泥沙運動與河床演變

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1、第五章泥沙運動與河床演變研究目的：為了取得較好的水質(zhì)，防止泥沙、漂浮物等對取水構(gòu)筑物及河道形成危害，避免因河道變遷造成取水脫流。第一節(jié)河水運動河水的運動極為復(fù)雜，是縱向水流、橫向環(huán)流和紊流的交互作用的混合運動且沿著流程不斷變化。一、河水的縱向運動：由河床的縱坡降的總趨勢引起均勻流：流速沿程不變的流動；反之，為非均勻流。天然河道的水流不均勻主要原因是河道斷面形狀、底坡及流量等沿程不斷變化。但是，對于一個比較順直的河段，來水來泥情況基本穩(wěn)定、河床基本處于不沖不淤的相對平衡狀況，過水?dāng)嗝婕傲魉傺爻套兓淮?，水面坡度、床面坡度基本?/p>

2、直且相互平衡，基本上可視之為均勻流。研究模型：為計算方便，將非均勻流的長河段分成若干視為均勻流的短河段加以研究。均勻流的短河段，其平均流速按謝才公式計算。1．河道水流的軸線·正流(或元生流)：指河道水流的主體部分。主流線：為沿程各斷面最大縱向垂線平均流速所在點的連線的水平投影。(注流線和深水線大致重合）主流帶：為圍繞主流線兩側(cè)一定寬度內(nèi)平均流速較大的流帶?！み吜鲙В涸谥髁鲙б酝獾膬蓚?cè)或一側(cè)，平均流速較小的近岸區(qū)域。·主流線可以作為河道水流的軸線，具有“大水趨直，小水走彎”的趨向?！ぶ髁骶€及主流帶對全河段總的狀態(tài)及發(fā)展趨勢起決

3、定性作用。同一河段中不同季節(jié)(洪水期和枯水期)形成不同的主流位置和洲灘形態(tài)。2．洪水波·流域降水以前，河道中已有一水面。流域降水后，地表徑流不斷匯入河槽，河道水位、流量、流速等沿程發(fā)生變化，原有的水面因受干擾而形成波動稱為洪水波。在原有水面上涌入的水量稱為波流量。·原有水面上附加的水體，稱洪水坡的波體，波體輪廓線上最高點相對于原有水面的高度稱洪水波的波峰BD，波體與原有水面交界的水流方向的長度，稱洪水波的波長AC?！o旁側(cè)匯流時，洪水波主要表現(xiàn)為推移運動和洪水波展開與扭曲變形，如圖5-2。洪水波總是以一定速度不斷地向下游河段

4、推移運動，推移中波長不斷增大A1C1→A2C2，波峰減小B1D1-B2D2這種為形稱洪水波展開。在推移過程中，波峰的前部逐漸減小，波峰位置不斷超前，而波峰的后部長度逐漸拉開，這種現(xiàn)象稱洪水波的扭曲。二、河水的環(huán)流運動：由縱坡降以外的其他因素促成環(huán)流運動：環(huán)繞一定的旋轉(zhuǎn)軸往復(fù)進行的水流運動。環(huán)流稱副流或次生流，主要影響泥沙運動和河床演變，是引起橫向輸沙的主要動力。1．水平軸環(huán)流：水平軸環(huán)流：旋轉(zhuǎn)軸呈水平狀的環(huán)流。圖5-3·圖5-3(a)為河道彎段上由離心力產(chǎn)生橫坡降引起的橫向環(huán)流。凹岸水面高于凸岸，表流流向凹岸，底流流向凸岸，

5、凹沖凸淤?！D5-3(b)由心灘形成的橫坡降引起的橫向環(huán)流。表流由心灘流向兩岸，底流由兩岸流向心灘，造成兩岸沖刷，心灘淤積?！D5-3(c)河底有橫向沙脊或橫向石灘時形成的雙向環(huán)流。與(b)圖(由于心灘大，且又有彎道，而沙脊縱向短)的情況正好相反，水流經(jīng)過沙脊或石灘時，由于中部流速大，受到的壅水作用強，因而河心水面隆起，兩岸之間相對下降，形成從河心向兩岸下傾的橫坡降，這時雙向環(huán)流的底流從河心流向兩岸。如河底泥沙的可動性很大，則河心被沖刷，兩岸則淤高。橫坡降引起的橫向環(huán)流是河床沖刷和淤積的主要原因之一。以上旋轉(zhuǎn)軸基本與縱向主流

6、平行?！D5-3(d)，(e)兩種水平軸環(huán)流的旋轉(zhuǎn)軸與縱向主流相垂直，這種環(huán)流一般為相對封閉的回旋流，其形成原因各不相同。(d)環(huán)流由于前進流受阻形成，(e)環(huán)流是水流的離解作用形成。2．豎直軸環(huán)流豎直軸環(huán)充的旋軸與主流及河底都垂直，它是相對封閉的回旋流。主要由水流的離解作用產(chǎn)生的。如圖5-4，5-5。三、紊流：泥沙懸浮的主要動力形成：河道周壁由不同粒徑的泥沙組成且具一定的粗糙度，河道中水流雷諾數(shù)很大而形成紊流(且具速度梯度)。特點：·脈動：指水流中任一質(zhì)點的流速和壓力隨時間呈不規(guī)則的變化。(繞一個平均值上、下波動)·擴散

7、：指紊亂的運動過程伴隨著水流的能量及質(zhì)量傳遞。第二節(jié)泥沙運動河流泥沙：河流中運動的以及組成河床的泥沙，所有在河流中運動及靜止的粗細泥沙、大小石礫都稱為河流泥沙。固體徑流：隨水流運動的泥沙，是重要的水文現(xiàn)象之一。影響河流泥沙的主要因素：1）降雨；2）流域的下墊面（地形、植被及土壤特性等）一、泥沙的分類·床沙：河床表面靜止的泥沙，其顆粒較大(>推移質(zhì))·推移質(zhì)：在水流作用下，沿河底滾動，滑動或跳躍前進的泥沙，稱推移度(也稱底沙)。特點：顆粒d較粗，占河總沙量的5～１０％。但對河床演變起重要作用?！乙瀑|(zhì)(懸沙)：懸浮于水中隨水流

8、前進的泥沙稱懸移質(zhì)。特點：粒徑較細，在沖積平原江河中，占總沙量的90～９５％?！ぢ?lián)系和區(qū)別：同一泥沙在較緩水流作用下，也可表現(xiàn)為推移質(zhì)；在較強水流作用下，也可表現(xiàn)為懸移質(zhì)。推移質(zhì)與床沙也可處于不斷交替之中。二、推移質(zhì)運動對于推移質(zhì)運動，與取水工程最為密切的問題是泥沙的起動和沙波運動。1．泥