chap5-河床演变

第五章河床演变河床演变的基本理论河型分类及不同河型的演变特征河相关系、造床流量河道的稳定性及稳定性指标河床演变的分析、研究方法本章知识要点：河流动力学泥沙运动力学河床演变学计算、推理、实验归纳、描述、分析定量、微观定性、宏观概述河床演变学：研究在水流作用下河床的形态及其变化的科学。河势：是河道的平面态势，包括主流线、水边线及其所构成的平面形态(如汊道、弯道，边滩、心滩、江心洲、河漫滩)以及水面现象等有关形态要素的总称。河床演变：指河床在自然条件下或受人工建筑物影响而发生的变化及其过程。黄河的泛滥平原河床演变是水流、泥沙与河床相互作用的反映。一定的河床形态和组成必然有一定的与之相适应的水流结构和水流条件。一定的河床形态与河床组成，必然有一定的与之相适应的输沙率。河床演变的研究意义取得较好的水质，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。河流的形成和分段河流——汇集地面径流和地下径流的水道。河水流经的谷地称为河谷。河谷底部有水流的部分为河床。脉络相通的大小河流所构成的系统为水系（或河系）。支流干流一般天然河流，按照河谷和河床的情况，冲淤程度，水情变化等特点，分为：河源上游中游下游河口河流开始具有表面水流的地方，可能为冰川、溪涧、沼泽等。紧接河源，多处深山峡谷，坡陡流急，常有险滩和瀑布，多为V形峡谷地区。两岸多为丘陵区，比降逐渐缓和，岸边出现沙滩，冲淤变化不明显。多处于平原区，坡度缓，流速小，淤积作用明显，多浅滩和河湾，河床宽阔，水量较大，河床横断面多为由河槽和河滩形成的复式断面。是河流注入海洋、湖泊的地方，水流和河床受上游水流和下游海洋、湖泊两方面的影响。河流的基本特征河流长度河流比降河流断面河流特征横断面从河源到河口的距离。纵断面河流横断面垂直于水流方向的断面。水位：自由水面用某一水准基面的高程（m）标定。洪水位以下的河床河槽河滩主槽边滩单式断面复式断面河槽是河流宣泄洪水和输送泥沙的主要通道，植被不易生长，洪水期有低沙运动。河滩是河槽两侧洪水漫溢的滩地，也称河漫滩。河滩上通常长有植物，被洪水淹没的次数较少，无低沙运动。边滩是河槽中较高的可移动的泥沙堆。中泓线：河流纵断面沿河流中泓线的断面。河流中沿水流方向各断面最大水深点的连线。——水面或河底比降。——分别为第j河段始端和终端的水面或河底高程。——第j河段长度。——第j河段水面或河底落差。河流比降中泓线上单位长度内水面或河底的落差。河流比降的特点河流比降由于受各种因素的影响，变化较大；在恒定均匀流情况下,水面坡度恰好等于河底坡度。河底比降相对水面比降较稳定，水面比降随不同水位而有较大变化；河流比降一般自河源向河口逐渐减小。13河床演变表现形式§5－1河床演变的基本概念一、河床演变的一般形式发展方向影响范围纵向变形（纵剖面）：如上游河床不断下切、下游河床不断抬高等横向变形（横断面，平面图）：如河湾的发展、汊道的兴衰等单向变形（较慢，如：长江中下游多年年均淤积不到1cm，黄河下游多年一直抬高年均10cm。河口三角洲不断向外海延伸等）局部变形（例：弯道、汊道、浅滩）长距离变形（例：坝下游的冲刷）复归性变形（较快，如：浅滩在一年内或多年内的冲淤变化、河湾在若干年内的发展和消亡、汊道在若干年内的兴衰交替等）14二、河床演变的基本原理机理：输沙不平衡是产生河床演变的根本原因。河床的自动调整作用：河道由于输沙不平衡引起的变形在一定条件下往往朝着使变形停止的方向发展。例：当S＞S＊，即上游来沙量大于本河段输沙能力时，上游由于淤积的影响而产生壅水作用，水流与河床产生变化如图：15JASS＊UJAUS＊S＞S＊淤积趋于停止上游断面下游断面S＊上＞S＊下S＊上＝S＊下A增大淤积J、U减小H、A减小，则J增大，D、ω减小（床沙变细）S＊上减小S＊下增大mgRUKS316影响河床演变的主要因素（4个）河段进口的水沙条件，包括来水量及其变化过程；来沙量，来沙组成及其变化过程；河段出口的水位流量关系，反映下游侵蚀基点的影响；河段所在河谷的地质地貌条件，包括河谷宽度，比降及河漫滩组成等。a、b、c因素就是决定输沙不平衡的基本因素；d决定河床的边界条件、抗冲能力。§5－2河型分类及不同河型的演变特征一、河型分类平原河流的分类Leopold的方法——弯曲、辫状、顺直三类张瑞瑾的方法——顺直微弯、弯曲、分汊、散乱四类河段分类按地区划分按河床演变划分山区河流平原河流顺直微弯河段蜿蜒型河段分汊型河段游荡型河段峡谷性河段稳定河段次稳定河段变迁性河段宽浅性河段冲击漫流性河段潮汐河流18各类河流特征表河型形态特征运动特性稳定性边界特征实例游荡散乱多汊游荡极不稳定河岸物质较粗，缺乏抗冲性黄河，加拿大的RedDeer美国Loup分汊分汊各支汊交替消长情况变化两岸常有稳定的节点长江中游，湘江蜿蜒弯曲蜿蜒蛇行比较稳定两岸具有一定的抗冲性长江荆江，美国密西西比河中游顺直顺直、犬牙交错边滩平移稳定两岸物质细，受基岩树木控制美国密西西比河下游弯曲型顺直微弯型河道平面图游荡型河道平面图弯曲型河道平面图分汊型河道平面图山区辫状27二、山区河流与平原河流的特征及演变比较序号比较项目山区河流平原河流1地理位置上游（或较小支流）、山区中下游，冲积平原地区2成因下切为主（地壳运动－地壳猛烈褶皱或冰川剧烈活动、水流侵蚀作用－动力磨损和化蚀作用，产生纵向切割和横向拓宽）水流堆积作用（如：黄河下游的华北平原和长江的三角洲等）3河谷组成卵石块石和基岩（一般不存在近代堆积层）卵石～沙4河谷形态坡面陡，岩石裸露坡面平缓，土壤疏松。河谷形成冲积层厚度达数十米，甚至超过l00m；有广阔的河漫滩。序号比较项目山区河流平原河流5平面形态峡谷、宽谷相连，平面形态复杂，岸线不规则（如广东连江，内就有10处峡谷，占全长20％；某些峡谷河宽仅为10；半隧道、伏流：水流由岩缝渗漏透过地层在下游又重新溢出地表）顺直、弯曲、分汊、散乱，鬃岗地形，河口三角洲等等6横断面V、U型，窄深，中水、洪水河床无明显分界线，宽深比远小于100，仅10～20左右；两岸常存在阶地，表现为多级平台和与之相连的斜坡过渡段：对称，近似矩形或抛物形；弯段：不对称三角形分汊段：马鞍形（W型）游荡型河段：不规则7纵断面陡峻、变化大，常有阶梯形（跌水、瀑布，比降不均匀，集中在局部河段）波状曲线，比降＜10‰，分布较均匀，如：荆江4.2‰～5.6‰；汉江3.9‰～5.6‰29序号比较项目山区河流平原河流8水文流域面积较小，径流系数大，汇流时间短，洪水暴涨暴落，水位流量变幅大，无明显中水期。（降雨后往往数天甚至数小时内出现洪峰，雨后又迅速消失，有的一昼夜上涨之巨，而两三天后又完全退落，洪枯水变幅达几十米）流域面积较大，径流系数小，汇流时间长，水位流量变幅小，有稳定的中水期，9水流特征流速大（6～8m/s），比降陡（1‰以上），流态险恶（回流，泡水，漩涡，跌水，水跃，剪刀水，横流，等等）流速小（2～3m/s以下），比降小（1‰～0.1‰）10演变特征洪水期宽阔段淤积，非汛期峡谷段淤积；弯曲型河流自由活动余地较小；分汊河流江心州和心滩位置比较固定；卵石运动不连续；沿程有溪沟人汇形成冲积扇、溪口滩。往复性的冲淤和平面上的摆动。31TaohuayuHekouzhenUpperreachLowerreachMiddlereach32长江源头沱沱河33长江三峡34金沙江虎跳峡河谷-阶地系统水流冲积作用形成冲积平原三、平原河流的河床演变——四种河流，四种演变顺直(微弯)型河道河床演变浅滩和深槽交替发生冲淤；边滩和深槽同步顺流下移；河床周期性展宽和缩窄；浅滩多，而且浅滩、深槽和主流线位置不稳定。河道的弯曲程度可以用河道弯曲系数来描述，其中弯曲系数可定义为河槽长度和河谷长度的比值，其大小决定于河湾的多少和形态特征，如果弯曲系数大于1.3，就是弯曲性河流。41游荡型河道河床演变多年平均情况下，河床不断淤积抬高，形成“地上河”。年内的冲淤变化，一般是汛期主槽冲刷，滩地淤积，而非汛期则相反。在一年内总的冲淤幅度不大，但一次冲淤变化可达很大的数值。沙洲移动迅速，河道外形经常改变，冲淤变化幅度极大。一次洪水后，河床面目全非。主槽经常摆动，而且摆动的速度和幅度都很大。长江第一湾位于云南石鼓弯曲型（蜿蜒型）河道河床演变蜿蜒型河段是平原河流中最常见的一种河型，如“九曲回肠”的长江下荆江河段、渭河下游和汉江下游河段等，都是典型的蜿蜒型河段。下荆江蜿蜒型河段渭河下游蜿蜒型河段特点：平面形态:由一系列正反相间的弯道和介乎其间的过渡段连接而成。河床纵剖面形态呈上下起伏状态，深槽处水深最大，浅滩处水深最小；河段变形：蜿蜒型河段的横向变形，主要表现为凹岸冲刷崩退和凸岸淤积增长。纵向变形在弯道段洪水期冲刷，枯水期淤积；过渡段则相反。但在一个水文年内，冲淤变化基本平衡。蜿蜒型河段在特殊条件下可能发生突变。主要有自然裁弯、撇弯和切滩三类情况。自然裁弯：由于某些原因使蜿蜒型河段同一岸两个弯道的弯顶崩退而形成急剧河环和狭颈，当狭颈发展到起止点相距很近、水位差较大时，如遇大水年,水流漫滩，在比降陡、流速大的情况下，便可冲开狭颈而形成新河。撇弯：当河弯发展成曲率半径很小的急弯后，遇到较大的洪水，水流弯曲半径远大于河弯曲率半径，这时在主流带与凹岸急弯之间产生回流，造成原凹岸急弯部位淤积，这种现象称之为撇弯。切滩：在曲率半径适中的河湾中，当凸岸边滩延展较宽且较低时，遇到较大的洪水年，水流弯曲半径大于河岸的曲率半径较多，这时凸岸边滩被水流切割而形成串沟并分泄一部分流量，这种现象称之为切滩。47（一）弯道的形态特征1、河弯的基本要素凹岸、凸岸、弯曲半径、弯顶、中心角、弯距、摆幅482、河弯的类型单式河弯复式河弯自由河弯深切河弯强制河弯49（二）弯道的水流特征1、水面横比降和超高52水面横比降凹岸水面超高值若只考虑一维问题，则：——离心加速度与重力加速度的比值5374.774.975.175.175.375.375.375.375.575.575.575.675.6X(cm)Y(cm)-3.5-3-2.5-2-1.5-1-0.500.511.522.533.5-3-2.5-2-1.5-1-0.500.511.522.53R=3mH=20mFrame00101Sep2007123实测弯道水面等值线图（R=3m，20cm）54实测不同水深下弯道凹岸、中轴线、凸岸水面曲线552、弯道环流弯道环流形成机理分析示意图56实测弯道横断面流场图（矩形断面水槽）57数学模型模拟弯道横断面流场（矩形断面水槽）583、弯道水流动力轴线主流线“低水傍岸”“高水居中”顶冲点“低水上提”“高水下挫”594、弯道纵比降弯道上段，水面纵比降凸岸大于凹岸；弯道下段，情况则相反。实测弯道纵比降沿程变化图605、弯道纵向流速分布实测弯道纵向流速分布沿程变化图616、弯道横向流速分布实测弯道横向流速沿水深分布图627、弯道的泥沙运动实测弯道泥沙流速冲淤实验结果（三）弯道的形成和演变641、凹岸崩退，凸岸淤长2、河岸的发展和蠕动3、裁弯取直或撇弯切滩弯道的演变65下荆江碾子湾自然裁弯下荆江上车湾撇弯切滩66汊道的演变（一）汊道的形态及类型1、汊道的形态要素江心洲、汊道、主（支）汊、分流点（区）、汇流点（区）、汊道长度682、汊道的分类顺直分汊弯曲分汊弓形分汊复杂分汊693、汊道的成因雏形心滩流速减小局部来沙量过多a、泥沙在河槽中落淤心滩江心洲b、水流切割边滩或沙嘴704、汊道的水流泥沙运动a、分流区和汇流区的水流泥沙运动分流区水面线示意图汇流区水流情况河床断面：横断面在分流区和汇流区均呈中间部位凸起的马鞍形；在汊道段，则为江心洲所分隔的复式断面。纵剖面从宏观看呈两端低中间高的上凸形态，而几个连续相间的单一段和分汊段，则呈起伏相间的形态，与蜿蜒型河段的过渡段和弯道段的纵剖面形态相似。73b、分流比和分沙比——影响汊道演变的主要因素分流