河床演变学-第二章

第一节弯曲河流形态特征第二节弯道水流运动特性第三节弯曲性河流的泥沙运动第四节弯曲性河流的演变规律弯曲性河流是冲积平原河流中最常见的一种河型；著名的弯曲性河流：我国渭河、汉江下游长江下荆江河段有“九曲回肠”之称世界上河流以弯曲性河流居多（分汊性流次之，游荡型河流较少，顺直型河流最少）。弯曲河流是一种最稳定的河流一、形态要素弯曲性河流由一系列弯道和与之相联结的直段所组成。河道具有一定曲率部分连接上、下两弯道段的直线部分一、形态要素弯道中心角（）-弯道段自进口至出口所包含的中心角曲率半径（R）-弯道中心线的半径河宽（B）-过渡段断面水面宽度摆幅-上、下反向外包线之间的垂直距离弯距（或河弯跨度）Lm-相邻同侧弯道顶点间的距离曲折率，-上下两过渡段中点间河道中心线长度L与直线距离l之比≥1.5称弯曲性河流,1.5称顺直性河流二、形态特征平面：弯段与直段相间凹岸与凸岸对应上下河弯反向，呈“S”形纵向：弯道段深槽与过渡段浅滩相间横断面：凹岸深槽与凸岸边滩相对，弯道段断面呈不对称三角形，过渡段断面为抛物线形。二、形态特征法国水力学家法格（O.Fargue）根据Giroude河流的长期观察，于1908年提出弯曲河流形态规律Fargue定律假定S为上下两弯道顶点沿深泓线的距离，则深槽最深处位于弯道顶点下游S/4（此处环流最强，又是水流加速区）；浅滩最浅处位于两弯之间转折点下游S/4（环流转向）；此与所处部位的水流强度密切相关。弯道曲率半径越小，水深越大。（R越小，环流越强）弯道纵剖面水深变化与曲率半径变化相一致。若前者呈连续变化或突变，则后者也呈连续变化或突变。（说明H是R的连续函数）对一定曲率的河段，沿弯道向下游，深度先增后减，存在一定长度的弯道深槽。Fargue定律所揭示的河床形态规律，与弯道水流特性密切相关，分析弯道水流特性，就不难对河床形态规律作出合理的解释。三、弯道河相关系据大量资料统计，大小不同的弯曲性河流，若不看比尺，则外形极为相似，河弯形态与过渡河宽B之间存在一定关系。124.33mmLBBBRB或124.33mmLBBBRB表明：只要河流发育成弯曲性河流，则其平面外形能保持相似，而与河流大小、挟沙多寡及床沙组成粗细等无关。三、弯道河相关系弯道段中心线曲率半径和中心角是两个重要因素，分析下荆江资料的两者关系式为0.7261.5330mQRmQ—多年平均最大流量3/ms弯道中心角越大，弯道曲率半径越小，河流越弯曲。弯道水流呈三维的螺旋状向前运动，螺旋流在横断面投影为封闭的横向环流。研究弯曲河流的水流特性，除考虑纵向水流外，应充分重视弯道环流的作用，弯曲河流形成发展与弯道环流密切相关。一．弯道纵向水流1.主流线位置主流线（水流动力轴线）：沿程各断面最大垂线平均流速所在点的联线。深泓线：指沿程各断面最大水深所在点的联线。主流线与深泓线未必重合弯道主流线一般在弯道上游过渡段偏近凸岸，进入弯道后逐渐向凹岸转移，至弯顶稍上部位紧贴凹岸，主流逼近凹岸的位置叫“顶冲点”，自顶冲点向下相当长的距离内，主流贴近凹岸。一．弯道纵向水流2.主流线随流量变化规律与“低水傍岸，高水居中”相应，顶冲点位置随流量变化规律是“低水上提，高水下挫”，低水时顶冲点在弯顶附近，高水时弯顶以下。产生这种现象的原因一方面与惯性有关。“低水傍岸，高水居中”一．弯道纵向水流3.影响主流线位置的因素上游河势的变化势必引起下游主流线的变化。河道平面形态河道规则平顺，则主流线位置变化就不大。H、J、n沿横断面分布变化，流速必随之变化，从而影响主流线位置。一．弯道纵向水流4.纵向比降J弯道凹岸水面为上凸曲线，凸岸水面为下凹曲线弯道上段J凹J凸弯道下段J凹J凸凹岸弯道上段小于弯道下段凸岸弯道上段大于弯道下段枯水期J弯J直洪水期间J弯J直枯水时过渡段内浅滩阻水壅水，从而使弯道段至过渡段比降较小，过渡段至弯道段比降较大洪水时，边滩阻水，进口段水位抬高，弯道段比降增大，过渡段比降较小。二、弯道环流水流经过弯道作曲线运动时，产生指向外法线方向的离心力，水流为了平衡这个离心力，就必然使凹岸水位抬高，凸岸水位降低。（两种质量力作用下，水面力图与外合力方向相垂直）即凹岸水位大于凸岸，尤以弯顶附近显著，形成水面横比降。二、弯道环流1、通过外力平衡方程求解横比降Jy取长、宽各为1单位的水柱分析水柱沿横向受力为水压力离心力摩阻力2112Prh221()2rPrhJ21(2)2yVFmahJR离心加速度质量因水柱底面积很小而忽略不计二、弯道环流y方向的力平衡方程为120PPFT2222111()(2)22211(2)(2)022yyyyyVrhrhJdzhJdzdzrgRVrhJdzJdzrhJdzdzgR即2yVJgR二、弯道环流2、超高——左右岸的最大水位差由横比降公式积分而得1()ydHdHdHJdydRRdR2dHVdRgR21221RRVHHHdRgR二、弯道环流2、超高21221RRVHHHdRgR若视垂线平均流速等于断面平均流速V2221(lnln)cVVHRRBggR二、弯道环流荆江：水面横比降数值有时可以很大，荆江来家铺河弯最大横比降达0.57×10-4，与当地纵比降属同一数量级。一般地2222VyccJgRChJgRVChJJy黄河（2～3）×10-4（1～1.5）×10-4长江（0.2～0.5）×10-4（0.1～0.25）×10-4若取h=10m，R=5000m，C50，则12yJJ为同数量级二、弯道环流弯道横向环流形成的力学原因取微小单位水体来分析离心力向凹岸：单位水体的纵向流速Ux自水面向下逐渐减小，故单位水体所受离心力，从水面向下减小。压力差指向凸岸：水面横比降产生的同一单位水体的向心分力即压力差P2-P1自水面向河底均匀分布。二、弯道环流离心力与压力差的合力在表层指向凹岸，在底层指向凸岸。从而在合力作用下，表层水流流向凹岸，底层水流流向凸岸。由于水流连续性，凹岸一侧水流插向河底，凸岸一侧水流上升，于是形成横断面上的投影为一封闭的循环流动，即横向环流。二、弯道环流取一微小六面体dxdydz来观察，外力有：压力摩阻力离心力12120PPFFF横向动力平衡方程为1yPPdxdz2()yyPPPdydxdzy1yFdxdy2()yyFdzdxdyz2xUFmadxdydzR2[()][()]0yyxyyyyPUPPdydxdzdzdxdydxdydzyzR二、弯道环流横向动力平衡方程为2[()][()]0yyxyyyyPUPPdydxdzdzdxdydxdydzyzR20yyxPUyzR二维弯道环流运动方程二、弯道环流20yyxPUyzR222()[1(1ln)](1)yyyyxyPhzUzgzUVCKHgVJCKgR代入假定横向动量交换系数等于纵向动量交换系数(1)yzzzKUzh10|0()U()0()边界条件横向流量为零yzhyzdh二、弯道环流10|0()U()0()边界条件横向流量为零yzhyzdh122[()()]yghVzzUFFKRhCKh10220ln()2[1]1ln()21FdFd对某一预定的相对水深，已知谢才系数C，则横向流速Uy与水深h、垂线平均流速V成正比，与弯道曲率半径R成反比。当C≥50时，公式可简化为6(21)yhVUR通过数值积分绘制成表或曲线二、弯道环流绝对环流强度Uy相对环流强度环流旋度1221[()()]yUghFFVKRCK122()()11(1ln)yxgFFUhCKUKRgCK0.125gCK取K=0.4查曲线得12(0.01)1.9862(0.01)1.9521FF12(0.99)1.191(0.99)0.4FFyyxUUVUhhRRhhRR近底（=0.01）-10.9-19.82近水面（=0.99）7.136.346近底环流强度大于近水面，因此底部环流对泥沙的作用要强于表层环流。近底环流旋度强于表层，更甚于环流强度。一、悬移质横向输沙弯道环流横向输沙不平衡一、悬移质横向输沙凹岸冲刷凹岸深槽凸岸淤积凸岸浅滩弯道环流作用垂线各点环流旋度不同，中间某点Uy=0，该点以下越近河底，横向流速Uy越大，而纵向流速Ux越小，因而旋度较大。结果将使Uy=0以下越近河底的泥沙到达凸岸的位置越靠上游。因泥沙粒径上细下粗，故凸岸淤积的泥沙靠上游部分粒径较粗，靠下游部分粒径较细。二、悬移质粒径及含沙量分布二、悬移质粒径及含沙量分布由于凹岸接受上层水体，其流速较大而含沙量少，悬移质粒径细，故悬浮指标较小;凸岸恰好相反，故悬移质含沙浓度垂线分布为凹岸比凸岸均匀的多。横断面上流速峰值靠近凹岸，含沙量和粒径峰值靠近凸岸。二、悬移质粒径及含沙量分布自凹岸向凸岸，maxHmaxVmaxSmaxd排序，弯曲河流所特有的分布规律为：maxH流速为什么不是最大？三、水流挟沙力3VgHw洪水期水流挟沙力大于枯水期洪水期，弯顶附近水流挟沙力比其他部位尤其比过渡段大，枯水期，过渡段水流挟沙力最大，弯顶最小弯道挟沙力大于直道四、推移质运动当弯道曲率半径小，横向环流强，底部螺旋流旋度大时，离开凹岸的推移质可被带到本弯道的凸岸淤积。否则，大部分推移质将被带到下游过渡段，并为下一弯道环流带到下一弯道凸岸淤积。凹岸向凸岸运动。一、凹岸崩退，凸岸淤长弯曲性河流长期存在和不断发展的根本原因：河床自动调整作用，使纵向输沙不平衡引起的河床变形朝停止方向发展。而横向输沙不平衡所导致的河床横向变形（凹冲凸淤）并非朝停止方向发展，而是始终存在。弯道段的横向输沙不平衡：凹冲凸淤，河床发生横向变形纵向输沙基本平衡：凸岸的堆积和凹岸的冲刷在数量上应接近相等，宽深比基本保持不变二、弯道的发展和消亡凹岸崩退和凸岸淤长使弯道平面上发生位移，因主流抗冲点位于弯顶下游侧凹岸，及凹岸弯道下半部和凸岸弯道上半部为水流加速区。所以，凹岸崩退在下半部最严重，凸岸上半部冲刷而下半部淤积严重。其结果将使的整个河弯向下游蠕动。河弯也越来越趋于弯曲。二、弯道的发展和消亡自然裁弯撇弯和切滩若河岸组成物质不均匀，或由于其他原因，相邻河弯向下游蠕动速度不同，以致同一岸相邻弯顶的间距逐渐缩短，形成几乎封闭的河环。河环的终点和起点的距离很近称狭颈。狭颈两端水位高差很大，一遇漫滩水流，即可能冲开而发展成新河。（1）当凹岸土质很不均匀，河弯发展受到限制，形成曲率较大的锐弯时，往往在凹岸出现撇弯现象，主流改趋凸岸。凹岸逐渐淤积，而凸岸边滩则相应切削。（2）若遇连续数年小水，凹岸崩退较远，凸岸形成广阔而平坦的边滩却来不急相应上升，在这种锐弯低滩条件下，一遇较大洪水，主流容易切滩趋直，相应凹岸发生撇弯。使河长缩短和曲率减小三、弯道的纵向变形弯道段深槽和过渡段浅滩在年内发生相互交替的冲淤变化。枯水期过渡段浅滩冲刷弯道段深槽淤积洪水期浅滩淤积深槽冲刷弯道段深槽使主流顶冲和环流发展的产物，断面深窄，过渡段浅滩使主流过渡和弯道环流正反交替的产物，断面宽浅。四、影响弯道演变的因素主流线和顶冲点位置的变化，流量及河岸物质的抗冲能力，影响弯道发展的方向和强度。水流含沙量及泥沙级配，滩地植被对弯道演变有一定影响。