第7章-河床演变——【河流动力学】课件

河 流 动 力 学River Dynamics港航学院河 流 动 力 学River Dynamics港航学院1Chap7 河床演变内 容河床演变河床演变的基本概念平原河流河床演变河床演变的基本类型及特性 山区河流；平原河流平原河流的河床演变 顺直、游荡、弯曲、分汊河相关系弯曲型河道的河床演变河流动力学Last Modified:Jie YangChap7 河床演变内 容河床演变河床演变的基本概念平原河2基本情况河床演变 河床在自然条件或受 人工建筑物影响而发生的变化 水流、泥沙与河床形态相互作用的反映河流存在两个反馈系统 水流挟带泥沙，泥沙的存在又影响水流结构 水流作用于河床，河床变形，河床形态又影响水流演变过程 水流与河床相互作用，泥沙起纽带作用 河床演变：走向新的平衡，自抑制过程 流速增加：河床冲刷，过水断面扩大，流速减小 流速减小：河道淤积，过水断面减小，流速增加河流动力学Last Modified:Jie Yang基本情况河床演变 河床在自然条件或受河流存在两个反馈系37.1 河床演变的基本概念演变特征 一定的河床形态和组成相适应的的水流 水流不变 河床不变河床形态稳定 水流微变河床调整总体形态不变 水流变化河床变化河床形态变化 一定的河床形态和组成相适应的的输沙率 水流与河床相互作用泥沙交换 河床组成变化泥沙输移水流泥沙与河床交换 泥沙交换不平衡冲淤不同的河床变形河流动力学Last Modified:Jie Yang7.1 河床演变的基本概念演变特征 一定的河床形态和组成47.1 河床演变的基本概念河床演变分类 长期变形和短期变形 长时间平均：是否可逆 大范围变形和局部变形 纵向变形和横向变形 单向变形和复归性变形 自然变形和人工干扰变形河流动力学Last Modified:Jie Yang7.1 河床演变的基本概念河床演变分类 长期变形和短期变57.1 河床演变的基本概念G t G t=gBLy河床演变的基本原理io0 造成演变的主要原因：输沙不平衡 上游来沙量大于本河段输沙能力本河段淤积 上游来沙量小于本河段输沙能力本河段冲刷 纵向输沙不平衡河床的纵向变形 横向输沙不平衡河床的横向变形 河道变形的发展方向：使得变形停止 河床和水流的自动调整作用 河床淤积过水断面减少流速增加淤积停止 河床冲刷过水断面增大流速减少冲刷停止 平衡是暂时的，不平衡是永恒的 上游来水来沙的改变 本河段沙波运动的存在 输沙平衡只具有相对的、平均的意义河流动力学Last Modified:Jie Yang7.1 河床演变的基本概念G t G t=g67.1 河床演变的基本概念影响河床演变的主要因素 主要因素 入口：河段的来水量及其过程 河段的来沙量、来沙组成及其变化过程 出口：侵蚀基点条件 河床周界条件：河段的河谷比降 河段的河床形态及地质情况 主要物理含义 主要反映了水流与河床这对矛盾 来水来沙、河谷比降决定水流泥沙条件，反映输沙不平衡，这些因素难以人工控制 后者决定着河床条件，可以进行人工改变，也是我们进行航道整治的依据河流动力学Last Modified:Jie Yang7.1 河床演变的基本概念影响河床演变的主要因素 主要因77.1 河床演变的基本概念影响河床演变的主要因素 对于平原河流 来水来沙条件起主导作用 来水来沙量及其过程起主导作用 取决于流域的产水产沙条件 对于山区河流 河段比降、河床形体及底质情况起主导作用河流动力学Last Modified:Jie Yang7.1 河床演变的基本概念影响河床演变的主要因素 对于平87.2 河流的类型及特性河型划分 根据边界可动性 冲积河流、非冲积河流 根据所处的地区 山区河流，平原河流，潮汐河流 平原河流 按形态及演变特征 分为：顺直：特点 弯曲：特点 分汊：特点 游荡：特点河流动力学Last Modified:Jie Yang7.2 河流的类型及特性河型划分 根据边界可动性 冲积9形态特征 平面形态：深泓线 横断面 纵剖面水流特性（流速、水位、水面比降）纵向：水流动力轴线 横向输沙特性 横向 纵向演变规律 平面 横向 纵向河流动力学Last Modified:Jie Yang形态特征 纵剖面水流特性（流速、水位、水面比降）纵107.2.2 山区河流的河床演变山区河流 水流特征 洪峰暴涨暴落 流量水位变幅大 中水历时不长 河流形态特征 纵剖面通常比较陡；跌水 河床较窄，一般仅为10-20m 横向发展小，通常以缓慢下切为主 泥沙运动 山区河流的泥沙多为卵石；运动具有间歇性、随机性 悬：中细沙、粘土，不饱和；推：卵石及粗砂 河床演变特征 卵石成型堆积体；悬移质淤积；溪口滩河流动力学Last Modified:Jie Yang7.2.2 山区河流的河床演变山区河流 水流特征 洪峰117.2.3 平原河流的河床演变基本情况 一般特征 河流由山区进入平原 失去横向约束，水流平面扩散 坡降展平流速降低泥沙淤积 河流形态特征 一般处于堆积抬高状态 在河谷中形成深厚的冲积层 河床组成不同不同的河型 河型多样性河床演变复杂性河流动力学Last Modified:Jie Yang7.2.3 平原河流的河床演变基本情况 一般特征 河流127.2.3 平原河流的河床演变平原河流的主要特征 水文泥沙 坡度平缓，土壤疏松径流系数小，汇流时间长 汇水面积大，降雨不均洪水缓涨缓落 水流流态平稳，流速较小 河流中以悬移质为主，推移质输沙量较小 河流形态特征 不同类型的河段不同河流断面形式 河床平缓，比降较小，千分之一以下 较厚的冲积层，厚度可达数十至数百米 一般都有河漫滩，分主槽和滩地 平原河流一般有节点，抗冲性强，控制河势河流动力学Last Modified:Jie Yang7.2.3 平原河流的河床演变平原河流的主要特征 水文泥137.2.3 平原河流的河床演变平原河流的河床演变 一般特点 河流：来水来沙河床边界，长期相互作用，水流、泥沙、河床边界基本适应 长期：河床一般无明显的单向冲淤变形 短期：来水来沙随时间变化河床变形，周期性冲淤变化，一个时期表现为淤积，另一个时期为冲刷 河床演变：往复性的冲淤，平面摆动 冲淤变化 河床主要由中细沙组成 冲淤速度较快，幅度也较大 对于不同的河型，冲淤变化及河床演变规律不同河流动力学Last Modified:Jie Yang7.2.3 平原河流的河床演变平原河流的河床演变 一般特147.3 平原河流的河床演变顺直（微弯）型河道河床演变规律游荡型河道河床演变规律弯曲型河道河床演变规律分汊型河道河床演变规律河流动力学Last Modified:Jie Yang7.3 平原河流的河床演变顺直（微弯）型河道河床演变规律河157.3.1 顺直型河道的河床演变 河床特征 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 演变特点 浅滩和深槽交替发生冲淤，浅滩枯冲洪淤 边滩和深槽同步顺溜下移 河床周期性展宽和缩窄，浅滩演变 总评 浅滩多，滩、槽、深泓线位置不稳定 对于港口航道工程等不利河流动力学Last Modified:Jie Yang7.3.1 顺直型河道的河床演变 河床特征 中水河床比较167.3.2 游荡型河道的河床演变游荡型河道河床演变 一般特点 河身宽浅，沙滩密布，汊道众多，水流散乱 产生条件：河床组成较细；流速比降较大 演变特点 多年：河床不断淤积抬高，变成地上河 年内：汛期主槽冲刷滩地淤积，非汛期相反 沙洲移动迅速，冲淤变化幅度极大 主槽经常摆动，速度幅度均较大 总评 河槽极不稳定 对于港口航道工程等不利河流动力学Last Modified:Jie Yang7.3.2 游荡型河道的河床演变游荡型河道河床演变 一般177.3.3 弯曲型河道的河床演变主要内容 弯道的形态特征 弯道的水流特征 弯道的泥沙运动 弯曲河段的演变河流动力学Last Modified:Jie Yang7.3.3 弯曲型河道的河床演变主要内容 弯道的形态特征187.3.3 弯曲型河道的河床演变弯道的形态特征 稳定河湾的形态特征平面形态：接近于正弦曲线纵剖面形态特征：深泓线靠近凹岸，凸岸为边滩深槽水深和浅滩宽度随弯道曲率增大而大 河湾的类型按形态特征：单式河湾、复式河湾 图按水流作用：自由、深切、强制河湾 图河流动力学Last Modified:Jie Yang7.3.3 弯曲型河道的河床演变弯道的形态特征 稳定河湾197.3.3 弯曲型河道的弯道的水流特征 水流特征 边界影响：水流作曲线运动 离心力作用：水面产生横比降 封闭环流：表层向凹，底层向凸 螺旋流：纵向水流环状水流 决定泥沙运动特点 决定弯曲河流的演变特性河流动力学Last Modified:Jie Yang7.3.3 弯曲型河道的弯道的水流特征 水流特征 边界207.3.3 弯曲型河道的河床演变0U2z J0U21F=(2h+J)=h+z21R 2 R 水面横比降 离心力P1=h221J21h hJ=+(h J)水压力=+22Pz2zz222 单位底面积 略去高阶小量 Jz代表离心加速度与重力加速度之比F+P P=012J U 1212J=h+z0+h2h hJ2z0z2R 2 22 2Uh hJ=0zR2UJz=gR河流动力学Last Modified:Jie Yang7.3.3 弯曲型河道的河床演变0U2z 0U21F217.3.3 弯曲型河道的河床演变 弯道环流 u自水面减少 离心力相应减少 压力差常量 合力上正下负 导致横向环流 弯道水流动力轴线 图 水流动力轴线：各断面垂线最大平均流速的连线，反映水流最大动量所在位置 在弯顶稍上部分，主流逼近凹岸，顶冲点 主流：低水傍岸，高水居中 顶冲点：低水上提，高水下挫 流速分布的调整河流动力学Last Modified:Jie Yang7.3.3 弯曲型河道的河床演变 弯道环流 水流动力轴线227.3.3 弯曲型河道的河床演变弯道的泥沙运动 悬移质运动 横向环流：上凹，下凸 含沙量：上稀下浓凹清凸浑 推移质运动 同岸输移，异岸输移 推移质运动的成带性 弯道：处于凸岸边滩一侧 顺直河道：推移质运动沿断面也不均匀 布置测量应注意河流动力学Last Modified:Jie Yang7.3.3 弯曲型河道的河床演变弯道的泥沙运动 悬移质运237.3.3 弯曲型河道的河床演变弯曲河段的演变规律 凹岸崩退，凸岸淤长 最重要演变规律：凹冲凸淤 产生的原因：横向环流含沙分布 河湾发展、河线蠕动 横向发展，弯顶之间互动 纵向也有向下游的蠕动 裁弯取直、河湾消长 图 整个河道发生变化 撇弯切滩 图 河道内主流线发生变化河流动力学Last Modified:Jie Yang7.3.3 弯曲型河道的河床演变弯曲河段的演变规律 凹岸247.3.4 分汊型河道的河床演变汊道形态河流动力学Last Modified:Jie Yang7.3.4 分汊型河道的河床演变汊道形态河流动力学Last257.3.4 分汊型河道的河床演变汊道类型河流动力学Last Modified:Jie Yang7.3.4 分汊型河道的河床演变汊道类型河流动力学Last267.3.4 分汊型河道的河床演变水流、泥沙特征 分流点：高水下移，低水上提 分、汇流区水位：支高主低流速：支小主大横向环流 分流、分沙比主汊 支汊分沙比 分流比断面特性河流动力学Last Modified:Jie Yang7.3.4 分汊型河道的河床演变水流、泥沙特征水位：支高277.3.4 分汊型河道的河床演变汊道的河床演变规律 洲滩的移动和分合 汊道的交替兴衰水流动力轴线摆动 河岸的崩塌和弯曲水流强度、河岸、床底组成河流动力学Last Modified:Jie Yang7.3.4 分汊型河道的河床演变 汊道的交替兴衰水流动力287.4 河相关系河相关系 对于达到均衡形态的河流，在水力几何形态与水沙、地质等条件之间应该存在某种关系河相关系（均衡关系）B=f1（Q，S，D）H=f2（Q，S，D）J=f3（Q，S，D）U=f4（Q，S，D）河流动力学Last Modified:Jie Yang7.4 河相关系河相关系 对于达到均衡形态的河流，在水力297.4 河相关系造床流量 造床流量是其造床作用与多年流量过程的综合造床作用相当，对塑造河床形态起着控制作用的某一种流量。平滩流量法 计算法（前苏联马卡维耶夫）G=QmJP(m=2，平原)结论：河流动力学Last Modified:Jie Yang7.4 河相关系造床流量 造床流量是其造床作用与多年流量307.4 河相关系第一造床流量 漫滩流量,约相当于多年平均最大洪水流量。不同河流和不同河段,第一造床流量或者漫滩流量的发生频率是不同的。第二造床流量 第二造床流量略大于多年平均流量 第二造床流量水位近似等于边滩高程 第二造床流量一般用于航道整治工程河流动力学Last Modified:Jie Yang7.4 河相关系第一造床流量 漫滩流量,约相当于多年平均317.4.4 河相关系式经验河相关系半经验半理论河相关系理论河相关系河流动力学Last Modified:Jie Yang7.4.4 河相关系式经验河相关系半经验半理论河相关系河327.4.4 河相关系式半经验半理论河相关系Q=BhU121U=h J32n3UmS k()=*gh河流动力学Last Modified:Jie Yang7.4.4 河相关系式半经验半理论河相关系Q=BhU1337.4.4 河相关系式半经验半理论河相关系BmhB=h9河宽B及平均水深h是相应于平滩流量而言9通称河相系数，砾石河床为1.4，沙质河床为 2.75河流动力学Last Modified:Jie Yang7.4.4 河相关系式半经验半理论河相关系BmB=347.4.4 河相关系式Q=BhU理论河相关系1U R J=2 3 1 2n最小能耗假说9 最早由赫姆霍尔茨提出，代表人物：维利坎诺夫、杨志达、张海燕等2 3 2 3 20.05 U R J BG=g B=sTT2 D gsgQJ=min河流动力学Last Modified:Jie Yang7.4.4 河相关系式Q=BhU理论河相关系1U R 35