5泥沙运动与河床演变.doc

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1、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。、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;一 坡河的坡均 : 底的淤面为 、直不水之 状顺冲，视 一 形较不大可 面比于不上 断个处化本 道一本变基 河于基程夕 是对床沿衡 因，河速平 原是、流互 要但定及相 主。稳面Ja- 匀化*断直 均变基水平 不断处过*- 流不情，基 水程泥况度 的沿来状坡 道等水衡面 to河量来平床。 流

2、然流，对、流 匀天及段相度匀需蠶髦鹽算方便，将非均匀流的长河段分成若干臨翹辭麴總以研究。均匀流的短證算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 d+h帀。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

3、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 ACoa 5-1财波關示胡无旁侧汇流时，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

4、的后部长度逐渐拉开, 这种现象称洪水波的扭曲。图5-2洪水波在运动过程中的变形二、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。(a)弯道糊緞鼬隔(b)由于懾形躺双向隔图5-3(c)河底有

5、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),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。1桥墩冲刷d）桥墩前水平

6、轴环流坡F游水平轴环流淤积冲刷一1-1断面横向沙脊 纵断面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, 5-5o微弯时河道橫断面弯段发展后河餓断面0 5-5展宽段竖直轴刑t弯段横断面的河床变形三、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。第二节泥沙运动盟和豔謹製册臨沙、大小石砾都称为河流泥沙。固体径流：随水

7、流运动的泥沙, 水文现象之一。是重要的宓翳融2流一、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51 0%。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909 5%。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

8、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

9、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df-NJ di->N?o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。沙莫夫公式:Vc一起动流速m/s, h-水深mg一重力加速度9。806 m3/s, d一泥沙颗粒径m。应用：未考虑粘结力，因形式简单在d0.2 mm应用较多 Ps泥沙的密度kg/m3, P水的密度kg

10、/m3o武汉水力电力大学张瑞瑾考虑粘结力因素，对粗、细沙均适用公式Vc = (-)014(17.6 PSP d + 6.05 理拌 xlO-7)(5-2)dP严2对于一般泥沙，可取上式简化为h 0 + 方Vc = ()°山(29d + 6.05 x 1 CT?) 2( 5-2a)d严2考虑水温影响的张红武公式(引入运动粘度Y，适用细沙dWO. 15mm)比= 3.5(空 萨(5-3)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 彳亍计算，该式适用d二0.110 0 mm,水深h二0.217m,流 速为0.16 m/

11、So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二 1.21.4 VH2.泥沙的推移运动一沙波运动沙波运动一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f,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

12、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/so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

13、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 o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

14、力。3V 长江：S = 0.07 ghwS-水流挟沙能力kg/m V-断面平均流速m/so h-水深，W-悬移质的加权平均沉降速度m/soy 2.26黄河干、支流通渠道：S = 1.07 p0.740.77K CDR-水力半径co 0-随CO 变化，当血0。02111/s 时，co 0=0。02in/ 当 co = 0.02m/08m/s 时，oo O=co3悬移质的输沙率：单位时间内通过断面的悬移质泥沙量kg/m?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1. 输沙量的变化特点输沙量在吋序变化上具有偶然性。年输沙量多年期间绕平均值随机变化，且呈现丰枯交替

15、的循环变化。输沙量年际之间的变化，受降雨量和径流量年际变化的制约。2. 多年平均年输沙量的估算多年平均年输沙量忘=丄£%(5-6)n i=iWi-第I年的年输沙量，n-实测资料年数。悬移质多年平均年输沙量估算有12年以上资料时，采用上(5-6)式计算 资料不足时，尽量延展资料，如不能则用下式估算Wi WS=Q用输沙量与径流有关Ws-多年悬浮年输沙量tWi-实测年份的悬浮质年输沙量t 0多年平均年径流量皿Qi相应年份的年径流量in3适用儿年实测资料，无法建立其它相关关系时公式。无实测资料时进行粗略估计悬浮质多年平均侵蚀摸数法：单位流域面积上多年平均的悬移质年产量称悬浮质多年侵蚀模数法。

16、_悬務质多年平均年输沙量：= Ms FMs -悬移质多年平均侵蚀模数，t/km2. a查水文手册中的悬移质多年 平均模数分区图。F-流域面积,km2水希牛旳诜护用自然地理条件相似的参证流域的土壤侵蚀系数，用5= 计算 推移质多年平均年输沙量的估算利用推移质的数量与悬移质的数量之间存在一定关系估算, 推移质多年平均年输沙量：WbpWsp-系数,平均河流卩=0.010.05,丘陵地区河流P =0.050.15, 山区河流B =0.050. 30o经验方式（由武汉水利电力大学）翩二1600（®严了财Q多年平均流量m7s 卜河床平均比降3. 设计年输沙量的推算（在水文计算中介绍）同推求设计年

17、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-III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二5%20%,枯沙年则釆用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

18、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O 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

19、。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。o/I:二冲鄧范围枯水期主流线/河岸I 洪水期主流线IA 河弯的顶点；B 水流的上顶冲点即最枯水时的顶冲点, C 水流的下顶冲点即最大洪水时的顶冲点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

20、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

21、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。5-8顺直（微弯）型河道的平面形态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

22、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

23、游荡型河段的形成，如图5-12图5-12 游荡型河床平面形态 特点：水流湍急，河身宽浅，沙滩较多，汉道交错，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。而决定河段游荡性的水 力、泥沙条件是河床具有较大的比降和组成河床的物质颗粒较 细的泥沙，因而河床和河岸的可动性大。 形状：游荡性河段往往在平面上是宽窄相间，窄段沙滩较小, 水流集中，水流摆动幅度也不大。 适用：游荡性河段稳定性极差，对设置固定式取水构筑物非 常不利。如必须设置时，则尽可能设在河床较窄、变动性较小 的河段（有坚硬岩露头处）。取水构筑物型式要尽量适应河床可 能的变化，并要有备用取水构筑物，同时，必须采取河道整治

24、措施。4 分汉河段 特点：这类河段河身呈宽窄相间的莲藕状，宽度河槽中常 有河心洲存在，将河道分成两股或多股汉道如图513图5-13 汉道河床形态江心洲：其江心存在只有洪水期才被淹没的泥沙堆积体。河道 被江心洲隔开分成若干河汉，称为汉道。形成原因：由于河道放宽，流速降低，以致泥沙淤积。洪水时水流切割边滩或沙嘴，形成心滩，并逐渐发展成江心 洲，使水流分汉。由于环流作用，使泥沙堆积，也能形成心滩，并发展成江心 洲。汉道经常处于缓慢的发生、发展和衰退过程中。汉道的发展和衰退，取决于进入汉道的含沙量与汉道水流 挟沙能力的比例。如进入汉道的含沙量小，而其挟沙能力大, 则河汉将不断发展。反之，则逐渐衰退。江

25、心洲一般较稳定, 但也会出现缓慢地向下移动的情况。移动速度与分流汇流角 有关，分流汇流角愈大，移动愈慢。从分汉河段取水时，应了解河汉道演变的历史和现状，并 通过来沙量与水流挟沙能力的对比，来判断河汉的发展趋势, 而将取水构筑物设于稳定的主汉道中。四、河床稳定程度的估算主要按水流对组成河床的泥沙的作用情况来判断。1.纵向稳定程度纵向是否稳定，主要与河床的粒径组成、水面坡度以及 河流水深有关，纵向稳定系数f的经验公式d/=-黄河 f=0. 180. 21,长江 f=0. 270.33f越小，泥沙运动越强（颗粒相对细），河床不稳定。横向稳定程度衣、向不稳定系数e经验公式.bE与河床演变影响最大的洪水流量相应的水面宽m b枯水时的水面宽m e愈大，说明枯水时露出的沙滩越宽，则洪水对河 岸越易冲刷。3、河弯的稳定程度用经验公式反映，较稳定的河弯应该是： 稳定河弯的长度L和直线段的河宽B关系L=(l. 21. 5)B 稳定河厚的曲线半径R和河弯的过水断面面积F关系 R = 40 VF如不满足两条件，河弯不稳定。