保持不变，河床形态相对稳定；水流条件发生较小变化，河床发生改变与之适应；水流条件发生大的改变，河床将发生较大变形与之适应，甚至发生河型的改变。⑵一定的河床形态与组成,必有一定的与之相适应的输沙率水流与河床的相互作用是通过泥沙交换进行的；河床组成变化是水中泥沙与河床泥沙相互交换实现的；输沙不平衡，必然引起河床的各种变形。5.1.25.1河床演变的基本概念二、河床变形分类二第五章河床演变㈠从变形的表现形式分注意：单向变形是指长期以来总的演变趋势，严格的单向表现是不存在的！①纵向变形：河床沿程纵深方向发生的变形(图5-1)②横向变形：河床沿垂直于流向的水平方向上发生的变形(图5-2)㈡从变化的发展过程分①单向变形：河道在相当长的时间内，只是单一地朝某一方向上发展。如水库上游淤积，而下游冲刷(图5-1)(图5-2)。②复归性变形：河道的演变是周期性的往复地发展，时冲时淤。如浅滩的洪淤枯冲，河湾的自然裁弯取直。5.1.35.1河床演变的基本概念三、河床演变的基本原理三第五章河床演变㈠河床演变的基本原理是水流与河床的自动调整作用平衡达到上游段本河段冲刷平衡达到上游段本河段淤积②形输沙不平衡引起河床变刷，输沙不平衡，河床冲积，输沙不平衡，河床淤不淤，输沙平衡，河床不冲①SSVJzSJVAzSSSSVAJzSJVAzSSSSSSSS**0***0****,平衡达到上游段本河段冲刷平衡达到上游段本河段淤积②形输沙不平衡引起河床变刷，输沙不平衡，河床冲积，输沙不平衡，河床淤不淤，输沙平衡，河床不冲①SSVJzSJVAzSSSSVAJzSJVAzSSSSSSSS**0***0****,㈡水流与河床的自动调整作用水流与河床的自动调整作用：河床变形是由于输沙不平衡引起的，而河床变形本身又是朝着输沙平衡的方向发展的。5.1.45.1河床演变的基本概念四、影响河床演变的主要因素5.1第五章河床演变※影响河床演变的因素主要有四个：①河段来水量及其变化过程②河段来沙量、来沙组成及其变化过程③河段的河谷比降④本河段的河床形态、河床组成及地质情况※第①、③决定了水流的挟沙能力S*，第②决定了来沙量及其粗细S，第④为河床的边界条件，决定了河道的水流结构和抗冲能力，而变化过程对河床演变也有较大影响。5.2.15.2河床演变的基本类型及特性一、河型的划分一第五章河床演变㈠问题的提出河床演变过程错综复杂,多种多样,这给河床演变研究带来很大困难。但观察发现，虽然同一河流不同河段的河床形态和演变规律不同，但不同河流的某些河段的河床形态和演变规律又很相似。㈡河流分类分类方法各异(表5-1)我国目前常采用：5.2.2.15.2河床演变的基本类型及特性二、山区河流的河床演变ye第五章河床演变㈠何为山区河流？流经地势陡峻、山区和丘陵、崇山峻岭地区的河流。㈡山区河流的基本特征下面主要以水流特征、河流形态特征、泥沙运动特征、流态特征4个方面进行简要说明。5.2.2.25.2河床演变的基本类型及特性二、山区河流的河床演变ye第五章河床演变㈡山区河流的基本特征⑴水流特征•①洪水猛涨猛落，流量与水位变幅大，坡陡流急(图)。洪枯流量比可达几百倍，湖南蒸水为1200倍，嘉陵江北碚200倍洪枯水位变化大，昼夜可达10m，年内水位变幅重庆达30m，云阳达51m。流速通常2m/s，滩段可达5~6m/s以上。•②水面比降大，局部比降变化剧烈，且沿程分布极不均匀(图)绝大多J1‰，个别达20‰贵州清水河：106km长,枯水落差83m,其中55.4％集中在13%河段内•③中水历时不长5.2.2.25.2河床演变的基本类型及特性二、山区河流的河床演变ye第五章河床演变㈡山区河流的基本特征⑵河流形态特征•①峡谷河段与宽谷河段相间出现，岸线极不规则广东连江：150km内有10处峡谷，长度占20％川江：宜宾～重庆385km为宽谷，奉节～宜昌209km为峡谷•②纵剖面坡度陡峻，床面突高突低，急滩深潭上下交错(图5-3)•③河床以下切为主，横断面多成“V”形或“U”形(图)•④急弯、卡口、石梁、礁石众多5.2.2.25.2河床演变的基本类型及特性二、山区河流的河床演变二第五章河床演变㈡山区河流的基本特征⑶泥沙运动特征•①水流挟沙多为细沙、粉土、粘土，悬沙不饱和，可为冲泄质。•②河床多为卵石、块石、基岩。•③推移质运动具有间歇性，且以卵石为主。•③河床变形主要表现为“洪水冲谷淤滩、枯水冲滩淤谷”。⑷流态特征•流态十分紊乱，存在回流、泡水、漩涡、跌水、剪刀水、横流等险恶流态。5.2.3.15.2河床演变的基本类型及特性三、平原河流的河床演变ye第五章河床演变㈠平原河流的主要特征⑴水文特征：•汇流坡度平缓，径流汇流时间长；•洪水无猛涨猛落现象，汛期持续时间较长(长江中下游5~9月为汛期)；•年内流量、水位变幅不大(长江荆江洪、枯流量比=13倍，水位差13m)。⑵水流特征：•河床纵坡平缓,水面比降较小,且沿程分布均匀(荆江0.42~0.56‰,汉江0.39~0.56‰,图)；•流速较小，一般不大于2～3m/s；•水流流态平稳，不存在跌水、水跃，局部存在横流、回流也不强5.2.3.15.2河床演变的基本类型及特性三、平原河流的河床演变ye第五章河床演变㈠平原河流的主要特征⑶泥沙特征：•悬移质多为细沙、粉沙、粘土；•推移质多为中、细沙，其运动多以沙波形式进行；•悬移质中床沙质含沙量多处于饱和状态，较细的为冲泄质；•输沙以悬移质为主，推移质输沙量很小(gbgs，荆江gb占gs的0.21～0.48％)。⑷河床地质特征：•冲积层厚达数十米，甚至超过100m；•冲积层下粗上细，一般为卵石-卵石夹沙-粗沙-中沙-细沙(图)。5.2.3.15.2河床演变的基本类型及特性三、平原河流的河床演变ye第五章河床演变㈠平原河流的主要特征⑸河床平面形态特征：•河谷宽广，并分布广阔的河漫滩(靠近主槽、洪水淹没、中水出露图)；•常出现边滩、浅滩、江心滩、江心洲(图)；•有些河流沿江广泛分布有节点(矶头、山体、窄深河段),控制河势变化⑹横断面特征：•顺直微弯河道：抛物线或矩形•弯曲河道：不对称三角形•分汊河道：“W”形•游荡型河道：不规则(图)。5.2.3.15.2河床演变的基本类型及特性三、平原河流的河床演变xe第五章河床演变㈠平原河流的主要特征⑺河床演变特征：•水流与河道已基本适应，大多河道无明显的单向冲淤，多呈现周期性的往复变形和平面上的摆动；•河床多由中、细沙组成，河床冲淤变形速度快、幅度大，不同河型具有不同的演变规律。5.2.3.25.2河床演变的基本类型及特性三、平原河流的河床演变ye第五章河床演变㈡顺直微弯河道河床演变⑴平面形态：•中水河床比较顺直或略有弯曲，河床两岸常有犬牙交错的边滩，主流左右弯曲，河床波浪起伏，浅滩与深槽相间，滩槽水深相差不大(图5-12)。⑵常出现的地方：•多出现在顺直、狭窄的河谷中，或河谷虽然广阔，但河漫滩较高，且多由抗冲力铰强的粘土和沙粘土组成或人工控制的情况下。通常出现在河流的中、上游。5.2.3.25.2河床演变的基本类型及特性三、平原河流的河床演变xe第五章河床演变㈡顺直微弯河道河床演变⑶河床演变特点：•①浅滩与深槽交替发生冲淤：浅滩洪淤枯冲，深槽洪冲枯淤(图)•②边滩和深槽同步顺流下移：边滩迎水面冲而背水面淤，逐渐下移(图)。•③河床周期性展宽和缩窄：边滩发育→挤刷对岸→展宽河道→切割边滩→形成汊道→新冲老淤→单一河道。•浅滩多，且浅滩、深槽、主流线不稳定。5.2.3.35.2河床演变的基本类型及特性三、平原河流的河床演变xe第五章河床演变㈢游荡型河道河床演变⑴平面形态：•河身宽浅,河中沙滩密布,汊道众多,水流散乱,主流摆动不定(图5-7)⑵常出现的地方：•河岸物质组成较细，极易冲刷展宽；•比降、流速、河底输沙强度相当大；•边滩、心滩移动很快，泥沙淤积严重；•洪水猛涨猛落等黄河中游和永定河等河流。5.2.3.35.2河床演变的基本类型及特性三、平原河流的河床演变5.2第五章河床演变㈢游荡型河道河床演变⑶河床演变特点：弯曲和分汊河道的内容较多，需单独列节介绍！•①河床不断淤高，形成地上河：黄河某河段：20年内，河床年均抬升5.9～9.7cm；永定河芦沟桥～梁各庄：深泓高于堤外地面4～6m。•②汛期槽冲滩淤，非汛期槽淤滩冲：年内总冲淤量不大，但一次冲淤变化较大，黄河上一次冲淤超过10m是常见的现象。•③沙洲移动迅速，河道外形经常改变，平面冲淤变化幅度极大：黄河花园口：一次洪水后，面目全非。•④主槽经常摆动，且摆动速度和幅度很大：黄河花园口：主流摆动136m/day，特宽河段：主流摆动5～6km/次。5.3.1.15.3弯曲河道的演变一、演变特点xe第五章河床演变㈠河道平面形态中水河槽左右弯曲，两个反弯河段由直线段过渡，主流蜿蜒曲折(图)河底高低不平，滩槽相间，弯道为深槽，过渡段为浅滩，滩槽水深相差较大(图)。㈡常出现的地方河谷较宽，两岸无对称控制河床、河岸易冲，河岸更易冲流量变幅小，中水历时长比降平缓，流速不大一般出现在河流的中下游，我国分布很广。5.3.1.35.3弯曲河道的演变一、演变特点一第五章河床演变㈢演变特点⑴凹岸崩坍后退，凸岸淤积增长；⑵河湾曲度发展，弯道蠕动下移；⑶自然裁弯取直，河湾往复消长(图)。5.3.2.15.3弯曲河道的演变二、水流运动xe第五章河床演变㈠螺旋流的形成水流弯曲→离心力→表流速度大，离心力大，流向凹岸→为保持水流的连续性，底流向凸岸→纵轴环流→与纵向水流组成螺旋流。5.3.2.25.3弯曲河道的演变二、水流运动xe第五章河床演变㈡水面横比降gRUJhJhgghRUhJhhRUJhPTPFTJhPhPRUJhhFzzzzzz2222222212221222)(2121)2(212/)(2/)(21（可以忽略）底部摩擦力：凹岸水压力：凸岸水压力：离心力：重力加速度离心加速度的物理意义：ggRUgRUJJzz22水流作曲线运动产生指向凹岸的离心力,从而形成指向凸岸的横比降对于单宽水柱(图)5.3.2.35.3弯曲河道的演变二、水流运动xe第五章河床演变㈢两岸水面差)()(1222221RRBBgRUhRRUuRfudRgRuhgRudRdhJccRRz，平均情况：，其中5.3.2.45.3弯曲河道的演变二、水流运动xe第五章河床演变㈣弯道环流⑴环流的形成机理：•流速沿垂线分布的不均匀性，因水流曲线运动引起的指向凹岸的离心力分布为上大下小，而水面差引起的指向凸岸的水压力差却为一定值，这两个相反作用力的合成并形成了水面指向凹岸、河底指向凸岸