泥沙运动与河床演变

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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。一、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；反之，为非均匀流。天然河道的水流不均匀主要原因是河道断面形状、底坡及流量等沿程不断变化。但是，对于一个比较顺直的河段，来水来泥情况基本稳定、河床基本处于不冲不淤的相对平衡状况，过水断面及流速沿程变化不大，水面坡度、床面坡度基本平

2、直且相互平衡，基本上可视之为均匀流。研究模型：为计算方便，将非均匀流的长河段分成若干视为均匀流的短河段加以研究。均匀流的短河段，其平均流速按谢才公式计算。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带。·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

3、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AC。·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

4、推移运动，推移中波长不断增大A1C1→A2C2，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，而波峰的后部长度逐渐拉开，这种现象称洪水波的扭曲。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，

5、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。·图5-3(c)河底有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

6、平行。·图5-3(d)，(e)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。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5-4，5-5。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

7、：指紊乱的运动过程伴随着水流的能量及质量传递。第二节泥沙运动河流泥沙：河流中运动的以及组成河床的泥沙，所有在河流中运动及静止的粗细泥沙、大小石砾都称为河流泥沙。固体径流：随水流运动的泥沙，是重要的水文现象之一。影响河流泥沙的主要因素：1）降雨；2）流域的下垫面（地形、植被及土壤特性等）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5～１０％。但对河床演变起重要作用。·悬移质(悬沙)：悬浮于水中随水流

8、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90～９５％。·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