泥沙运动与河床演变.ppt

第五章 泥沙运动与河床演变 研 究 目 的：为了取得较好的水质，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。 第一节 河水运动 河水的运动极为复杂，是纵向水流、横向环流和紊流的交互作用的混合运动且沿着流程不断变化。,一、河水的纵向运动： 由 河 床 的 纵 坡 降 的 总 趋 势 引 起 均 匀 流：流 速 沿 程 不 变 的 流 动； 反 之， 为 非 均 匀 流。 天然河道的水流不均匀主要原因是河道断面形状、底坡及流量等沿程不断变化。但是，对于一个比较顺直的河段，来水来泥情况基本稳定、河床基本处于不冲不淤的相对平衡状况，过水断面及流速沿程变化不大，水面坡度、床面坡度基本平直且相互平衡，基本上可视之为均匀流。 研究模型：为计算方便，将非均匀流的长河段分成若干视为均匀流的短河段加以研究。均匀流的短河段，其平均流速按谢才公式计算。,1河道水流的轴线 正流(或元生流)：指河道水流的主体部分。 主流线：为沿程各断面最大纵向垂线平均流速所在点的连线的水平投影。( 注 流 线 和 深 水 线 大 致 重 合） 主流带：为围绕主流线两侧一定宽度内平均流速较大的流带。 边流带：在主流带以外的两侧或一侧，平均流速较小的近岸区域。 主流线可以作为河道水流的轴线，具有“大水趋直，小水走弯”的趋向。 主流线及主流带对全河段总的状态及发展趋势起决定性作用。同一河段中不同季节(洪水期和枯水期)形成不同的主流位置和洲滩形态。,2洪水波 流域降水以前，河道中已有一水面。流域降水后，地表径流不断汇入河槽，河道水位、流量、流速等沿程发生变化，原有的水面因受干扰而形成波动称为洪水波。在原有水面上涌入的水量称为波流量。 原有水面上附加的水体，称洪水坡的波体，波体轮廓线上最高点相对于原有水面的高度称洪水波的波峰BD，波体与原有水面交界的水流方向的长度，称洪水波的波长AC。,无旁侧汇流时，洪水波主要表现为推移运动和洪水波展开与扭曲变形，如图5-2。洪水波总是以一定速度不断地向下游河段推移运动，推移中波长不断增大A1C1A2C2，波峰减小B1D1-B2D2这种为形称洪水波展开。在推移过程中，波峰的前部逐渐减小，波峰位置不断超前，而波峰的后部长度逐渐拉开，这种现象称洪水波的扭曲。,二、河水的环流运动 ： 由 纵 坡 降 以 外 的 其 他 因 素 促 成 环流运动：环绕一定的旋转轴往复进行的水流运动。环流称副流或次生流，主要影响泥沙运动和河床演变， 是 引 起 横 向 输 沙 的 主 要 动 力。 1水平轴环流： 水平轴环流：旋转轴呈水平状的环流。图5-3 图5-3(a)为河道弯段上由离心力产生横坡降引起的横向环流。凹岸水面高于凸岸，表流流向凹岸，底流流向凸岸，凹冲凸淤。 图5-3(b)由心滩形成的横坡降引起的横向环流。表流由心滩流向两岸，底流由两岸流向心滩，造成两岸冲刷，心滩淤积。,图5-3(c)河底有横向沙脊或横向石滩时形成的双向环流。与(b)图(由于心滩大，且又有弯道，而沙脊纵向短)的情况正好相反，水流经过沙脊或石滩时，由于中部流速大，受到的壅水作用强，因而河心水面隆起，两岸之间相对下降，形成从河心向两岸下倾的横坡降，这时双向环流的底流从河心流向两岸。如河底泥沙的可动性很大，则河心被冲刷，两岸则淤高。 横坡降引起的横向环流是河床冲刷和淤积的主要原因之一。以上旋转轴基本与纵向主流平行。 图5-3(d)，(e)两种水平轴环流的旋转轴与纵向主流相垂直，这种环流一般为相对封闭的回旋流，其形成原因各不相同。(d)环流由于前进流受阻形成，(e)环流是水流的离解作用形成。,2竖直轴环流 竖直轴环充的旋轴与主流及河底都垂直，它是相对封闭的回旋流。主要由水流的离解作用产生的。如图5-4，5-5。,三、紊流：泥 沙 悬 浮 的 主 要 动 力 形成：河道周壁由不同粒径的泥沙组成且具一定的粗糙度，河道中水流雷诺数很大而形成紊流(且具速度梯度)。 特点： 脉动：指水流中任一质点的流速和压力随时间呈不规则的变化。(绕一个平均值上、下波动) 扩散：指紊乱的运动过程伴随着水流的能量及质量传递。,第二节 泥沙运动,河 流 泥 沙： 河 流 中 运 动 的 以 及 组 成 河 床 的 泥 沙， 所 有 在 河 流 中 运 动 及 静 止 的 粗 细 泥 沙 、 大 小 石 砾 都 称 为 河 流 泥 沙。 固 体 径 流： 随 水 流 运 动 的 泥 沙， 是 重 要 的 水 文 现 象 之 一。 影 响 河 流 泥 沙 的 主 要 因 素：1） 降 雨；2） 流 域 的 下 垫 面（ 地 形、 植 被 及 土 壤 特 性 等）,一、泥沙的分类 床沙：河床表面静止的泥沙，其颗粒较大(推移质) 推移质：在水流作用下，沿河底滚动，滑动或跳跃前进的泥沙，称推移度(也称底沙)。 特点：颗粒d较粗，占河总沙量的5。但对河床演变起重要作用。 悬移质(悬沙)：悬浮于水中随水流前进的泥沙称悬移质。 特点：粒径较细，在冲积平原江河中，占总 沙量的90。 联系和区别：同一泥沙在较缓水流作用下，也可表现为推移质；在较强水流作用下，也可表现为悬移质。推移质与床沙也可处于不断交替之中。,二、推移质运动 对于推移质运动，与取水工程最为密切的问题是泥沙的起动和沙波运动。 1泥沙的起动 泥沙运动的受力分析： 正面推力：水流经过河床面泥沙中的某一颗沙粒而受阻在附近发生绕流，在沙粒的迎水面形成的正压水的水流推力，在其背水面则由于绕流导致水流分离形成负压。迎水面的正压力和背水面的负压力合成纵向水流对沙粒的正面推力。 上举力：流过河床上沙粒上方和下方的水流存在速度梯度，颗粒下方流速小，压力大，上方向流速大，压力小，因而产生一向上的压力差Py，即产生使泥沙向上的上举力。 脉动压力：紊流的水流中存在着脉动压力如图a中小箭头。对泥沙只起摇撼作用，往往忽略。,重力G 摩擦力：沙粒滑动时，颗粒与河床间存在摩擦力，其大小与摩擦系数有关。 粘结力N：水中沙粒的表面被一层水膜包围，当颗粒相互接触时，产生便颗粒连结在一起的粘结力。大小与泥沙颗粒的性质、粘径、水深等有关。泥沙dN dN。 上述中1、2、3种是促使沙粒起动的力，4、5、6种是抵抗沙粒起动的力。以0点为瞬时转动中心，Px、Py构成起动力矩，G、N构成抵抗力矩。,泥沙颗粒的起动条件(即开始运动的水力条件) 起动流速：在一定的水流作用下，静止的泥沙，开始由静止状态转变为运动状态，叫做“起动”。这时的水流速度称为起动流速。,当计算取水构筑物周围河床的局部冲涮深度，需要知道泥沙的起动流速时，可根据河床泥沙平均粒径和水深，用(5-2a)进行计算，该式适用d=0.1 mm，水深h=0.217m，流速为0.1 m/s。,止动流速：使运动着的泥沙回到河床上静止不动的垂线平均流速称泥沙的止动流速(即水平平均流速)。 因止动流速不需克服重力、河床的V摩擦力及粘结力，固一般Vc=1.21.4 VH,2泥沙的推移运动沙波运动 沙波运动冲积河流推移质的运动达到一定程度时，河床表面便逐渐形成与风成沙丘形状类似的水下沙波，称沙波运动。沙波运动是推移质的主要运动形式，是构成河床地形的基本单位。 特点： 沙波表面的水流速度分布不均，迎水面逐渐增大至波峰处最大；过峰后由于离解现象使背水面形成环流。波谷流速最小。 迎水坡面的泥少被推移的数量，坡面冲刷，冲下的泥沙越过波峰后，较粗的跌入波谷，较细的在环流作用下落到下一个沙波的迎水坡。 沙粒不断地从上坡冲走，在下坡堆积，形成沙波的推移运动。如移至取水构筑物附近，则有可能有大量泥沙堵塞取水构筑物，影响取水安全。,3推移质输沙率 推移质输沙率：是指单位时间内通过过水断面的推移质数量，kg/s,m3/s。 上游的推移质泥沙量超过本段的输沙率，就发生淤积，反之则发生冲刷。 确定输沙率方法： 用采样器现场实测。不完善、效率低、稳定性差。 采用输沙率公式计算：采用水力因素和泥沙因素建立。用水槽试验确定公式中系数。,三、悬移质运动 对于悬移质运动，与取水最为密切的问题是含沙量沿水深分布和水流的挟沙能力。泥沙悬浮主要因素是紊动作用。 1悬移质分布 含沙量：单位体积河水内挟带泥沙的重量称含沙量。 由于江河中各处水流脉动强度不同，河中含沙量的分布不均匀。近河床底部大，近水面少。泥沙的粒径靠河底粗，近水面细。 泥沙在水流横断面上的分布亦不均匀。一般泥沙沿断面横向分布比沿水深的变化为小，在横向分布上，河心的含沙量略高于两侧。,2水流的挟沙能力 挟沙能力：单位水体积的饱和含沙量，称为水流挟沙能力。单位kg/m3。 水流条件一定，挟沙能力一定，水流条件改变，挟沙能力也随着改变。 处于输沙平衡状态(上游来沙量与本段水流挟沙能力相适应)时，河床既不冲刷，也不淤积。相反则冲刷淤积。 水流挟沙能力的影响因素有流速、水深或水力半径及泥沙粒径。不同河流，可采用不同的经验公式计算挟沙能力。,3悬移质的输沙率：单位时间内通过断面的悬移质泥沙量kg/m3,四、河流年输沙量估算 年输沙量：一年内通过河流断面的泥沙总量。推移质量+悬移质量,3设计年输沙量的推算(在水文计算中介绍) 同推求设计年径流量的方法相同，悬移质设计年输沙量也采用频率计算法。 首先确定悬移质多年平均年输沙量，年输沙量的变差系数 Cvs和偏差系数Css。 由 、Cvs、Css三个统计参数按P-型曲线绘制悬移质年输沙量的理论频率曲线。 依设计频率确定设计年输沙量，设计丰沙年一般采用P=5%20%，枯沙年则采用P=80%95 参数确定,第三节 河床演变 河床演变：任何一条江河，其河床形态都在不断地发生变化，只是有的河段变形显著，有的河段变形缓慢或者暂时趋于相对稳定状态。这种河床形态的变化，称河床演变。河床演变是水流与河床相互作用的结果，河床影响水流条件，水流促进使河床变化。水流与河床的相互作用是通过泥沙运动来实现的。 一、河床演变的一般现象 1.纵向变形 纵向变形是河床沿深度方向的变化。表现为河床纵剖面和横剖面上的冲淤变化。是由于水流纵向输沙不平衡所引起。纵向输沙不平衡是由来沙量随时间变化和沿程的变化，河流比降和河谷宽度的沿线变化及拦河坝等的兴建的造成。,2.横向变形 横向变形是河床与流向垂直的两侧方向上的变形。表现为河岸的冲刷和淤积，使河床平面位置发生摆动。河流横向变化是由横向输沙不平衡引起的。造成横向输沙不平衡主要是由于环流。最常见的是弯曲河段的横向环流。另水流绕过河道中各种障碍物时(沙滩)也能形成环流。 3.单向变形 指在长时间内河流床缓慢地朝一个方向冲刷或淤积不出现冲淤交替。 4.往复变形 指河道周期性往复发展的演变现象。如洪期冲刷枯期淤积，冲淤交替。,二、河床演变的基本原因和影响因素 影响河床演变的主要因素 1.河段的来水量及其变化，见图5-7 来水量变化使水力条件改变，影响水流的挟沙能力。,2.河段的来沙量来沙组成及其变化 来沙量大，泥沙组成粗，则河床淤积，来沙量少，泥沙组成细，则河床冲刷。 3.河段的水面比降 水面比降影响水流挟沙能力。水面比降小，则将减少河床的冲刷或使河床发生淤积，水面比降增大，则将减少河床的淤积或使河床发生冲刷。,4.河床地质情况 河床地质情况不同，河床抵抗冲刷的能力也不同，疏松的土质河床容易冲刷变形，坚硬的岩石河床甚难冲刷，不易变形。 另外，水土保持和水工建筑物的修建也会影响河床的冲淤变形。 三、平原河流的河床演变 在横向环流与纵向主流作用下，河流水流实际上呈螺旋形前进。冲击平原河流，按其平面形态和演变特点的不同，可分成四种类型的河段。,1.顺直微弯河段 这类河段的河床比较顺直或略有弯曲，河岸的可动性小于河床的可动性。 这类河段多位于比较狭窄顺直的河谷中， 由于沙波在运动过程中，受到河岸的阻碍，形成沙嘴，沙嘴处泥沙淤积，形成边滩，边滩约束水流，使对岸河流冲刷，形成深槽，河床便呈现出边滩与深槽犬牙交错的形状。如图5-8 顺直(微弯)型河段的演变表现为纵向变形和横向变形。当水流越过边滩时，边滩上游面受到冲刷，冲下来的泥沙沉积于边滩的下游面，于是边滩向下游移动，深槽也随之下移。结果使原来的深槽处变成浅滩，原来的浅滩处变成深槽。在这类河段上设置取水构筑物时，应首先估计上游边滩下移的趋势和速度采取相应的措施，避免边滩日后下移时堵塞构筑物。,2.弯曲河段 这类河段的河床蜿蜒曲折，河岸可动性大于河床可动性，因此在两岸发展河弯弯形。 当沙波运动使河床出现犬牙交错的边滩时，由于河岸的可动性大，河床可动性小，河岸冲刷发展较快，边滩下移较慢，因此河床将继续弯曲，形成河弯如图5-9 水流进入河湾后，由于离心力的作用，水面产生横比降，形成横向环流。在横向环流作用下，凹岸不断冲刷，凸岸不断淤积；使河弯更加弯曲，逐渐发展成为河套。当两个弯道相距很近时，一旦遇上洪水，则水流可能冲塌河岸，使两弯道连接起来，形成直段，称为裁弯取直。裁弯后的河床，比降增大，水流对河床的冲、淤作用又加剧，又将发展新的河湾。因此，弯曲河段就以弯曲裁弯弯曲的过程作周期性演变，使河床平面位置不断发生移动。为此，在弯曲河段设置取水构筑物时，应注意到河湾下移，及裁弯取直的可能性。,3.游荡型河段 当河岸和河底的可动性很大时(河床地质组成的可动性)。河床演变会导致游荡型河段的形成，如图5-12,特点：水流湍急，河身宽浅，沙滩较多，汊道交错，河床变化迅速，主流游荡不定。 形成条件：是河床的泥沙淤积作用。而决定河