1、第8章 河床演變基本原理,河道演變的含義,1、河道演變是指自然情況下及修建整治建筑物后河床發(fā)生的沖淤變化過程。,2、河道的變化是水流與河床相互作用的結果，而水流與河床的相互作用是通過泥沙運動實現(xiàn)的。,1,平原河流流經(jīng)地勢平坦、土質(zhì)疏松的平原地區(qū)。由于水流對泥沙的搬運堆積作用，形成深厚的沖積層。沖積層可達數(shù)十或數(shù)百米厚。沖積層自下而上有明顯的分選特征：夾沙卵石粗沙中沙細沙。,、平原河流的河谷,8.1.1 河床形態(tài),8.1 平原河流的一般特性,圖8-1,2,通常所說的河槽指中水河槽，中水河槽比較寬淺，枯水期常用邊灘、心灘出露，斷面寬深比一般在100以上。,、平原河流的河谷,8.1.1 河床形態(tài),8

2、.1 平原河流的一般特性,圖8-1,3,有順直、彎曲、分汊、散亂四種典型平面形態(tài)。,、 平面形態(tài),8.1.1 河床形態(tài),4,順直河段過渡段多為拋物線形，彎曲河段多為不對稱三角形，分汊河段中則為馬鞍形（W形），游蕩型河段則為多汊形（寬淺不規(guī)則形）。,、 橫斷面形態(tài),8.1.1 河床形態(tài),5,、縱剖面形態(tài),平原河流縱剖面與山區(qū)河流不同，因系沙質(zhì)河床，縱剖面不可能有明顯的臺階狀變化，但同樣是深槽淺灘交替，所以河床縱剖面是有起伏的平緩曲線，其平均縱比降比較小。,8.1.1 河床形態(tài),6,河道節(jié)點：是指那些抗沖性較強，依岸形成的對河勢變化起節(jié)制作用的特殊邊界條件。,河流上存在著許多天然和人工節(jié)點，這些節(jié)

3、點對河道演變起控制作用。,、河道節(jié)點的概念,8.1.1 河床形態(tài),節(jié)點處河床窄深，水流集中；節(jié)點間河岸容易沖刷，河床寬淺，水流分散。,7,河勢：河勢是河道的平面態(tài)勢，包括主流線、水邊線及其所構成的平面形態(tài)（如汊道、彎道、心灘、江心洲河漫灘）及水面現(xiàn)象，是有關形態(tài)要素的總稱。有時也指河道的基本流勢，或稱基本流路。,、河勢的概念,8.1.1 河床形態(tài),8,河漫灘起著調(diào)節(jié)洪水、削減洪峰，儲存泥沙并通過灘槽水流交換，影響河槽沖淤等作用。,河漫灘作用：,河漫灘為靠近主槽（中水河槽）、洪水時淹沒、中水時出露的灘地。它由泥沙落淤而成，組成物質(zhì)較為松散。,平原河流一般都有廣闊的河漫灘。,1、河漫灘,8.1.1

4、 河床形態(tài),9,2、成型堆積體,沖積平原河流的主槽中，由于水流和河床的相互作用，分布著各種形式的大尺度沙丘，這些大的沙丘統(tǒng)稱為成型淤積體。,1-邊灘；2-江心洲；3-江心灘；4-沙嘴；5-淺灘；6-深槽,8.1.1 河床形態(tài),10,（4）非均勻性,（3）不恒定性,（2） 三維性,（1）二相流性質(zhì),1、河道水流的基本性質(zhì),8.1.2 河道水流的一般特性,水+泥沙,河道水流的三維性與過水斷面的寬深比關聯(lián)，寬深比愈小，三維性愈強。,來水來沙情況隨時空變化,河道水流的邊界也隨時空變化,11,（1）流型,2、河道水流的水流結構,8.1.2 河道水流的一般特性,阻力平方區(qū),沿程水頭損失系數(shù)只與相對光滑度有

5、關；,沿程水頭損失hf與流速的平方成正比；,0與流速的平方成正比。,12,（2） 主流與副流,2、河道水流的水流結構,8.1.2 河道水流的一般特性,主流是由重力產(chǎn)生的沿河槽縱比降方向的流動；,副流是由于縱比降以外的因素產(chǎn)生的、水流內(nèi)部的一種大尺度的旋轉運動，其流線大多是封閉的曲線，往往又稱環(huán)流。,產(chǎn)生副流的力可以是重力，也可以是其他的內(nèi)力或外力；,主流方向為縱向，副流具有不同的軸向；副流有時在主流的邊緣上流動，有時則與主流疊加在一起，使整個水流呈螺旋式前進，又稱螺旋流。,橫向輸沙是由橫向環(huán)流造成的；,環(huán)流與水流中的紊動漩渦的區(qū)別是尺度大、位置和影響范圍較固定；,13,由于表層水流流速大于底部

6、水流流速，因而表層水流所受到的離心力遠大于底部水流所受到的離心力；,（3）環(huán)流的類型,2、河道水流的水流結構,8.1.2 河道水流的一般特性,離心力產(chǎn)生的彎道環(huán)流,表層水流因離心力作用流向凹岸，由于水流連續(xù)原理，底部水流雖然也受到離心力作用，但受到的離心力小于表層水流，所以只能從凹岸流向凸岸。,這樣從橫斷面上看，就形成了表層水流從凸岸流向凹岸，底部水流從凹岸流向凸岸的環(huán)流。,必須指出的是，不能認為只有彎道才能因離心力產(chǎn)生環(huán)流；正確的認識是：凡是水流彎曲的部位都會產(chǎn)生環(huán)流。,14,這種力沿水深的分布也是不均勻的，從而引起水流的橫向流動，其表流在北半球永遠指向河流的右岸。,（3）環(huán)流的類型,2、河

7、道水流的水流結構,8.1.2 河道水流的一般特性,地球自轉偏力（柯氏力）產(chǎn)生的環(huán)流（簡稱偏力流）,在北半球，柯氏力指向運動方向的右方。,在北半球，河流的右岸比左岸被沖刷得厲害，正是這種力的作用結果。,地球上任何運動的物體，都要受到柯氏力的作用。,15,河道縱剖面和橫斷面突然變化所產(chǎn)生的副流就是由摩擦力所引起的。,（3）環(huán)流的類型,2、河道水流的水流結構,8.1.2 河道水流的一般特性,摩擦力產(chǎn)生的環(huán)流（摩擦力副流）,在分離面上將產(chǎn)生摩擦力，在這個力的作用下形成摩擦力副流。,當水流發(fā)生局部變形，會產(chǎn)生水流的分離現(xiàn)象。,16,（3）環(huán)流的類型,2、河道水流的水流結構,8.1.2 河道水流的一般特性

8、,含沙量或含鹽度引起的副流（異重流）,在河流中，對泥沙運動和河床演變影響較大的副流主要是離心力副流、摩擦力副流和異重流。,由于水流中含沙量或含鹽度分布不均勻，引起水流中不同地區(qū)的重率差異，水流會從重率大的地方流向重率低的地方，也稱為異重流。,17,（4）河道水流的流速分布,2、河道水流的水流結構,8.1.2 河道水流的一般特性,河道水流具有三維性、不恒定性、不均勻性；,通常用經(jīng)驗方法研究河道水流流速分布；,不能直接應用水力學所掌握的二維恒定均勻流流速分布公式來描述；,對于非常寬淺、水深沿河寬變化較小的平原河流，可近似用二維均勻流流速分布公式來描述河道水流的流速分布。,18,8.1.3 平原沖積

9、河流的河型分類,1 平原河流根據(jù)其平面形態(tài)和演變過程又可分為四種類型,順直型或邊灘平移型,分汊型或交替消長型,散亂型或游蕩型,彎曲型或蜿蜒型,19,8.1.3 平原沖積河流的河型分類,順直型或邊灘平移型主要特點：,順直型或邊灘平移型,中水河槽順直微彎，邊灘呈犬牙交錯分布，,并在洪水期向下游移動。,形態(tài)特征,演變特征,2 不同河型的特點,20,8.1.3 平原沖積河流的河型分類,彎曲型或蜿蜒型主要特點：,彎曲型或蜿蜒型,中水河槽具有彎曲外形，深槽緊靠凹岸，邊灘依附凸岸；,約束彎道：,河身在無約束條件下向下游蜿蜒蛇行；,凹岸沖蝕，凸岸淤長；,自由彎道：,平面形態(tài)基本保持不變。,形態(tài)特征,演變特征,

10、2 不同河型的特點,21,8.1.3 平原沖積河流的河型分類,分汊型或交替消長型主要特點：,分汊型或交替消長型,中水河槽分汊，一般為雙汊，也有多汊的.,各汊周期性地交替消長。,形態(tài)特征,演變特征,2 不同河型的特點,22,8.1.3 平原沖積河流的河型分類,散亂型或游蕩型,散亂型或游蕩型主要特點：,沙灘密布，汊道縱橫；,變化迅速，出沒無常。,形態(tài)特征,演變特征,2 不同河型的特點,23,8.1.3 平原沖積河流的河型分類,3 成型堆積體分布,順直型或邊灘平移型,彎曲型或蜿蜒型,邊灘呈犬牙交錯分布在河道兩岸,邊灘依附凸岸,24,8.1.3 平原沖積河流的河型分類,3 成型堆積體分布,分汊型或交替

11、消長型,散亂型或游蕩型,江心洲、心灘穩(wěn)定、成型,江心洲密布、不穩(wěn)定、極易遷徙。,25,8.1.3 平原沖積河流的河型分類,上述四種河型，習慣上稱為：順直型、蜿蜒型、分汊型及游蕩型。,26,短期變形是相對于長期變形而言的。,長期變形是指工程規(guī)劃設計必須考慮的數(shù)十年以至數(shù)百年內(nèi)的河床變形。,按河床演變的時間特征：長期變形，短期變形,8.2.1 長期變形和短期變形,8.2 河床演變分類,27,指河床有規(guī)律的沖淤交替，即在一定時期內(nèi)河床處于沖刷發(fā)展狀態(tài)，此后一段時期內(nèi)，河床則處于淤積發(fā)展狀態(tài)，如此周期性的往復。,復歸性變形（周期性往復變形）,是指河道在相當長的時間內(nèi)只是單一地朝著某一方向發(fā)展的演變現(xiàn)象

12、。,單向變形：,從河床演變的發(fā)展過程（及河床演變的方向性）：,8.2.2 單向變形和復歸性變形,8.2 河床演變分類,28,是河道在較長河段普遍的沖刷或淤積的現(xiàn)象，又稱長河段變形、大范圍變形。,按河床演變的空間特征,是在較短范圍內(nèi)局部河床的沖淤變化。,8.2.3 整體變形和局部變形,8.2 河床演變分類,整體（長距離）變形,局部（短距離）變形,29,長江中游某河段深泓線縱剖面的變化,指河道沿流程所發(fā)生的變形，即河床縱剖面的沖淤變化，如河床的下切、抬升等,從河床演變的表現(xiàn)形式上,8.2 河床演變分類,縱向變形,8.2.4 縱向變形和橫向變形,30,長江中游某河段橫斷面的變化,指河床沿著與水流垂直

13、方向發(fā)生的變形，如河灣的發(fā)展（彎道凹岸沖刷、凸岸淤積），汊道的興衰等。,橫向變形,從河床演變的表現(xiàn)形式上,8.2.4 縱向變形和橫向變形,8.2 河床演變分類,31,按是否受人類干擾：自然變形，受人類干擾變形,8.2.5 自然變形和人為干擾變形,8.2 河床演變分類,上述河床演變分類，是為了從不同側面描述同一事物，把握其物理機制，而實際河流的河床演變現(xiàn)象往往是錯綜復雜、難以分離的。,32,河段出口處的侵蝕基點。,、河段上游的來沙量、來沙組成及其變化過程；,、河段上游的來水量及其變化過程；,8.3 影響河床演變的主要因素,8.3.1 影響河床演變的主要因素,（1）進口條件：,、上游河道與本河段進

14、口的銜接方式。,（2）出口條件：,泛指河流所在地區(qū)的地理、地質(zhì)條件，包括河谷比降、河谷寬度、河底及河岸組成以及河道幾何形態(tài)。,（3）河床周界條件：,33,指能控制出口水面高程的各種水面，如河面、湖面、海面等，也可以是能限制河流向縱深方向發(fā)展的抗沖巖層的相應水面。,8.3 影響河床演變的主要因素,8.3.1 影響河床演變的主要因素,侵蝕基點的概念：,在此點之上的河床高程并不是不可能侵蝕到低于此點的高程，而是侵蝕基點以上的河道水面線和床面線都要受到此點高程的制約。,34,8.3 影響河床演變的主要因素,8.3.2 影響河床演變主要因素之間的關系,（1）河道的來水來沙條件是最主要的，另外兩個因素是從

15、屬條件；但出口侵蝕基準點或河床周界條件有時也可能成為河床演變的主要因素。,（2）三個因素不是相互獨立的，而是相互聯(lián)系和相互影響的。,（2）三個因素隨時空發(fā)生變化。,35,反之，若某一河段，來沙量與水流的挾沙能力相適應，即來沙量與水流挾沙力相等或接近，則水流處于輸沙平衡狀態(tài)，河床河床既不沖刷也不淤積。,所謂輸沙不平衡是指，對于某一河段，如果來沙量與水流的挾沙能力不相適應，即來沙量大于或小于水流的挾沙力，則水流處于輸沙不平衡狀態(tài)，河床將會發(fā)生沖淤變化。,1、輸沙不平衡是產(chǎn)生河床演變的根本原因。,8.3 影響河床演變的主要因素,8.3.3 引起河床演變的根本原因,36,輸沙平衡是相對的、暫時的；而輸沙不平衡則是絕對的，輸沙不平衡引起的河床變形具有絕對性。,另一方面，即使上游來水來沙條件不變，河床上的沙波運動