第6章河道演變規(guī)律

1、.河流動力學河流動力學.河床演變的基本原理及分析方法河床演變的基本原理及分析方法河相關系及其理論河相關系及其理論蜿蜒型河道的演變規(guī)律蜿蜒型河道的演變規(guī)律分汊型河道的演變規(guī)律分汊型河道的演變規(guī)律游蕩型河道的演變規(guī)律游蕩型河道的演變規(guī)律第六章 河道演變規(guī)律.一、河道演變的概念一、河道演變的概念 河道演變河道演變 （fluvial processing)fluvial processing)：自然條件及人類活自然條件及人類活動影響下河床所發(fā)生的變化過程。動影響下河床所發(fā)生的變化過程。 廣義上廣義上: :從河源到河口流經(jīng)河谷的形成及發(fā)展的整從河源到河口流經(jīng)河谷的形成及發(fā)展的整個歷史過程。個歷史過程。

2、狹義上：狹義上：近代沖積河床的變化。近代沖積河床的變化。河床演變是水流、泥沙、河床相互作用的結果，以河床演變是水流、泥沙、河床相互作用的結果，以泥沙運動作為紐帶。泥沙運動作為紐帶。河床演變河床演變實質：實質： 泥沙的沖刷、搬運、沉積。泥沙的沖刷、搬運、沉積。根本原因根本原因：輸沙不平衡輸沙不平衡 第六章 河道演變規(guī)律6-1 河道演變的基本原理 演變基本概念.1 1、輸沙不平衡是產(chǎn)生河床演變的根本原因、輸沙不平衡是產(chǎn)生河床演變的根本原因；l 動床水沙兩相流的內在矛盾動床水沙兩相流的內在矛盾外部條件恒定、整個河道輸沙平衡，局部河段仍可能處于外部條件恒定、整個河道輸沙平衡，局部河段仍可能處于輸沙不平

3、衡狀態(tài)輸沙不平衡狀態(tài)沙波的存在，動床平直狀態(tài)的不穩(wěn)定性沙波的存在，動床平直狀態(tài)的不穩(wěn)定性輸沙不平衡的絕對性，河床演變的絕對性輸沙不平衡的絕對性，河床演變的絕對性l 外部條件的不恒定性外部條件的不恒定性產(chǎn)生不平衡的原因可能有：進口水沙條件；出口侵蝕基點產(chǎn)生不平衡的原因可能有：進口水沙條件；出口侵蝕基點（包括侵蝕基面和水流條件如潮汐）；河床周界條件如沙（包括侵蝕基面和水流條件如潮汐）；河床周界條件如沙波運動。波運動。2 2、河床具有自動調整作用、河床具有自動調整作用。調整方向是從輸沙不平衡向平衡的方向發(fā)展，通過改變河調整方向是從輸沙不平衡向平衡的方向發(fā)展，通過改變河寬、水深、比降、床沙組成使挾沙力

4、與來沙相適應。寬、水深、比降、床沙組成使挾沙力與來沙相適應。第六章 河道演變規(guī)律6-1 河道演變的基本原理和分析方法 演變基本概念.如上所述，河流內部矛盾的發(fā)展和外部條件的變化如上所述，河流內部矛盾的發(fā)展和外部條件的變化都可能使輸沙平衡遭到破壞，從而使河床變形。同都可能使輸沙平衡遭到破壞，從而使河床變形。同時河床又具有向平衡狀態(tài)進行自我調整的能力，使時河床又具有向平衡狀態(tài)進行自我調整的能力，使得河床演變得以持續(xù)進行。這就是河床演變的基本得河床演變得以持續(xù)進行。這就是河床演變的基本原理。原理。第六章 河道演變規(guī)律6-1 河道演變的基本原理 演變基本原理.第六章 河道演變規(guī)律6-1 河道演變的基本

5、原理 演變基本原理.流域中對河流過程中最重要的是影響因素就是氣候對實際工程有重要影響的泥沙輸運問題一般其時間尺度都限于百年以內。從而流域內的氣候、地形、植被、巖性可視為確定的自變量，河流沿程地質構造的升降運動可以忽略，侵蝕基準面（內陸湖泊水面，海平面）也可視為是穩(wěn)定的，河道形態(tài)（包括：流量、輸沙率、泥沙粒徑、河谷比降、岸壁阻力等）是因變量，它是由其它自變量決定的。第六章 河道演變規(guī)律6-1 河道演變的基本原理 演變基本原理.來水量及其變化過程來水量及其變化過程來沙量、來沙組成及其變化過程；來沙量、來沙組成及其變化過程；河段出口處的侵蝕基點高程，即河段的比降；河段出口處的侵蝕基點高程，即河段的比

6、降；河床周界條件，即河段所在區(qū)域的地貌條件。河床周界條件，即河段所在區(qū)域的地貌條件。第六章 河道演變規(guī)律6-1 河道演變的基本原理 演變基本原理.1、實測資料分析；河演分析實測資料分析；河演分析2 2、理論分析：運用泥沙運動基本理論及河床演變、理論分析：運用泥沙運動基本理論及河床演變基本原理；基本原理；3 3、模型試驗研究；河工模型或物理模型、模型試驗研究；河工模型或物理模型4 4、類比分析；、類比分析；5 5、數(shù)學模型計算；、數(shù)學模型計算；6 6、新技術的運用；、新技術的運用；第六章 河道演變規(guī)律6-2 河道演變的分析方法 .1 1、來水來沙資料分析；、來水來沙資料分析；來水來沙條件是影響河

7、床演變的主要因素。來水來沙的數(shù)量、過程及水沙組合，直接關系到河床演變的結果。因此，確定水、沙典型年往往是探求河床演變原因的重要途徑主要包括：主要包括：l來水來沙量及其過程，來沙級配。來水來沙量及其過程，來沙級配。l年內變化、多年周期性變化、典型水文年確定。年內變化、多年周期性變化、典型水文年確定。第六章 河道演變規(guī)律6-2 河道演變的分析方法 實測資料分析.第六章 河道演變規(guī)律6-2 河道演變的分析方法 實測資料分析.根據(jù)歷年水位、流量實測資料，可繪制同流量下根據(jù)歷年水位、流量實測資料，可繪制同流量下的水位過程線，分析河段年際沖淤變化。的水位過程線，分析河段年際沖淤變化。第六章 河道演變規(guī)律6

8、-2 河道演變的分析方法 實測資料分析.當河道上設有多處水文站并有歷年實測輸沙量資料時，可以根據(jù)輸沙平衡原理，計算某時段內上下水文站輸沙量之差，據(jù)此判斷該時段內河床的沖淤變化及其沖淤量。第六章 河道演變規(guī)律6-2 河道演變的分析方法 實測資料分析.當河段內有若干次實測大斷面成果時，則可進行河道斷面的沖淤計算： 1）每個斷面選擇一個定常的、比較高的控制高程作為斷面沖淤計算的基準面； 2）分別計算各斷面歷次實測控制基準面以下的斷面面積； 3）計算各斷面相鄰兩個測次的斷面面積之差，再根據(jù)上下相鄰兩個斷面的間距，計算其間的沖淤量； 4）根據(jù)計算所得沖淤量，繪制沿程沖淤變化圖。第六章 河道演變規(guī)律6-2

9、 河道演變的分析方法 實測資料分析.第六章 河道演變規(guī)律6-2 河道演變的分析方法 實測資料分析.1 1、來水來沙資料分析；、來水來沙資料分析；來水來沙量及其過程，來沙級配。年內變化、多年周期性來水來沙量及其過程，來沙級配。年內變化、多年周期性變化、典型水文年確定。變化、典型水文年確定。2 2、對水道地形觀測資料的整理分析、對水道地形觀測資料的整理分析河道平面變化；岸線變化，斷面變化，主流變化；通過收河道平面變化；岸線變化，斷面變化，主流變化；通過收集歷年河道地形及有關河道變遷資料，對地形圖集歷年河道地形及有關河道變遷資料，對地形圖套繪套繪。河道縱向變化及沖淤量估算：深泓線、動力軸線、河段沖河

10、道縱向變化及沖淤量估算：深泓線、動力軸線、河段沖淤量淤量利用水道地形圖可以分析河段的歷史演變、近期演變、預利用水道地形圖可以分析河段的歷史演變、近期演變、預估其發(fā)展趨勢。估其發(fā)展趨勢。3 3、對河床地質資料的整理分析、對河床地質資料的整理分析河床邊界條件：地質資料、地貌資料等。河床邊界條件：地質資料、地貌資料等。第六章 河道演變規(guī)律6-2 河道演變的分析方法 實測資料分析.一、均衡關系一、均衡關系能夠自由發(fā)展的沖積平原河流的河床，在水流的長能夠自由發(fā)展的沖積平原河流的河床，在水流的長期作用下，有可能形成與所在河段具體條件相適應期作用下，有可能形成與所在河段具體條件相適應的某種均衡的河床形態(tài)，在

11、這種的某種均衡的河床形態(tài)，在這種均衡狀態(tài)均衡狀態(tài)的有關因的有關因子（如水深、河寬、比降等）和表達子（如水深、河寬、比降等）和表達來水來沙條件來水來沙條件（如流量、含沙量、泥沙粒徑等）及（如流量、含沙量、泥沙粒徑等）及河床地質條件河床地質條件的特征物理量之間，常存在某種的特征物理量之間，常存在某種函數(shù)關系函數(shù)關系，這種函，這種函數(shù)關系數(shù)關系稱為河相關系或均衡關系稱為河相關系或均衡關系。 第六章 河道演變規(guī)律6-3 河相關系與造床流量.什么是沖積河道演變中的均衡狀態(tài)（相對穩(wěn)定狀態(tài)）（1）在數(shù)百年內（準衡時段）河道的主要幾何尺寸基本不變。（2）存在一各自動調整的負反饋機制，能夠消除對平衡狀態(tài)的偏離。

12、（3）萊茵（Lane）的完整性圖解：輸沙率Qs、來沙中值粒徑D50、流量Q和河道比降J 互動調整趨向于達到如下平衡：第六章 河道演變規(guī)律6-3 河相關系與造床流量 一、均衡狀態(tài).1 1) )、以河道形態(tài)隨時間的變化為依據(jù)以河道形態(tài)隨時間的變化為依據(jù) 在一定時間段內，如果流域來水來沙條件和邊岸抗沖性是穩(wěn)定不變的，則河流會在自動調整自身的空間形態(tài)，其寬度、比降和彎道形態(tài)在平均意義上維持一個相對穩(wěn)定的值。 第六章 河道演變規(guī)律6-3 河相關系與造床流量 一、均衡狀態(tài).縱向穩(wěn)定系數(shù)縱向穩(wěn)定系數(shù)河床在縱深方向的穩(wěn)定性主要決定于泥沙抗拒運幼的摩阻力與水流作用于泥沙的拖曳力的對比。這個比值可用希爾茲數(shù)的倒數(shù)

13、 來表達，比值越大，河床越穩(wěn)定。橫向穩(wěn)定系數(shù)橫向穩(wěn)定系數(shù)橫向穩(wěn)定與河岸穩(wěn)定密切相關。從問題的物理實質來看，決定河岸穩(wěn)定的因素主要是主流的頂沖地點及其走向和河岸土壤的抗沖能力。第六章 河道演變規(guī)律6-3 河相關系與造床流量 一、均衡狀態(tài).綜合穩(wěn)定系數(shù)綜合穩(wěn)定系數(shù) 由于河流是否穩(wěn)定，既決定于河床的縱向穩(wěn)定，也決定于河床的橫向穩(wěn)定，很自然地會聯(lián)想到將這兩個穩(wěn)定系數(shù)聯(lián)系在一起，構成一個綜合的穩(wěn)定系數(shù)。 缺點：需要長期觀測，可能不易識別缺點：需要長期觀測，可能不易識別第六章 河道演變規(guī)律6-3 河相關系與造床流量 一、均衡狀態(tài)22 . 05 . 02)()(11BJQhJDbh .2 2）、）、以河道內

14、泥沙的輸運過程為依據(jù)以河道內泥沙的輸運過程為依據(jù) 河道形態(tài)達到均衡的根本原因是水沙輸運過程達到了動態(tài)平衡。上游來水來沙恰好不沖不淤。 麥金(Mackin)(1948)提出的定義：“一條均衡河流是在經(jīng)過一定的年月以后，坡降經(jīng)過精致的調整，在特定的流量和斷面特征條件下，所達到的流速恰好使來自流域的泥沙能夠輸移下泄。均衡河流是一個處于平衡狀態(tài)的系統(tǒng)； 它的主要特點是控制變量中任一個變量的改變都會帶來平衡的位移，其移動的方向能夠吸收這種改變所造成的影響?！?不足不足：僅把河道比降作為關鍵變量，沒有考慮斷面型態(tài)（比如河寬）的調整。第六章 河道演變規(guī)律6-3 河相關系與造床流量 一、均衡狀態(tài).3 3）、）

15、、以河道的輸沙耗能效率為判據(jù)以河道的輸沙耗能效率為判據(jù) 對于恒定流量和恒定含沙量的情況，河道的最優(yōu)運行效率表現(xiàn)為在可能的范圍內使輸運這一來沙量所消耗的水流機械能最小，也就是通過自我調整、最后得到允許范圍內的最小河道比降。 不足不足：水流的機械能的消耗并不都用于輸運所挾帶的泥沙。第六章 河道演變規(guī)律6-3 河相關系與造床流量 一、均衡狀態(tài).上述各種均衡河流的定義中都存在一些不確定之上述各種均衡河流的定義中都存在一些不確定之處。實際中應用這些定義來檢驗一條河流是否處于處。實際中應用這些定義來檢驗一條河流是否處于平衡狀態(tài)時還有一定困難。平衡狀態(tài)時還有一定困難。由于河道形態(tài)不斷在斷面、平面、縱向上進行

16、三由于河道形態(tài)不斷在斷面、平面、縱向上進行三維的調整，來水來沙條件又逐日、逐月、逐年變化，維的調整，來水來沙條件又逐日、逐月、逐年變化，所以所以河流的均衡不可能是完善的、瞬時意義上的，河流的均衡不可能是完善的、瞬時意義上的，一般是只能在準衡時段內、在平均意義上實現(xiàn)一般是只能在準衡時段內、在平均意義上實現(xiàn)。第六章 河道演變規(guī)律6-3 河相關系與造床流量 一、均衡狀態(tài).盡管天然河流的均衡河道形態(tài)，是由隨機變化盡管天然河流的均衡河道形態(tài)，是由隨機變化的流量過程所塑造出的，但是從理論上說，還是的流量過程所塑造出的，但是從理論上說，還是可以可以通過在河道中恒定施放某個中等流量和相應通過在河道中恒定施放某

17、個中等流量和相應含沙量而塑造完全相同的均衡河道型態(tài)。含沙量而塑造完全相同的均衡河道型態(tài)。第六章 河道演變規(guī)律6-3 河相關系與造床流量 二、造床流量. 無論是河床的穩(wěn)定系數(shù)，還是河相關系，都要無論是河床的穩(wěn)定系數(shù)，還是河相關系，都要使用單一的所謂使用單一的所謂造床流量造床流量作為特征流量。作為特征流量。造床流量造床流量造床作用與多年流量過程的綜合作用造床作用與多年流量過程的綜合作用相當?shù)哪骋环N流量。相當?shù)哪骋环N流量。l不等于最大洪水流量，（流量大，但歷時短）l不等于枯水流量，（歷時長，但流量小）l造床流量應該是一個較大但又并非最大的洪水流量。 工程中常常依據(jù)造床流量來設計常年河流（有時也包括間

18、歇河流）的斷面和平面形態(tài)，如河寬、水深、彎道形態(tài)等。為此，需要對造床流量的大小進行定量計算。第六章 河道演變規(guī)律6-3 河相關系與造床流量 二、造床流量.確定造床流量，目前理論上還不夠成熟，在實際工作中，一般多采用下述方法。（1 1）馬卡維也夫法）馬卡維也夫法（2 2）平灘水位法）平灘水位法（3 3）采用某一頻率或重現(xiàn)期的流量作為造床流量）采用某一頻率或重現(xiàn)期的流量作為造床流量（4 4）有效輸沙流量法）有效輸沙流量法第六章 河道演變規(guī)律6-3 河相關系與造床流量 二、造床流量.計算思路：計算思路： 造床能力不僅與流量有關，還與輸沙能力有關，造床能力不僅與流量有關，還與輸沙能力有關，同時與該流量

19、所經(jīng)歷的時間長短有關同時與該流量所經(jīng)歷的時間長短有關。 前者可認為與流量前者可認為與流量Q Q的的m m次方及比降次方及比降J J的乘積成正的乘積成正比，后者可用該流量出現(xiàn)的頻率比，后者可用該流量出現(xiàn)的頻率P P來表示。因此，來表示。因此，當當Q Qm mJPJP的乘積為最大時，其所對應的流量的造床作的乘積為最大時，其所對應的流量的造床作用也最大，這個流量就是所要求的造床流量。用也最大，這個流量就是所要求的造床流量。 第六章 河道演變規(guī)律6-3 河相關系與造床流量 二、造床流量.計算過程：計算過程： (1) 將歷年或典型年的將歷年或典型年的流量分級；流量分級； （2）確定各級流量出現(xiàn)）確定各級

20、流量出現(xiàn)的頻率；的頻率； （3）繪制河段的）繪制河段的QJ關關系；系； （4）計算每級流量的）計算每級流量的QmJP （5）繪制）繪制Q QmJP關系；關系； （6）從圖中查出）從圖中查出QmJP最大值的最大值的Q。第一造床流量第一造床流量第二造床流量第二造床流量.平灘水位（bankfull stage)和平灘流量(bankfull discharge)平灘水位指淹沒穩(wěn)定主槽、到達新生河漫灘表面的水位。平灘流量指水位達到平灘水位時的流量。第六章 河道演變規(guī)律6-3 河相關系與造床流量 二、造床流量.為什么選擇平灘流量作為造床流量？ 平灘前：水流只塑造主槽平灘前：水流只塑造主槽漫灘前，水流在主槽

21、中集中流動，流速大，挾沙力較強。第六章 河道演變規(guī)律6-3 河相關系與造床流量 二、造床流量.平灘后：灘地也受到塑造。平灘后：灘地也受到塑造。漫灘后，灘面上水深小、阻力大，流速降低十分顯著，泥沙大量落淤在灘地上，其中靠近主槽的部位淤積較厚、淤積顆粒較粗，形成沿主槽的自然堤自然堤。第六章 河道演變規(guī)律6-3 河相關系與造床流量 二、造床流量.平灘流量標志一個轉折點平灘流量標志一個轉折點河道形態(tài)的演變并不是對所有的流量級都作出同樣的反應，只有當流量達到某一個特征值時才會有明顯的形態(tài)變化，而平灘流量正好用了來作為這樣一個特征流量。第六章 河道演變規(guī)律6-3 河相關系與造床流量 二、造床流量.如果河流

22、具有比較規(guī)則的河槽斷面形狀，其平灘水位一般可以從水位-寬深比(B/H)關系曲線的最低點(或dB/dH的最大值)判斷得到，并進一步從水位-流量曲線求出平灘流量。第六章 河道演變規(guī)律6-3 河相關系與造床流量 二、造床流量.優(yōu)點：比較易于應用缺點：沒有一個普遍適用的方法來確定其準確值，需要綜合考慮造床過程和具體河段的形態(tài)特征進行判斷。不適用于沒有明顯中水河槽或主槽變動頻繁的河流。第六章 河道演變規(guī)律6-3 河相關系與造床流量 二、造床流量.一些分析表明，上述方法在不同河流上得到的平灘流量，其重現(xiàn)期大致相同（為1.2至1.5年），由于流量重現(xiàn)期的計算比較簡單可行，所以可以用某一頻率或重現(xiàn)期的流量代替

23、造床流量。缺點：平灘流量，其重現(xiàn)期具有較大的變化范圍（1年至50年），只有大約60%的實例中平灘流量重現(xiàn)期在1至2年之間。第六章 河道演變規(guī)律6-3 河相關系與造床流量 二、造床流量. 能夠自由發(fā)展的沖積平原河流的河床，在水流的長期作用下，有可能形成與所在河段具體條件相適應的某種均衡的河床形態(tài)，在這種均衡形態(tài)的有關因子(如水深、河寬、比降等)和表達來水來沙條件(如流量，含沙量、泥沙粒徑等)及河床地質條件(在沖積平原河流中其本身的部分甚至整體往往又是來水來沙條件的函數(shù))的特征物理量之間，常存在某種函數(shù)關系，這種函數(shù)關系稱為河相關系或均衡關系。（簡化定義）在河道均衡狀態(tài)下，在河道均衡狀態(tài)下，河道型

24、態(tài)河道型態(tài)（水（水深、河寬、比降等）與深、河寬、比降等）與來水來沙條件來水來沙條件（流量、含泥量、（流量、含泥量、泥沙粒徑）之間泥沙粒徑）之間某種定量因果關系某種定量因果關系，稱為河相關系。，稱為河相關系。第六章 河道演變規(guī)律6-3 河相關系與造床流量 三、河相關系.1 1）沿程河相關系）沿程河相關系相應于某一特征流量（如相應于某一特征流量（如造床流量）的河相關系。利用這樣的河相關系，對造床流量）的河相關系。利用這樣的河相關系，對某一斷面，只能確定唯一的河寬、水深及比降某一斷面，只能確定唯一的河寬、水深及比降。 適用于一個河段的不同斷面，同一河流的不同河適用于一個河段的不同斷面，同一河流的不同

25、河段，甚至不同河流。它只涉及斷面的宏現(xiàn)形態(tài)，而段，甚至不同河流。它只涉及斷面的宏現(xiàn)形態(tài)，而不涉及其細節(jié)不涉及其細節(jié)2 2）斷面河相關系）斷面河相關系同一斷面相應于不同流量同一斷面相應于不同流量的斷面形態(tài)的斷面形態(tài)。它能確定斷面形態(tài)隨流量變化的細節(jié)它能確定斷面形態(tài)隨流量變化的細節(jié)通常所說的河相關系常指沿程河相關系通常所說的河相關系常指沿程河相關系。第六章 河道演變規(guī)律6-3 河相關系與造床流量 三、河相關系.第六章 河道演變規(guī)律6-3 河相關系與造床流量 三、河相關系.1 1）均衡理論）均衡理論 早期的河相關系基本上是經(jīng)驗性質的。一般是通過選取比較穩(wěn)定或沖淤幅度不大，年內輸沙接近平衡的可以自由發(fā)

26、展的人工渠道和天然河道進行觀測。在形態(tài)因素與水力泥沙因素之間建立經(jīng)驗關系。 最早的這種經(jīng)驗關系式是由肯尼迪(R.G. Kennedy)在1895年提出的。他通過整理印度大量不沖不淤渠道資料，建立了平均流速U與平均水探h的經(jīng)驗公式。開拓了河床通過自動調整能在形態(tài)因素與水力泥沙因素之間建立經(jīng)驗關系的新途徑。 其后，沿著這一途徑進行探索，拉索（G.lacey）等人總結了一系列經(jīng)驗關系式，用以根據(jù)渠內各種設計流量和泥沙粒徑確定沖淤平衡渠道應有的斷面尺寸和比降。這些關系式后來統(tǒng)稱為“均衡理論”(regime theory).第六章 河道演變規(guī)律6-3 河相關系與造床流量 三、河相關系.第六章 河道演變規(guī)

27、律6-3 河相關系與造床流量 三、河相關系.第六章 河道演變規(guī)律6-3 河相關系與造床流量 三、河相關系.第六章 河道演變規(guī)律6-3 河相關系與造床流量 三、河相關系.第六章 河道演變規(guī)律6-3 河相關系與造床流量 三、河相關系.2 2）量綱分析法）量綱分析法 從河流形態(tài)依賴于河流所在地區(qū)的氣象、地形及地質構造的最一般的表達形式出發(fā)，（維利坎諾夫）經(jīng)過簡化的物理量造床流量Q，由河谷比降引起的沿水流方向的重力分量gJ，及參與河床變形的泥沙粒徑D50。依次分別代表上述三個因素、運用量綱分析法，得到河寬及水深的表達式： 第六章 河道演變規(guī)律6-3 河相關系與造床流量 三、河相關系.（2 2）量綱分析

28、法）量綱分析法 hDBmm1 hBD第六章 河道演變規(guī)律6-3 河相關系與造床流量 三、河相關系.3 3）河寬經(jīng)驗公式法）河寬經(jīng)驗公式法 第六章 河道演變規(guī)律6-3 河相關系與造床流量 三、河相關系.3 3）河寬經(jīng)驗公式法）河寬經(jīng)驗公式法 第六章 河道演變規(guī)律6-3 河相關系與造床流量 三、河相關系.3 3）河寬經(jīng)驗公式法）河寬經(jīng)驗公式法 第六章 河道演變規(guī)律6-3 河相關系與造床流量 三、河相關系.3 3）河寬經(jīng)驗公式法）河寬經(jīng)驗公式法 第六章 河道演變規(guī)律6-3 河相關系與造床流量 三、河相關系.3 3）河寬經(jīng)驗公式法）河寬經(jīng)驗公式法 第六章 河道演變規(guī)律6-3 河相關系與造床流量 三、河

29、相關系.4 4）其它理論方法）其它理論方法l臨界起動假說 這一假說的出發(fā)點是認為河道橫斷面濕周上各點的泥沙均處于臨界起動狀態(tài)，即邊界剪切力處處等于各處邊界組成物質的臨界起動剪切力，從而推導出關于B、h、J、U的河相關系式。 Parker河相關系給出的B、H、J變化規(guī)律與以往經(jīng)驗河相關系有所不同：在同一流量下，推移質輸運量的增大，將使坡降加陡，斷面變得更為寬淺。 第六章 河道演變規(guī)律6-3 河相關系與造床流量 三、河相關系.4 4）其它理論方法）其它理論方法l最小活動性假說 由竇國仁提出，這一假說認為，在給定的來水來沙和河床邊界條件下，不同的河床斷面具有不同的穩(wěn)定性或活動性，而河床在沖淤變化過程

30、中力求建立活動性最小的斷面形態(tài)。河床的這種變化趨勢，即稱為河床最小活動性假說。 考慮了來水條件(Q)、來沙條件(S)及河床邊界條件，比較全面地概括了流域因素對河床形態(tài)塑造的影響。但需要進一步從理論上闡明所作的假定，并用實測資料進行驗證。 第六章 河道演變規(guī)律6-3 河相關系與造床流量 三、河相關系.4 4）其它理論方法）其它理論方法 第六章 河道演變規(guī)律6-3 河相關系與造床流量 三、河相關系.一、河流的類型一、河流的類型根據(jù)河流所處地區(qū)、來水來沙、邊界條件等，將河流分為山區(qū)河流、平原河流和潮汐河流。1、山區(qū)河流一般特性1）、山區(qū)河流的水文泥沙特征山區(qū)河流所流經(jīng)的地區(qū)坡度大，徑流模數(shù)大，匯流時

31、間短。洪水猛漲陡落；流量水位變幅大，中水歷時短。2）、河流形態(tài)特征 平面上構造運動對水系格局及河流走向有重要影響，構造和巖性的沿程變化 造成河道平面寬窄相間，河中有河漫灘、心灘等泥沙堆積體，河道出口有沖積扇。第六章 河道演變規(guī)律6-4 沖積河流的河型.縱剖面：形態(tài)不規(guī)則，存在一系列的折點，比降陡峻，起伏變化大。橫斷面多呈V或U字型。山區(qū)河流一般呈緩慢下切，兩岸存在階地。山區(qū)河道水流流態(tài)十分紊亂險惡，常有回流、泡水、漩渦、水躍、剪刀水、橫流。3）、山區(qū)河流河床演變（1）卵石運動：卵石為主的邊灘、心灘在汛期淤積、枯期沖刷，年內基本平衡。（2）山區(qū)河流沿程有溪溝匯入，在溝口發(fā)育形成沖積扇。第六章 河

32、道演變規(guī)律6-4 沖積河流的河型.2、平原河流的河床演變平原河流的河床演變1）、水文特性 集水面積大，坡度緩，徑流系數(shù)小，因而匯流時間長，洪水持續(xù)時間長，流量、水位變幅小。 流態(tài)相對平順，沒有明顯的跌水、泡水、急漩、橫流等險惡流態(tài)。 懸沙以沙、粉沙和粘土為主。推移質為中細沙，細顆粒為沖瀉質。懸沙為主，推移質輸沙量小。第六章 河道演變規(guī)律6-4 沖積河流的河型.2）、河流形態(tài)（1）橫斷面形態(tài)隨不同類型的河段而異。有拋物型、三角形、馬鞍型和不規(guī)則型。（2）河床縱坡平緩，水面比降小，由于水流的堆積作用，河谷形成深厚的沖積層。（3）有廣闊的河漫灘，洪水演沒，中水出露，灘槽水流存在交換。（4）有些平原河

33、流沿程廣泛分布有節(jié)點。 節(jié)點是抗沖性強，對河勢起控制作用的特殊邊界條件。如磯頭，山體等。 第六章 河道演變規(guī)律6-4 沖積河流的河型.平原河流根據(jù)其形態(tài)和演變特性可分為順直微平原河流根據(jù)其形態(tài)和演變特性可分為順直微彎型、蜿蜒（彎曲）型、分汊型、游蕩型等。彎型、蜿蜒（彎曲）型、分汊型、游蕩型等。河型河型形態(tài)形態(tài)演變演變穩(wěn)定穩(wěn)定邊界特征邊界特征實例實例順直順直順直順直犬牙交錯的變?yōu)澜诲e的變?yōu)?，緩慢向下游移動緩慢向下游移動不穩(wěn)定不穩(wěn)定河岸物質河岸物質細細彎曲彎曲彎曲彎曲自由彎曲，蜿蜒自由彎曲，蜿蜒強制性彎曲，平移強制性彎曲，平移穩(wěn)定穩(wěn)定河岸有一河岸有一定的抗沖定的抗沖荊江下游、渭荊江下游、渭河

34、下游等河下游等分汊分汊分汊分汊各汊相互發(fā)展消長各汊相互發(fā)展消長介與彎介與彎曲游蕩曲游蕩河岸有一河岸有一定的抗沖定的抗沖長江中下游、長江中下游、珠江、贛江等珠江、贛江等游蕩游蕩散亂多散亂多汊汊游蕩游蕩極不穩(wěn)極不穩(wěn)定定河岸組成河岸組成細，不抗細，不抗沖沖黃河下游、永黃河下游、永定河下游等定河下游等3 3 平原河流河型的劃分平原河流河型的劃分第六章 河道演變規(guī)律6-4 沖積河流的河型.從河道水流的流路數(shù)目上可以將河道的平面形態(tài)分為兩大類：單流路河道 和 多流路河道第六章 河道演變規(guī)律6-4 沖積河流的河型.河道每個斷面上各處的沖淤變形，最終將匯總形成河道平面形態(tài)的復雜變化和縱剖面的抬升、下切。經(jīng)過數(shù)

35、十年、上百年的自我調整過程，河流能達到與流域來水來沙相適應的均衡狀態(tài)，此時形成有一定演變規(guī)律的河道平面形態(tài)（河型）。.河型的成因：來水來沙與自我調整河型的成因：來水來沙與自我調整自我調整：自我調整：在一定的流域來水來沙下，河流的比降、在一定的流域來水來沙下，河流的比降、斷面形態(tài)、河床物質組成和河型隨水沙的運動而調斷面形態(tài)、河床物質組成和河型隨水沙的運動而調整，其趨勢是要使來自上游的水流和泥沙能通過河整，其趨勢是要使來自上游的水流和泥沙能通過河段下泄，盡可能保持河道的相對平衡。段下泄，盡可能保持河道的相對平衡。例如，床沙質來量例如，床沙質來量較多較多的河流，常常的河流，常常堆積堆積形成游蕩形成游

36、蕩分汊型河道，而且其流路大多較順直，因為彎曲度分汊型河道，而且其流路大多較順直，因為彎曲度大的流路盡管也曾出現(xiàn)、但因其水力比降和挾沙能大的流路盡管也曾出現(xiàn)、但因其水力比降和挾沙能力都較小，必然會被淤死。游蕩分汊型河道的形成力都較小，必然會被淤死。游蕩分汊型河道的形成雖然還有其他條件，但其中最關鍵的條件是床沙質雖然還有其他條件，但其中最關鍵的條件是床沙質來量來量較多較多。第六章 河道演變規(guī)律6-4 沖積河流的河型 河型成因.與此對應的是，床沙來量與此對應的是，床沙來量較少較少的河流，常常的河流，常常下切下切向向彎曲型河流發(fā)展。床沙質的相對來量小，而輸沙能彎曲型河流發(fā)展。床沙質的相對來量小，而輸沙

37、能力大，使輸走的沙量大于來沙量，即河道發(fā)生沖刷。力大，使輸走的沙量大于來沙量，即河道發(fā)生沖刷。由于河道水流的特性，沖刷常常是側向的，對邊岸由于河道水流的特性，沖刷常常是側向的，對邊岸的蝕退，使得河流彎曲度增大，水力坡降變小，從的蝕退，使得河流彎曲度增大，水力坡降變小，從而減低了挾沙能力和沖刷能力，這樣河道越彎曲就而減低了挾沙能力和沖刷能力，這樣河道越彎曲就越穩(wěn)定，能夠維持較長時間。形成彎曲河道的最關越穩(wěn)定，能夠維持較長時間。形成彎曲河道的最關鍵的條件是床沙質來量鍵的條件是床沙質來量較少較少。第六章 河道演變規(guī)律6-4 沖積河流的河型 河型成因.河流的上、下河段出現(xiàn)不同河型的原因也可以從輸沙平衡

38、角度加以解釋。河流沿程一般都有支流來匯，如果假定支流的含沙量和干流相差不大，則在支流匯口的下游，干流的含沙量并沒有變化，水量卻加含沙量并沒有變化，水量卻加大了大了。從挾沙能力的角度考慮，每有支流注入，入?yún)R口以下的挾沙能力將增加，而含沙量相對不變，或者說，愈到下游，隨著支流的入?yún)R和水量的增加，床沙質的相對來量就變得愈來愈小，而輸沙能力越來越大，可能會使輸走的沙量大于來沙量（即，河道發(fā)生沖沖刷側蝕、下切刷側蝕、下切）。第六章 河道演變規(guī)律6-4 沖積河流的河型 河型成因.為了達到河段的平衡，下游河道需要不斷調平比降。這種比降的調整有一部分是通過河身彎曲，流路加通過河身彎曲，流路加長長來實現(xiàn)的。水量

39、的不斷增加使洪水漫灘的機會增多，比降的調平又使漫灘水流的流速減小，洪水中挾帶的細顆粒泥沙有可能在灘地上淤積下來，形成淤積泥覆蓋在沙卵石上的“二元結構”，使灘岸具有一定的抗沖性、彎曲的流路得以維持，最終發(fā)展形成彎曲型河流。第六章 河道演變規(guī)律6-4 沖積河流的河型 河型成因.第六章 河道演變規(guī)律6-5 蜿蜒型河道的演變規(guī)律 .（1）、水流特性洪水流路順直，邊灘被淹沒；枯水流路彎曲，產(chǎn)生離心力，存在環(huán)流。（2）、河床演變 邊灘和深槽緩慢向下游移動；枯水期：淺灘沖刷，深槽淤積洪水期：淺灘淤積，深槽沖刷。屬于不穩(wěn)定河道。（3）、整治原則 固定邊灘：如修建丁壩。第六章 河道演變規(guī)律6-5 蜿蜒型河道的演

40、變規(guī)律 .1、 河段特性：平面彎曲；橫斷面呈不對稱2、彎道水流運動特點（1）水位沿橫向呈曲線變化，凹岸一側的水位恒高于凸岸一側，水面橫比降 Jz=U2/(gR)（2）水流縱比降Jx在凹岸側和凸岸側不同（3）表層水流向凹岸，底層水流向凸岸，橫向上形成環(huán)流；（4）縱向垂線平均流速在凹岸一側遠大于凸岸一側，其最大值不在最大水深處，而是偏向凸岸；第六章 河道演變規(guī)律6-5 蜿蜒型河道的演變規(guī)律 .第六章 河道演變規(guī)律6-5 蜿蜒型河道的演變規(guī)律流 .（5）在彎道進口段或在彎道上游的過渡段，主流常偏靠凸岸一側；進入彎道后，主流逐漸向凹岸轉移，至彎頂稍上部位，主流才偏靠凹岸；主流逼近凹岸的位置叫頂沖點，自

41、頂沖點以下相當長的距離內，主流緊貼凹岸。主流線的另一特點是低水傍岸，高水居中，俗稱低水走彎，高水走灘；相應的，主流對凹岸的頂沖部位，則出現(xiàn)低水上提，高水下挫，低水時頂沖部位在彎頂附近或彎頂稍上，高水時頂沖部位在彎頂以下。亦稱水流動力軸線，是指沿程各斷面垂線平均流速最大亦稱水流動力軸線，是指沿程各斷面垂線平均流速最大點的連線點的連線第六章 河道演變規(guī)律6-5 蜿蜒型河道的演變規(guī)律 .第六章 河道演變規(guī)律6-5 蜿蜒型河道的演變規(guī)律 .小流量時水流動量小，在河床邊界的約束作用下，易于改變流向，水流的彎曲系數(shù)大。流量較小時，沖刷發(fā)生在凹岸彎道頂點或略偏下游。這種沖刷的結果使凹岸后退、凸岸前進，令彎道

42、發(fā)生橫向擺動，彎曲程度加大。河道中心河道中心線線第六章 河道演變規(guī)律6-5 蜿蜒型河道的演變規(guī)律 .流量增大后，水流的慣性力加大，邊界對水流的作用能力相對減弱，不易改變流向，與小水時相比，主流趨中，水流的彎曲系數(shù)變小。在急彎上或流量較大時，主流的慣性使其在經(jīng)過上一個彎道后難以迅速改變方向，因而在下一個彎道的凸岸頂點上游處發(fā)生沖刷。這種沖刷的結果，使得彎道凸岸上游處和凹岸下游處發(fā)生沖刷，結果使得彎道發(fā)生縱向平移。第六章 河道演變規(guī)律6-5 蜿蜒型河道的演變規(guī)律 .泥沙運動特性l橫向輸沙：由于存在橫向環(huán)流，環(huán)流上部指向凹岸，下部指向凸岸，含沙量上小下大，橫向輸沙不平衡，形成凹岸沖、凸岸淤積。l縱向輸沙：汛期沖槽淤灘，枯期沖灘淤槽，縱向基本平衡。l同岸輸沙，異岸輸沙第六章 河道演變規(guī)律6-5 蜿蜒型河道的演變規(guī)律 .演變規(guī)律1）一般演變：l平面變化：蜿蜒曲折的程度不斷加劇，河長增加，曲折系數(shù)加大。l橫向變化：表現(xiàn)為凹岸崩退，凸岸淤長。l縱向變化：彎道段洪水期沖刷而枯水期淤積，過渡段則相反。2）突變：包括自然裁彎，撇彎和切灘等類型。第六章 河道演變規(guī)律6-5 蜿