河床演變的基本原理

1、.第二節(jié) 河床演變的基本原理自然界的河流無時不刻都處在發(fā)展變化過程之中。在河道上修建各類工程之后，受到建筑物的干擾，河床變化將人為加劇。由于山區(qū)河流的發(fā)展演變過程十分緩慢，因此，通常所說的河流演變，一般系指近代沖積性平原河流的河床演變。河流是水流與河床相互作用的產(chǎn)物。水流與河床，二者相互制約，互為因果。水流作用于河床，使河床發(fā)生變化；河床反作用于水流，影響水流的特性。由因生果，倒果為因，循環(huán)往復(fù)，變化無窮，這就是河床演變。水流與河床之間相互作用的紐帶泥沙運(yùn)動。泥沙有時因水流運(yùn)動強(qiáng)度減弱而為河床的組成部分，有時又因水流運(yùn)動強(qiáng)度的增強(qiáng)而成為水流的組成部分。換句話說，河床的淤積抬高或沖刷降低，是通過

2、泥沙運(yùn)動來達(dá)到和體現(xiàn)的。因此，研究河床演變的核心問題，歸根結(jié)底，還是關(guān)于泥沙運(yùn)動的基本規(guī)律問題。一、河床演變分類 天然河流中，河床演變的現(xiàn)象是多種多樣的，同時也是極其復(fù)雜的。根據(jù)河床演變的某些特征，可將沖積河流的河床演變現(xiàn)象分為以下幾類：（1）按河床演變的時間特征，可分為長期變形和短期變形。如由河底沙波運(yùn)動引起的河床變形歷時不過數(shù)小時以至數(shù)天；蛇曲狀的彎曲河流，經(jīng)裁直之后再度向彎曲發(fā)展，歷時可能長達(dá)數(shù)十年、百年之久。（2）按河床演變的空間特征，可分為整體變形和局部變形。整體變形一般系指大范圍的變形，如黃河下游的河床抬升遍及幾百km的河床；而局部變形則一般指發(fā)生在范圍不大的區(qū)域內(nèi)的變形，如淺灘河

3、段的汛期淤積，丁壩壩頭的局部沖刷等。（3）按河床演變形式特征，可分為縱向變形、橫向變形與平面變形?？v向變形是河床沿縱深方向發(fā)生的變形，如壩上游的沿程淤積和壩下游的沿程沖刷；橫向變形是河床在與流向垂直的兩側(cè)方向發(fā)生的變形，如彎道的凹岸沖刷與凸岸淤積；平面變形是指從空中俯瞰河道發(fā)生的平面變化，如蜿蜒型河段的河彎在平面上的緩慢向下游蠕動。（4）按河床演變的方向性特征，可分為單向變形和復(fù)歸性變形。河道在較長時期內(nèi)沿著某一方向發(fā)生的變化如單向沖刷或淤積稱為單向變形，如修建水庫后較長時期內(nèi)的庫區(qū)淤積以及下游河道的沿程沖刷；而河道有規(guī)律的交替變化現(xiàn)象則稱為復(fù)歸性變形，如過渡段淺灘的汛期淤積、汛后沖刷，分汊河

4、段的主汊發(fā)展、支汊衰退的周期性變化等。（5）按河床演變是否受人類活動干擾，可分為自然變形和受人為干擾變形。近代沖積河流的河床演變，完全不受人類活動干擾的自然變形幾乎是不存在的。二、影響河床演變的主要因素影響河床演變的主要因素，可概括為進(jìn)口條件、出口條件及河床周界條件三個方面。進(jìn)口條件主要包括：河段上游的來水量及其變化過程；河段上游的來沙量、來沙組成及其變化過程。出口條件主要是出口處的侵蝕基點(diǎn)條件。通常是指控制河流出口水面高程的各種水面（如河面、湖面、海面等）。在特定的來水來沙條件下，侵蝕基點(diǎn)高程的不同，河流縱剖面的形態(tài)及其變化過程會有明顯的差異。河床周界條件泛指河流所在地區(qū)的地理、地質(zhì)地貌條件

5、，包括河谷比降、河谷寬度、河底河岸的土層組成等。三、河床演變的分析方法由于天然河流的來水來沙條件瞬息多變，河床周界條件因地而異，河床演變的形式及過程極其復(fù)雜，現(xiàn)階段要進(jìn)行精確的定量計(jì)算，尚有不少困難，但可借助某些手段對河床演變進(jìn)行定性分析或定量估算?，F(xiàn)階段常用的幾種分析途經(jīng)如下：（1）天然河道實(shí)測資料分析；（2）運(yùn)用泥沙運(yùn)動基本規(guī)律及河床演變基本原理，對河床變形進(jìn)行理論計(jì)算； （3）運(yùn)用模型試驗(yàn)的基本理論，通過河工模型試驗(yàn)，對河床演變進(jìn)行預(yù)測； （4）利用條件相似河段的資料進(jìn)行類比分析。上述幾種分析方法，可以單獨(dú)運(yùn)用，也可以綜合運(yùn)用。對于一些重要河流的重要研究課題，有條件時應(yīng)運(yùn)用各種方法進(jìn)行綜

6、合研究和論證，以求得到可靠的結(jié)論。上面四種方法中，天然河道實(shí)測資料分析方法，是最基本、最常用的方法。這種方法主要包括以下分析內(nèi)容： 河段來水來沙資料分析：來水來沙的數(shù)量、過程；水、沙典型年；水、沙特性值；流速、含沙量、泥沙粒徑分布等。水道地形資料分析：根據(jù)河道水下地形觀測資料，分別從平面和縱、橫剖面對比分析河段的多年變化、年內(nèi)變化；計(jì)算河段的沖淤量及沖淤分布；河床演變與水力泥沙因子的關(guān)系等。河床組成及地質(zhì)資料分析：包括河床物質(zhì)組成；河床地質(zhì)剖面情況等。此外，還有其它因素，如橋渡、港口碼頭、取水工程、護(hù)岸工程等人類活動干擾影響的分析等等。在對上述諸多因素的分析后，再由此及彼、由表及里地進(jìn)行綜合分析，探明河床演變的基本規(guī)律及主要影響因素，預(yù)估河床演變的發(fā)展趨勢，為制訂合理可行的整治工程方案提供科學(xué)依據(jù)。四、河床演變的基本原理 河床演變的具體原因盡管千差萬別，但根本原因可歸結(jié)為輸沙不平衡。考察任意一條河流的某一特定區(qū)域BL(B、L分別為河寬及河長)，當(dāng)進(jìn)出這一特定區(qū)域的沙量Go、Gi不等時，河床就會發(fā)生沖淤變形，寫成數(shù)學(xué)表達(dá)式應(yīng)為 Git Got =,BLyo (5-1)式中，Go、Gi 分別為流入及流出該區(qū)域的輸沙率；yo為在t時段內(nèi)的沖淤厚度，正為淤，負(fù)為沖；,為淤積物的干密度。 顯然，如果進(jìn)入這一區(qū)域的沙量大于該區(qū)域水流所能輸送的沙量，河床將淤積抬高；相反，如果