河床演变学-第二章

第一节弯曲河流形态特征第二节弯道水流运动特性第三节弯曲性河流的泥沙运动第四节弯曲性河流的演变规律,第八章弯曲性河流的河床演变,第一节弯曲河流形态特征,弯曲性河流是冲积平原河流中最常见的一种河型；著名的弯曲性河流：我国渭河、汉江下游长江下荆江河段有“九曲回肠”之称世界上河流以弯曲性河流居多（分汊性流次之，游荡型河流较少，顺直型河流最少）。弯曲河流是一种最稳定的河流,一、形态要素,弯曲性河流由一系列弯道和与之相联结的直段所组成。,第一节弯曲河流形态特征,河道具有一定曲率部分,连接上、下两弯道段的直线部分,一、形态要素,第一节弯曲河流形态特征,弯道中心角（）-弯道段自进口至出口所包含的中心角,曲率半径（R）-弯道中心线的半径,河宽（B）-过渡段断面水面宽度,摆幅-上、下反向外包线之间的垂直距离,弯距（或河弯跨度）Lm-相邻同侧弯道顶点间的距离,曲折率，-上下两过渡段中点间河道中心线长度L与直线距离l之比,1.5称弯曲性河流,J直,枯水时过渡段内浅滩阻水壅水，从而使弯道段至过渡段比降较小，过渡段至弯道段比降较大洪水时，边滩阻水，进口段水位抬高，弯道段比降增大，过渡段比降较小。,第二节弯道水流运动特性,二、弯道环流,水流经过弯道作曲线运动时，产生指向外法线方向的离心力，水流为了平衡这个离心力，就必然使凹岸水位抬高，凸岸水位降低。（两种质量力作用下，水面力图与外合力方向相垂直）即凹岸水位大于凸岸，尤以弯顶附近显著，形成水面横比降。,第二节弯道水流运动特性,二、弯道环流,水面横比降与超高,1、通过外力平衡方程求解横比降Jy,取长、宽各为1单位的水柱分析,水柱沿横向受力为,水压力,离心力,摩阻力,因水柱底面积很小而忽略不计,第二节弯道水流运动特性,二、弯道环流,水面横比降与超高,y方向的力平衡方程为,即,第二节弯道水流运动特性,二、弯道环流,水面横比降与超高,2、超高左右岸的最大水位差,由横比降公式积分而得,第二节弯道水流运动特性,二、弯道环流,水面横比降与超高,2、超高,若视垂线平均流速等于断面平均流速,第二节弯道水流运动特性,二、弯道环流,荆江：水面横比降数值有时可以很大，荆江来家铺河弯最大横比降达0.5710-4，与当地纵比降属同一数量级。一般地,JJy黄河（23）10-4（11.5）10-4长江（0.20.5）10-4（0.10.25）10-4,第二节弯道水流运动特性,二、弯道环流,形成原因,弯道横向环流形成的力学原因取微小单位水体来分析,离心力向凹岸：单位水体的纵向流速Ux自水面向下逐渐减小，故单位水体所受离心力，从水面向下减小。压力差指向凸岸：水面横比降产生的同一单位水体的向心分力即压力差P2-P1自水面向河底均匀分布。,第二节弯道水流运动特性,二、弯道环流,形成原因,离心力与压力差的合力在表层指向凹岸，在底层指向凸岸。从而在合力作用下，表层水流流向凹岸，底层水流流向凸岸。由于水流连续性，凹岸一侧水流插向河底，凸岸一侧水流上升，于是形成横断面上的投影为一封闭的循环流动，即横向环流。,第二节弯道水流运动特性,二、弯道环流,横向水流Uy计算公式,取一微小六面体dxdydz来观察，外力有：压力摩阻力离心力,横向动力平衡方程为,第二节弯道水流运动特性,二、弯道环流,横向水流Uy计算公式,横向动力平衡方程为,二维弯道环流运动方程,第二节弯道水流运动特性,二、弯道环流,罗卓夫斯基,代入,假定横向动量交换系数等于纵向动量交换系数,第二节弯道水流运动特性,二、弯道环流,对某一预定的相对水深，已知谢才系数C，则横向流速Uy与水深h、垂线平均流速V成正比，与弯道曲率半径R成反比。,当C50时，公式可简化为,通过数值积分绘制成表或曲线,第二节弯道水流运动特性,二、弯道环流,弯道环流强度与旋度,绝对环流强度,Uy,相对环流强度,环流旋度,取K=0.4,查曲线得,近底环流强度大于近水面，因此底部环流对泥沙的作用要强于表层环流。近底环流旋度强于表层，更甚于环流强度。,第三节弯曲性河流的泥沙运动,一、悬移质横向输沙,弯道环流,横向输沙不平衡,第三节弯曲性河流的泥沙运动,一、悬移质横向输沙,凹岸冲刷,凹岸深槽,凸岸淤积,凸岸浅滩,弯道环流作用,第三节弯曲性河流的泥沙运动,垂线各点环流旋度不同，中间某点Uy=0，,该点以下越近河底，横向流速Uy越大，而纵向流速Ux越小，因而旋度较大。结果将使Uy=0以下越近河底的泥沙到达凸岸的位置越靠上游。因泥沙粒径上细下粗，故凸岸淤积的泥沙靠上游部分粒径较粗，靠下游部分粒径较细。,二、悬移质粒径及含沙量分布,二、悬移质粒径及含沙量分布,第三节弯曲性河流的泥沙运动,由于凹岸接受上层水体，其流速较大而含沙量少，悬移质粒径细，故悬浮指标较小;凸岸恰好相反，故悬移质含沙浓度垂线分布为凹岸比凸岸均匀的多。横断面上流速峰值靠近凹岸，含沙量和粒径峰值靠近凸岸。,二、悬移质粒径及含沙量分布,第三节弯曲性河流的泥沙运动,自凹岸向凸岸，,排序，,弯曲河流所特有的分布规律为：,流速为什么不是最大？,第三节弯曲性河流的泥沙运动,三、水流挟沙力,洪水期水流挟沙力大于枯水期洪水期，弯顶附近水流挟沙力比其他部位尤其比过渡段大，枯水期，过渡段水流挟沙力最大，弯顶最小弯道挟沙力大于直道,第三节弯曲性河流的泥沙运动,四、推移质运动,当弯道曲率半径小，横向环流强，底部螺旋流旋度大时，离开凹岸的推移质可被带到本弯道的凸岸淤积。否则，大部分推移质将被带到下游过渡段，并为下一弯道环流带到下一弯道凸岸淤积。,凹岸向凸岸运动。,第四节弯曲性河流的演变规律,一、凹岸崩退，凸岸淤长,弯曲性河流长期存在和不断发展的根本原因：河床自动调整作用，使纵向输沙不平衡引起的河床变形朝停止方向发展。而横向输沙不平衡所导致的河床横向变形（凹冲凸淤）并非朝停止方向发展，而是始终存在。,弯道段的横向输沙不平衡：凹冲凸淤，河床发生横向变形纵向输沙基本平衡：凸岸的堆积和凹岸的冲刷在数量上应接近相等，宽深比基本保持不变,第四节弯曲性河流的演变规律,二、弯道的发展和消亡,凹岸崩退和凸岸淤长使弯道平面上发生位移，因主流抗冲点位于弯顶下游侧凹岸，及凹岸弯道下半部和凸岸弯道上半部为水流加速区。所以，凹岸崩退在下半部最严重，凸岸上半部冲刷而下半部淤积严重。其结果将使的整个河弯向下游蠕动。河弯也越来越趋于弯曲。,第四节弯曲性河流的演变规律,二、弯道的发展和消亡,自然裁弯,撇弯和切滩,若河岸组成物质不均匀，或由于其他原因，相邻河弯向下游蠕动速度不同，以致同一岸相邻弯顶的间距逐渐缩短，形成几乎封闭的河环。河环的终点和起点的距离很近称狭颈。狭颈两端水位高差很大，一遇漫滩水流，即可能冲开而发展成新河。,（1）当凹岸土质很不均匀，河弯发展受到限制，形成曲率较大的锐弯时，往往在凹岸出现撇弯现象，主流改趋凸岸。凹岸逐渐淤积，而凸岸边滩则相应切削。（2）若遇连续数年小水，凹岸崩退较远，凸岸形成广阔而平坦的边滩却来不急相应上升，在这种锐弯低滩条件下，一遇较大洪水，主流容易切滩趋直，相应凹岸发生撇弯。,使河长缩短和曲率减小,第四节弯曲性河流的演变规律,三、弯道的纵向变形,弯道段深槽和过渡段浅滩在年内发生相互交替的冲淤变化。,枯水期过渡段浅滩冲刷弯道段深槽淤积洪水