[讲义]河道演变基本原理知识精讲讲义(河流动力学).ppt

,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第六章,河道演变的基本原理,序 言,冲击河流演变过程是流域侵蚀和地貌景观变化过程的一部分。沿其纵向河流常分为三段：侵蚀段（河源段）、输运段、沉积段。随着纵向位置的不同，冲击河流中的水力要素、泥沙特性和边界约束都将发生很大的变化。如图,6-1,所示。,河道的演变主要由水流和泥沙的运动所决定（量级为百年），最终河槽形态将趋于某种平衡状态。,序 言,冲击河流的演变过程研究是一门发展中的学科，有一定的局限性：其物理过程涉及到诸多变量，但可应用的力学和数学定律及条件不够，很大问题还不能进行精确的分析运算，常需要依赖于简化假定。,6-1,基本概述,一、概念,河道演变,河道在自然情况下或在受人工建筑物干扰时所发生的变化。,这种变化是水流与河床相互作用的结果。河床影响水流结构，水流促使河床发生变化,两者相互依存、制约，经常处于不断地运动和发展状态之中,。,1,基本概述,水流与河床的相互作用以泥沙为纽带。在一种水流情况下，通过泥沙的淤积使河床抬高；换之，通过冲刷又降低河床。故河道演变的基本规律以泥沙运动为基础。,冲积河流的演变过程因其所处的边界条件复杂，不能直接从以前所学的泥沙运动的基本规律得到充分解释。需在以前知识为基础上，更进一步对河道演变进行探讨。,6-1,基本概述,二、研究对象,1,、广义（地史、地貌学）,时间：河道生成、发展的历史过程。,空间：河道流经的河谷各部分。,2,、,狭义,：近代的、河道本身的变化。,说明：,河道发生变化的根本原因,输沙不平衡。,由它产生的河床变形是朝着使变形停止的方向发展的，这归因于河床与水流的“自动调整作用”。,6-1,基本概述,“,自动调整作用”,在一定条件下，当输沙,不平衡引起河床冲淤变形时，河流要通过 调整比降、流速、河床形态及物质组成（甚至沙形），使得当地的水流输沙能力与上游来沙量相适应，河床变形将逐渐停止，水流与河床的这种相互作用。,6-1,基本概述,例：河床淤积（,S,m,S,0,）,过水断面,，,J,、,，物质细化（,n,）,S,m,，,使,S,m,S,0,，河床停止淤积。反之亦然。,注：平衡：上游来沙量与水流挟沙力相适应,稳定：在较长一段时间河床变形幅度小,6-1,基本概述,总之，由输沙不平衡,河床变形；经自动调整,输沙平衡。短时间看，输沙总是不,平衡的；长时间看，输沙可能达到平衡。,河床演变这一机械运动，平衡是相对的，不,平衡是绝对的。即河床无时无刻不处在变化,和发展的状态之中。同理，输沙平衡也一样。,6-1,基本概述,三、影响河道演变的因素,1,、区别对待两个问题,河流形成的历史过程中起作用的主要动,力因素：地壳的构造运动、,水流作用,、冰川、风化作用。,河流目前的河道演变特性,只着眼现阶段的水流作用，尤其是水流与河床的相互作用。,6-1,基本概述,影响水流与河床相互作用的因素：,河段的来水量及变化情况 气候、地质、,河段的来沙量及变化情况 植被,河段的河谷比降,河段的河床地质情况 地理、地质,2,、流域内影响河道演变的因素,如图,6-3,所示,扫描,6-1,基本概述,3,、研究的时间尺度,稳定时段（量级为天）,准衡时段（量级为百年）,地质时段（量级为百万年）,对工程有重要影响的泥沙输运问题的时间尺度限于百年以内。流域中的气候、地形、植物、岩性可视为确定的自变量；河道形态是因变量，由其他自变量决定。包括：流量、输沙率、粒径、河谷比降、岸壁阻力等。,6-1,基本概述,冲击河流的河道形态如何达到相对平衡？,河流演变包括了河道的比降、形态、河床物质组成的变化，常趋于使河道形态达到一定的相对平衡，上游的来水、来沙通过河段下泄。这种平衡是动态的。,影响河道演变的人为活动？,包括流域内的植被和土地利用方式、干流上的水利枢纽工程等，它们影响流域的来水来沙条件，使河道失衡，引发其相应调整以适应变化了的条件。,6-1,基本概述,四、河道演变的均衡状态,1,、均衡河道,若河床和边岸的物质组成不变或流域来水来沙无较大变化，在准衡时段内，河道在平面摆动和断面冲淤的演变过程中达到一个稳定、平衡的形态，河道的主要几何尺寸基本不变，此时河流处于平衡状态。,2,、影响河道冲淤平衡的主要因素,Q,s,D,50,QJ,6-1,基本概述,3,、均衡状态的判据,以河道形态随时间的变化为判据,若在一定时段内，流域来水来沙条件和边岸抗冲性是稳定不变的，则河流响应这些条件调整自身的空间形态，使其宽度、比降、弯道形态维持一个相应的稳定值。,河道处于一种动态平衡之中：河道形态的几何特征参数围绕某均值不断波动。,6-1,基本概述,以河道内泥沙的输运过程为判据,河道形态达到均衡的根本原因是水沙输运过程达到了动态平衡。,均衡河流,在经过一定年月以来，坡降经过细致的调整，在特定的流量和断面特征条件下，所达到的流速恰好使流域的泥沙能输移下泄。它是一个处于平衡状态的系统。,其主要特点,：控制变量中任何一个的改变都会带来平衡的位移，其移动的方向能吸收这种改变造成的影响。,6-1,基本概述,以河道的输沙耗能效率为判据,对于恒定流量、含沙量的情况，河道的最优运行效率表现为在可能的范围内使输运这一来沙量所消耗的水流机械能最小，即通过自我调整、最后得到允许范围内的最小河道比降。,6-1,基本概述,河流处于平衡状态的理解：,河道的主要几何尺寸基本不变；,存在一种自动调整的负反馈机制；,水流和泥沙等变量之间达到某种平衡。,2,造床流量,一、概念,1,、定义,对均衡河道形态的形成起到控制、主导作用的某个中等流量。,其造床作用与多年流量过程的综合造床作用相等的某一流量（虚拟,Q,），它对于塑造河床形态所起的作用最大。介于最大洪水流量和枯水流量之间。,6-2,造床流量,造床流量的概念不适用的情况：,研究半干旱地区的一些季节性、间歇性、人为调节作用强烈的河流。,故治河工程上常用的设计流量往往不等同于造床流量。,2,、意义,是河道演变中最重要的自变量，决定了河流的平均形态，常用它设计河流的断面、平面形态。,6-2,造床流量,二、常用的计算方法（估算）,1,、平滩流量法,平滩水位,在滩槽分明的河道里，主槽充满后与新生河漫滩表面齐平的水位。,平滩流量标志了来水来沙的动力作用从塑造主槽到滩地的一个转折点，在河道形态演变中具有重要意义，故选择它来代替造床流量。,优点：概念上易于应用；,6-2,造床流量,缺点：需通过野外查勘河道地形确定，不易规范化；没有一个普遍适用的方法确定其准确值，需综合考虑造床过程和具体河段的形态特征进行判断。,漫滩洪水在河道塑造过程中的作用：,漫滩前：水流在主槽中流动，,和,S,m,较大,漫滩后：,A,和,，因滩面上水深小、阻力大，导致泥沙大量落淤。靠近主槽淤积较厚，颗粒较粗，形成沿主槽的自然堤。,6-2,造床流量,2,、采用某一频率或重现期的流量作为造床,流量,优点：方法简便易行，可靠性好；,缺点：对各种不同的重现率，注意重现,期的具体计算方法。,6-2,造床流量,3,、有效输沙流量法,根据不同粒径泥沙的造床作用确定造床流量。,在河道的动态演变过程中，河床冲淤和河道摆动都与泥沙输运相关，输沙量最大的这级流量造床作用最显著，故把它作为造床流量。,优点：有一定的规范性和可靠性；,缺点：对流量分级间隔敏感，不宜过小。,6-3,河相关系,一、概念,河道处于均衡状态时，水动力因子（流量）与河道断面形态之间存在定量因果关系。,自由发展的冲积河流，在挟沙水流长期作用下，经过自我调整使河床形态相对平衡。即河床取得与所在水文、泥沙条件相适应的最合适外形。表征这些外形的因素（,B,、,h,）与水力泥沙因素（,Q,、,J,、,D,）之间存在某种函数关系即河相关系。,6-3,河相关系,二、人工渠道的均衡理论,在稳定不变的流量和含沙量下，若渠道的宽度、水深和比降符合一定的关系，就能够使得渠道在该种来水来沙条件下保持冲淤平衡，成为“均衡渠道”。,根据渠内各种设计流量和泥沙粒径确定冲淤平衡渠道应有的断面尺寸和比降的关系式称为“均衡理论”。,6-3,河相关系,三、河相关系分类,1,、沿程河相关系,指特征流量与断面尺寸的关系。,反映了某一特征流量下，不同河流之间或同一条河流上、下游之间，由于水流、泥沙和边界条件不同引起的河床形态变化。研究河槽形态在空间上的分布规律。,6-3,河相关系,2,、断面河相关系,指不同流量下的过水断面尺寸。,研究某一短河段或断面在不同流量下的断面尺寸、坡降的变化。反映过水断面的几何形态随时间调整变化。,横向,断面河相关系,下凹型,纵向 直线型,上凸型,6-3,河相关系,说明：这三种类型的剖面，由源头,海口，从宏观角度分析基本属于圆滑的几何曲线，但从小尺度上讨论：沿程有波折、起伏，究其原因如下：,地壳构造运动的影响，在上升、下降交替而,形成的纵剖面上有不连续的转折点；,沿河的岩性不一致；,有大支流相汇处，汇合点下游有明显变化。,6-3,河相关系,三、河相关系分类,3,、沿程与断面河相关系的内在联系,同一条河流上两者可以相互转换。,断面河相关系中包含了不同重现率的流量所对应的,B,、,h,、,U,数值，已知一条河流上各测站的断面河相关系，就可得到该河流上不同频率的流量所对应的沿程河相关系。,6-3,河相关系,四、河相关系的理论推导方法,河床的调整变化必须遵守水流和泥沙运动的基本规律，包括水流的连续方程、运动方程、挟沙力方程：,3,河相关系,这三个方程中包含,B,、,h,、,J,、,U,四个未知数，方程组不完整，需再建立一个河相的关系式联立求解。,1,、河宽经验公式,2,、不同角度探索说法,临界起动假说,最小活动假说（窦国仁）,能量极值假说和最小方差假说,最小水流功率理论,