河流动力学作业四

《河流动力学》课程报告专题四：河床的演变1 概述河床演变是指河床在自然条件下或受人工建筑物影响而发生的变化。

这种变化是水流、泥沙与河床相互作用的反映。

河流存在两个反馈系统：水流挟带泥沙，泥沙的存在又影响水流结构；水流作用于河床，使河床发生变化，河床形态反过来又影响流速分布。

它们相互依存、相互影响又相互制约。

水流与河床的相互作用是通过河流中泥沙的冲刷、搬运和堆积而实现的，泥沙在其中起着纽带作用。

当流速增加，组成河床的泥沙遭到冲刷，使河床降低或拓宽；当流速减小，水中挟带的泥沙沉积于河床上，使河床抬高或束窄，河床就会发生相应的变化。

这部分主要是介绍河流概况以及河床演变的基本原理，具体介绍山区河流、冲击河流的演变，还有河流自动调节作用于河相关系等。

2 河床演变的基本概念2.1 河床演变特征河床演变的特征表现在两个方面：（1）一定的河床形态和河床组成，必然有一定的与之相适应的水流结构和水流条件。

当水流动力条件不变时，河床将保持水流条件的状态，河床形态相对稳定；当流体动力条件发生较小变化，但基本与河床形态适应，则床面结构有所改变，但总体形态并不发生变化；当流体动力条件发生大的变幻，原有稳定河床结构发生变化，且河床形态从一种类型辩位另一种类型。

（2）一定的河床形态与河床组成，必然有一定的与之相适应的输沙率。

水流与河床的相互作用是通过泥沙交换来进行的；河床组成变化是通过泥沙输移将水流中的泥沙与河床的泥沙相互交换来实现，如果泥沙交换不平衡，必然产生河床各种类型的变形。

2.2 河床变形分类（1）从演变表现形式上可分为纵向变形和横向变形。

纵向变形是指河道中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、抬高等；横向变形也称平面变形，即河床沿着与水流垂直的水平方向发生变形，如河湾的发展、汊道的兴衰等。

（2）从河道演变的发展过程来说，可分为单向变形和复归性变形。

单向变形是指河道在相当长时期内只是单一地朝某一方向发展的演变现象；复归性变形是指河道周期性往复发展的演变现象。

2.3 河床演变的基本原理河床演变是以泥沙运动为纽带，冲刷和淤积导致比降和断面形态、大小的调整。

河床演变的根本原因可以归结为输沙的不平衡。

由于河床和水流的自动调整作用，河道由于输沙不平衡引起的变形，在一定的条件下，往往朝着使变形停止的方向发展。

不过这种自动调整作用导致的平衡状态只是暂时相对的。

来水来沙条件改变，必然引起输沙平衡的破坏，出现新的输沙不平衡，从而促使河床发生新的变形。

另一方面，即使上游来水来沙条件不变，河床上的沙波运动仍然存在，河床仍然处于经常不断的变形过程中。

因此，河道中的泥沙运动总是处于输沙不平衡的状态。

所谓输沙平衡只是相对较长时间内的平均情况而言，因而只具有相对意义。

2.4 影响河床演变的主要因素（1）河段的来水量及其变化过程（2）河段的来沙量、来沙组成及其变化过程（3）河段的河谷比降（4）河段的河床形态及地质情况这四个因素具体反映了水流与河床这对矛盾的有关方面，前三个因素决定着水流条件（挟沙水流），是反映输沙不平衡的基本要素。

第四个因素决定着河床条件。

对于冲击平原河道来说，前两个因素起主导作用；对于山区河流来说，后两个因素常起主导作用。

3 山区河流的河床演变山区河流是指流经地势陡峻、丘陵山区、崇山峻岭的河流。

较大河流的上游多为山区河流。

3.1 山区河流水流特征山区河流所流经地区，坡面陡峻，径流模数很大，汇流时间较短，平时流量小，一遇暴雨，瞬间即洪流汹涌。

具有三个特点：洪峰暴涨猛落；流量与水位变幅很大；中水历时不长。

3.2 山区河流的形态特征（1）山区河流的纵剖面通常比较陡峻，变化急剧，存在一些列这点，形态极不规则，急滩与深潭上下交错，且常出现台阶形。

（2）山区河流发育过程中，通常以下切为主，因此河谷横断面多呈V字形或U字形。

河谷坡面多呈直线形，在陡峻的地形限制下，河床切割很深，河槽狭窄。

中水河床与洪水河床之间无明显分界线。

（3）山区河流一般多处于徐缓冲蚀下切，加上河道摆动不大，故两岸常存在阶地，表现为多级平台与之相连的斜坡。

3.3 山区河流的泥沙运动组成山区河流河床的泥沙多为卵石、块石和基岩，水流挟带的多为细沙、粉沙和粘土。

研究山区河流的河床演变，就是研究卵石的冲刷、搬运和沉积过程。

（1）卵石的运动具有明显间歇性和随机性。

运动与停留的时间和流速大小及床面的粗糙情况有关。

（2）山区河流卵石输移运动基本规律：卵石运动在山区河流任何时候都存在。

洪水期，流速普遍较大，卵石大量往下游输移；枯水期峡谷和深槽输移强度弱，某些河段甚至完全停止输移，而峡谷的进出口上下游邻近河段以及过渡段上，则进入比较持续、稳定的输移阶段。

3.4 山区河流河床演变特性（1）由于峡谷地区和山区河流常具有宽窄相间的外形，峡谷的进口，洪水期的壅水作用，会引起悬移质在上游宽阔段内的大量落淤。

（2）由于两岸受山崖阶地的钳制，河床蠕动只能顺着河谷方向平移。

弯道下移后原位于弯顶的深槽往往在后面留下一条狭长的尾汊；河流进入谷坡和阶地的悬崖峭壁以后，在岸坡前面掏出深槽，这样的深槽有吸引水流的作用，让水流长期在这里坐弯。

（3）山区分汊河流的江心洲和心滩位置比较固定，常以两汊居多，平原地区中下游河段经常可见多股分汊。

（4）山区河流河床卵石运动在时间分布上具有明显的不连续性。

同时卵石的输沙率有很大的波动。

由于山区河流水流湍急紊动强度大，床面卵石的排列、结构、粗化层的形成和破坏以及卵石的补给都会深刻地影响卵石运动。

（5）由于山区河流沿程有不少溪沟入汇，在沟口发育成冲积扇，其伸入干流部分成为溪口滩，既影响河床的演变又影响航运。

被分割的冲积扇以及新形成冲积扇的向外伸展，常会挤压流露，影响泥沙运动，产生新的成型淤积体。

4 平原（冲积）河流的河床演变4.1 平原河流的水温泥沙特征（1）平原地区坡度平缓，土壤疏松，降雨后径流系数小，汇流时间长（2）平原河流集水面积大，流域降雨分配不均匀，支流入汇时间有先后，故洪水通常没有猛涨猛落现象，洪水持续时间相对较长，流量变化与水位变幅较小。

（3）平原河流的流态相对平稳，无明显的跌水、泡水、急漩、横流等险恶流态。

（4）平原河流中悬移质以沙、粉和粘土为主。

4.2 平原河流形态特征（1）平原河流横断面形式随着不同类型的河段而异。

（2）平原河流由于河床纵坡平缓，水面比降比较小，通常在千分之一一下，甚至不到万分之一。

（3）由于水流的堆积作用，河谷中形成了明显的成型淤积体和深厚的冲积层。

（4）平原河流一般都有广阔的河漫滩。

（5）有些平原河流沿江惯犯分布有节点，是抗冲击性较强，依岸形成的对河势变化起节制作用的特殊边界条件。

4.3 顺直型河道河床演变顺直型河道的河床特征通常为：中水河床比较顺直或略有弯曲，河床两岸常有犬牙交错的边滩，主流左右弯曲，河床深泓线呈波浪状起伏，浅滩与深槽相间，滩漕水深相差不大。

其河床演变特点有：（1）浅滩和深槽交替发生冲淤（2）边滩和深槽同步顺流下移（3）河床周期性展宽和缩窄4.4 游荡型河道河床演变游荡型河道一般形态为：河身宽浅，何种沙滩密布，汊道众多，水流散乱，主流摆动不定。

其产生条件通常为：河床和河岸组成物质较细，极易冲刷展宽，比降、流速、输沙强度都相当大，边滩、心滩移动很快，泥沙淤积严重，洪水猛涨猛落。

游荡型河道河床的演变特点有：（1）多年平均情况下，河床不断淤积抬高，形成地上河。

（2）年内的冲淤变化，一般是在汛期主槽冲刷，滩地淤积，非汛期则相反。

（3）沙洲移动迅速，河道外形经常改变，冲淤变化幅度极大。

（4）主槽经常摆动，而且摆动的速度和幅度都很大。

4.5 弯曲型河道的河床演变弯曲型河道具有迂回曲折的外形，而且具有蜿蜒蠕动的动态特征。

弯道水流的动力特征决定着泥沙运动的性质，从而决定了弯曲河流的演变特性。

弯道上的水流做曲线运动，由于离心力的作用使水面产生横比降，同时表层水流流向凹岸，而底层水流则有凹岸流向凸岸，而底层水流则有凹岸流向凸岸，形成一封闭的环状水流，这种环状水流与纵向水流相结合形成螺旋流。

弯道河段的演变：（1）凹岸崩退和凸岸淤长（2）河湾发展和河线蠕动（3）截弯取直与河湾消长（4）撇弯切滩。

4.6 分汊型河道的河床演变分汊型河道的形态是宽窄相间的，宽处有江心滩洲，有分、汇流区，断面呈马鞍形，河床纵向面为两端低、中间高。

其主要成因是泥沙在宽河段的堆积。

分汊型河道的河床演变过程为：洲滩的移动和分合；河岸的崩坍和弯曲；汊道的交替兴衰。

5河相关系冲积平原河流在挟沙水流与河床长期相互作用下，经过河流的自动调整作用，可能形成与所在河段具体条件相适应的某种均衡状态。

这种均衡状态的有关要素（如水深、河宽、比降等）之间，以及他们和表达来水来沙条件（如流量、含沙量及粒径等）及河床地质条件（在冲积平原河流中本身又是来水来沙条件的函数）的特征物理量之间，常存在某种函数关系。

这种函数关系称为河流的河相关系或均衡关系，包括沿程河相关系和断面河相关系。

6 相关文献选读（1）岳红艳等《武汉汉江过江隧道河床演变最大冲深预测》：分析了汉江第一越江隧道工程段(黄金口- 南岸嘴)近期河道演变特点和隧址断面多年实测冲淤变化规律, 同时, 结合河工模型试验和水沙数学模型计算成果, 预测了不利水文条件下隧址断面河床的最大冲深。

成果表明: 在相同不利水沙组合条件下, 河工模型和数学模型模拟的隧址断面河床最深点高程在定性上基本一致, 河床最低点高程分别为- 0. 10、- 0. 23 m。

经与地质勘测资料对比分析可知, 预测最深点高程基本合理, 可为设计部门提供重要的参考依据。

（2）谭超等《近40年来北江干流界滩河段河床演变及河岸稳定性分析》：通过收集北江干流界滩河段1994~ 2009年河道地形资料, 系统分析了近40年来河段河床演变特征, 并通过计算河岸拖拽力对河岸稳定性进行了评价。

河演分析结果表明, 1974~ 2001年, 界滩河段整体来看冲淤动态平衡, 除几个地形节点处冲刷幅度较大外, 其余河段表现为轻微下切, 深泓变化亦较小。

而2001~ 2009年, 河道普通大幅下切。

近40年来北江干流界滩河段河床演变与人类活动的干扰有较好的相关性。

（3）侯素珍等《黄河内蒙古河段河床演变特征分析》：针对近年来黄河内蒙古河段河槽淤积萎缩严重, 防洪、防凌形势严峻的状况, 从不同方面综合分析了巴彦高勒- 头道拐河段河床冲淤演变特征。

通过同流量水位变化分析了不同时期、不同水沙条件下各河段主槽冲淤变化, 总体具有汛期冲刷非汛期淤积的特点, 而汛期冲淤变化取决于洪水期的变化；依据输沙量法分析了内蒙古河段冲淤变化特点, 进一步指出了不同河段淤积的原因; 从不同时段河床形态的调整, 揭示了河床冲淤随水沙变化而调整的规律；指出了不利的水沙条件是内蒙古河段主槽淤积萎缩、排洪能力大幅度降低的根本原因。