平原冲积河流一般特性、河床演变分类和影响因素.ppt

1 第8章河床演变基本原理 河道演变的含义 1 河道演变是指自然情况下及修建整治建筑物后河床发生的冲淤变化过程 2 河道的变化是水流与河床相互作用的结果 而水流与河床的相互作用是通过泥沙运动实现的 2 平原河流流经地势平坦 土质疏松的平原地区 由于水流对泥沙的搬运堆积作用 形成深厚的冲积层 冲积层可达数十或数百米厚 冲积层自下而上有明显的分选特征 夹沙卵石 粗沙 中沙 细沙 平原河流的河谷 8 1 1河床形态 8 1平原河流的一般特性 图8 1 3 通常所说的河槽指中水河槽 中水河槽比较宽浅 枯水期常用边滩 心滩出露 断面宽深比一般在100以上 平原河流的河谷 8 1 1河床形态 8 1平原河流的一般特性 图8 1 4 有顺直 弯曲 分汊 散乱四种典型平面形态 平面形态 8 1 1河床形态 5 顺直河段过渡段多为抛物线形 弯曲河段多为不对称三角形 分汊河段中则为马鞍形 W形 游荡型河段则为多汊形 宽浅不规则形 横断面形态 8 1 1河床形态 6 纵剖面形态 平原河流纵剖面与山区河流不同 因系沙质河床 纵剖面不可能有明显的台阶状变化 但同样是深槽浅滩交替 所以河床纵剖面是有起伏的平缓曲线 其平均纵比降比较小 8 1 1河床形态 7 河道节点 是指那些抗冲性较强 依岸形成的对河势变化起节制作用的特殊边界条件 河流上存在着许多天然和人工节点 这些节点对河道演变起控制作用 河道节点的概念 8 1 1河床形态 节点处河床窄深 水流集中 节点间河岸容易冲刷 河床宽浅 水流分散 8 河势 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 心滩 江心洲河漫滩 及水面现象 是有关形态要素的总称 有时也指河道的基本流势 或称基本流路 河势的概念 8 1 1河床形态 9 河漫滩起着调节洪水 削减洪峰 储存泥沙并通过滩槽水流交换 影响河槽冲淤等作用 河漫滩作用 河漫滩为靠近主槽 中水河槽 洪水时淹没 中水时出露的滩地 它由泥沙落淤而成 组成物质较为松散 平原河流一般都有广阔的河漫滩 1 河漫滩 8 1 1河床形态 10 2 成型堆积体 冲积平原河流的主槽中 由于水流和河床的相互作用 分布着各种形式的大尺度沙丘 这些大的沙丘统称为成型淤积体 1 边滩 2 江心洲 3 江心滩 4 沙嘴 5 浅滩 6 深槽 8 1 1河床形态 11 4 非均匀性 3 不恒定性 2 三维性 1 二相流性质 1 河道水流的基本性质 8 1 2河道水流的一般特性 水 泥沙 河道水流的三维性与过水断面的宽深比关联 宽深比愈小 三维性愈强 来水来沙情况随时空变化 河道水流的边界也随时空变化 12 1 流型 2 河道水流的水流结构 8 1 2河道水流的一般特性 阻力平方区 沿程水头损失系数 只与相对光滑度有关 沿程水头损失hf与流速的平方成正比 0与流速的平方成正比 13 2 主流与副流 2 河道水流的水流结构 8 1 2河道水流的一般特性 主流是由重力产生的沿河槽纵比降方向的流动 副流是由于纵比降以外的因素产生的 水流内部的一种大尺度的旋转运动 其流线大多是封闭的曲线 往往又称环流 产生副流的力可以是重力 也可以是其他的内力或外力 主流方向为纵向 副流具有不同的轴向 副流有时在主流的边缘上流动 有时则与主流叠加在一起 使整个水流呈螺旋式前进 又称螺旋流 横向输沙是由横向环流造成的 环流与水流中的紊动漩涡的区别是尺度大 位置和影响范围较固定 14 由于表层水流流速大于底部水流流速 因而表层水流所受到的离心力远大于底部水流所受到的离心力 3 环流的类型 2 河道水流的水流结构 8 1 2河道水流的一般特性 离心力产生的弯道环流 表层水流因离心力作用流向凹岸 由于水流连续原理 底部水流虽然也受到离心力作用 但受到的离心力小于表层水流 所以只能从凹岸流向凸岸 这样从横断面上看 就形成了表层水流从凸岸流向凹岸 底部水流从凹岸流向凸岸的环流 必须指出的是 不能认为只有弯道才能因离心力产生环流 正确的认识是 凡是水流弯曲的部位都会产生环流 15 这种力沿水深的分布也是不均匀的 从而引起水流的横向流动 其表流在北半球永远指向河流的右岸 3 环流的类型 2 河道水流的水流结构 8 1 2河道水流的一般特性 地球自转偏力 柯氏力 产生的环流 简称偏力流 在北半球 柯氏力指向运动方向的右方 在北半球 河流的右岸比左岸被冲刷得厉害 正是这种力的作用结果 地球上任何运动的物体 都要受到柯氏力的作用 16 河道纵剖面和横断面突然变化所产生的副流就是由摩擦力所引起的 3 环流的类型 2 河道水流的水流结构 8 1 2河道水流的一般特性 摩擦力产生的环流 摩擦力副流 在分离面上将产生摩擦力 在这个力的作用下形成摩擦力副流 当水流发生局部变形 会产生水流的分离现象 17 3 环流的类型 2 河道水流的水流结构 8 1 2河道水流的一般特性 含沙量或含盐度引起的副流 异重流 在河流中 对泥沙运动和河床演变影响较大的副流主要是离心力副流 摩擦力副流和异重流 由于水流中含沙量或含盐度分布不均匀 引起水流中不同地区的重率差异 水流会从重率大的地方流向重率低的地方 也称为异重流 18 4 河道水流的流速分布 2 河道水流的水流结构 8 1 2河道水流的一般特性 河道水流具有三维性 不恒定性 不均匀性 通常用经验方法研究河道水流流速分布 不能直接应用水力学所掌握的二维恒定均匀流流速分布公式来描述 对于非常宽浅 水深沿河宽变化较小的平原河流 可近似用二维均匀流流速分布公式来描述河道水流的流速分布 19 8 1 3平原冲积河流的河型分类 1平原河流根据其平面形态和演变过程又可分为四种类型 顺直型或边滩平移型 分汊型或交替消长型 散乱型或游荡型 弯曲型或蜿蜒型 20 8 1 3平原冲积河流的河型分类 顺直型或边滩平移型主要特点 顺直型或边滩平移型 中水河槽顺直微弯 边滩呈犬牙交错分布 并在洪水期向下游移动 形态特征 演变特征 2不同河型的特点 21 8 1 3平原冲积河流的河型分类 弯曲型或蜿蜒型主要特点 弯曲型或蜿蜒型 中水河槽具有弯曲外形 深槽紧靠凹岸 边滩依附凸岸 约束弯道 河身在无约束条件下向下游蜿蜒蛇行 凹岸冲蚀 凸岸淤长 自由弯道 平面形态基本保持不变 形态特征 演变特征 2不同河型的特点 22 8 1 3平原冲积河流的河型分类 分汊型或交替消长型主要特点 分汊型或交替消长型 中水河槽分汊 一般为双汊 也有多汊的 各汊周期性地交替消长 形态特征 演变特征 2不同河型的特点 23 8 1 3平原冲积河流的河型分类 散乱型或游荡型 散乱型或游荡型主要特点 沙滩密布 汊道纵横 变化迅速 出没无常 形态特征 演变特征 2不同河型的特点 24 8 1 3平原冲积河流的河型分类 3成型堆积体分布 顺直型或边滩平移型 弯曲型或蜿蜒型 边滩呈犬牙交错分布在河道两岸 边滩依附凸岸 25 8 1 3平原冲积河流的河型分类 3成型堆积体分布 分汊型或交替消长型 散乱型或游荡型 江心洲 心滩稳定 成型 江心洲密布 不稳定 极易迁徙 26 8 1 3平原冲积河流的河型分类 上述四种河型 习惯上称为 顺直型 蜿蜒型 分汊型及游荡型 27 短期变形是相对于长期变形而言的 长期变形是指工程规划设计必须考虑的数十年以至数百年内的河床变形 按河床演变的时间特征 长期变形 短期变形 8 2 1长期变形和短期变形 8 2河床演变分类 28 指河床有规律的冲淤交替 即在一定时期内河床处于冲刷发展状态 此后一段时期内 河床则处于淤积发展状态 如此周期性的往复 复归性变形 周期性往复变形 是指河道在相当长的时间内只是单一地朝着某一方向发展的演变现象 单向变形 从河床演变的发展过程 及河床演变的方向性 8 2 2单向变形和复归性变形 8 2河床演变分类 29 是河道在较长河段普遍的冲刷或淤积的现象 又称长河段变形 大范围变形 按河床演变的空间特征 是在较短范围内局部河床的冲淤变化 8 2 3整体变形和局部变形 8 2河床演变分类 整体 长距离 变形 局部 短距离 变形 30 长江中游某河段深泓线纵剖面的变化 指河道沿流程所发生的变形 即河床纵剖面的冲淤变化 如河床的下切 抬升等 从河床演变的表现形式上 8 2河床演变分类 纵向变形 8 2 4纵向变形和横向变形 31 长江中游某河段横断面的变化 指河床沿着与水流垂直方向发生的变形 如河湾的发展 弯道凹岸冲刷 凸岸淤积 汊道的兴衰等 横向变形 从河床演变的表现形式上 8 2 4纵向变形和横向变形 8 2河床演变分类 32 按是否受人类干扰 自然变形 受人类干扰变形 8 2 5自然变形和人为干扰变形 8 2河床演变分类 上述河床演变分类 是为了从不同侧面描述同一事物 把握其物理机制 而实际河流的河床演变现象往往是错综复杂 难以分离的 33 河段出口处的侵蚀基点 河段上游的来沙量 来沙组成及其变化过程 河段上游的来水量及其变化过程 8 3影响河床演变的主要因素 8 3 1影响河床演变的主要因素 1 进口条件 上游河道与本河段进口的衔接方式 2 出口条件 泛指河流所在地区的地理 地质条件 包括河谷比降 河谷宽度 河底及河岸组成以及河道几何形态 3 河床周界条件 34 指能控制出口水面高程的各种水面 如河面 湖面 海面等 也可以是能限制河流向纵深方向发展的抗冲岩层的相应水面 8 3影响河床演变的主要因素 8 3 1影响河床演变的主要因素 侵蚀基点的概念 在此点之上的河床高程并不是不可能侵蚀到低于此点的高程 而是侵蚀基点以上的河道水面线和床面线都要受到此点高程的制约 35 8 3影响河床演变的主要因素 8 3 2影响河床演变主要因素之间的关系 1 河道的来水来沙条件是最主要的 另外两个因素是从属条件 但出口侵蚀基准点或河床周界条件有时也可能成为河床演变的主要因素 2 三个因素不是相互独立的 而是相互联系和相互影响的 2 三个因素随时空发生变化 36 反之 若某一河段 来沙量与水流的挟沙能力相适应 即来沙量与水流挟沙力相等或接近 则水流处于输沙平衡状态 河床河床既不冲刷也不淤积 所谓输沙不平衡是指 对于某一河段 如果来沙量与水流的挟沙能力不相适应 即来沙量大于或小于水流的挟沙力 则水流处于输沙不平衡状态 河床将会发生冲淤变化 1 输沙不平衡是产生河床演变的根本原因 8 3影响河床演变的主要因素 8 3 3引起河床演变的根本原因 37 输沙平衡是相对的 暂时的 而输沙不平衡则是绝对的 输沙不平衡引起的河床变形具有绝对性 另一方面 即使上游来水来沙条件不变 河床