12河流的侵蚀和淤积的工程地质研究解析
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第十二章
第一节
第二节
河流的侵蚀和淤积 的工程地质研究
概述
河流的动力学特征
第三节
第四节 第五节 第六节
岩土的临界流速及河床的稳定性
山区和平原河流侵淤作用的某些特征 与河流侵淤作用有关的工程地质问题 河流的开发与整治
第一节
影响河流侵蚀和淤积的因素
概述
河流的侵蚀和淤积是改变地表形态最重要的地质作用之一。
研究意义：
从上述利弊可以看出，河流的侵淤对人类的影响，而人类活动引 起河流侵淤规律的变化，因此，为合理开发和治理河流，做到兴利 除害，研究和掌握河流的侵淤规律是很必要的。
第二节
向环流
一、河流的紊流特征
1 、河流运动时内部质点的运动状态可分为：
（1）层流：水质点做井然有序，互不混杂的运动 （2）紊流：水质点做不规则的相互混杂的运动。 紊流的基本特征：在流量不变的情况下，流场中任一 点的流速和压力随着时间呈十分不规则的脉动，即过水 断面上某一点瞬时流速的大小和方向均随时间呈不规则 的变化，它是促使河床土石侵蚀搬运的根本因素。
（ 3）
因为
F w
H
0
P w g J y dy H
由（5）式可知，单位质量水柱两侧的压力差P为
v2 dydz r
（ 4）
（ 5）
P g Jy
将式（4）及（5）带入式（3），则得
（ 6）
w
H
0
v2 dydz w g J y dy H = 0 r
表征水流和河床特征的要素
（1）表征水流特征的要素有：水位、流量、流速、水流结构和 含沙量等。
（2）表征河床特征的要素有：河床平面和断面的几何形态，纵 横坡降，组成床底及床岸的物质等。
河流侵淤作用对人类生活和生产活动的影响
有利方面：河流的侵淤作用，为人类塑造了良田沃土和广阔 的建筑场地，提供丰富的水能资源，开辟航运之便，且为现代化大 型工程提供了丰富的天然建筑材料。 危害：威胁桥台、桥墩等跨河建筑物的特定和安全，使边岸 坍塌，使航道和港口淤塞，使沿岸引水和取水工程失效等等。
（11）
（12） 由式（2）及式（12）可知，离心力fc和压力差P沿水深H的变化是不 同的。（见下图）
U P r
离心力与水流纵向 流速平方（v2）成正 比，而v沿水深分布 不均匀，自河底向水 面增大，故离心力也 自水底向水面增大； 压力差与水面横向比 降成正比或与U的平 方成正比，U与v不 同，它是v在水深H 上的平均值，即在一 定条件下不随水深而 变，故压力差沿水深 不变。 两者合成的结果，上层水体所受的合力指向凹岸，因此发生向凹 岸流动；而下层水体所受的合力指向凸岸，因此发生向凸岸的流动。 结果在弯曲河道上形成了横向环流。这种环流叠加在主流上，使水流 呈螺旋式前进运动。当凹岸在河流右侧时，环流呈顺时针方向；在左 侧时则为逆时针方向。
m v2 F r
对单位质量水体的离心力fc为
（ 1）
v fc r
2
（ 2）
由于离心力的存在，自由水面的平衡状态遭到破坏， 因而水面将作相应的调整，凹岸水位升高，凸岸水位降低， 从而形成横向水面比降。其值可由水体的横向动力平衡条 件来推导。
取厚度为1，宽度为 dy的一个微小水柱， 分析其横向动力平衡 情况，当二维恒定环 流时，水柱横向所受 的力有：离心力 F ； 水柱两侧压力差P （指向凸岸）；水柱 底部摩擦力T，因T值 很小，可以略去不计。 这时水柱横向动力平 衡方程为 F-P=0
（ 7）
解得水面横向比降Jy为
1 H v2 Jy dz gH 0 r
（ 8）
如令
1 H
H
0
v2 U2 dz 0 r r
（ 9）
则得水面横向比降Jy为
U2 J y 0 gr
因α0 一般接近与1.0，故（10）式可近似写成
（10）
U2 Jy gr
将式（11）代入式（6）中，则得P为
水流与河床的特征、流域内的气候特点、地层岩性、地质构造、 土壤及植被发育情况等等。
这些因素对河流侵淤作用的影响，有的具有长期的、区域性的作 用，有的仅在短期内对局部河段有影响。 其中：水流和河床的相互作用是引起河流发展和变化的根本因素。 水流作用于河床，引起河床变形，而变化了的河床又作用于水流， 使水流速度和流态发生变化，两者既相互依存，又相互制约，从 而推动着河流不断变化和发展。水流是挟带着泥沙的二相体系， 河床由泥沙组成，水流与河床的相互作用是通过两者间的泥沙交 换来实现的。 因此，河流的侵淤作用以及由此引起的河床演变规律，是水流与 河床的动平衡不断发展变化的结果。
3、横向环流：纵轴副流的旋转轴与河流总方向一致，这种
副流又称横向环流。 造成横向环流的原因很多，诸如地球自转引起的科氏力，河 道水位涨落，离心力作用等，其中弯道河流水流离心力作用是 最主要的原因。
4、在弯道河流中水流的离心力引起的横向环流
在弯曲河道中的水流是作曲线运动的，因此，它受到惯 性离心力 F的作用，这种力的方向指向水流流线的外法线， 其值为
河道水流一般都呈紊流。
2、时间平均流速
时间平均流速：在某一足够长的时间间隔内，任一点 瞬时流速的平均值。
在河流过水断面上各点的时间平均流速是不同的。 （如下图）
在断面中上部最大，在断面下部及两侧最小，其余部 分的流速介于两者之间。
3 、造成水流对河床泥沙的侵蚀和搬运的原 因
（ 1 ）河床表面低速流层的厚度极薄，仅对极细的 泥沙颗粒起一定的屏蔽作用，而卵砾乃至部分砂粒的上 部或大部已处于高速水流作用之中。 （2）河道水流呈紊流，而紊流具有脉动特征，且易形 成紊动旋涡，这些紊动旋涡既有上下、左右、前后的运 动，又有旋转运动，当达到一定流速时，即能掀起河床 的泥沙。水流脉动速度越大，紊动旋涡的尺度越大，而 大尺度的旋涡能携带河床泥沙进入主流区，并是泥沙悬 浮的主要动力。
二、横向环流
1、主流：水体在重力作用下沿着河槽总方向运动者称为主
流。
其流线和速度向量基本平行，且大致平行于河槽的轴线。 （沿河槽纵向流动的方向）
2、副流：在各种因素下，水流内部质点产生有规律、大规
模的水体旋转运动称为副流。
副流是引起泥沙横向移动的主要动力，是形成河槽形状多样 化的重要原因。
根据水流所围绕的旋转轴方向不同，可以分为纵轴、横轴、斜 轴及竖轴副流四类。
第一节
第二节
河流的侵蚀和淤积 的工程地质研究
概述
河流的动力学特征
第三节
第四节 第五节 第六节
岩土的临界流速及河床的稳定性
山区和平原河流侵淤作用的某些特征 与河流侵淤作用有关的工程地质问题 河流的开发与整治
第一节
影响河流侵蚀和淤积的因素
概述
河流的侵蚀和淤积是改变地表形态最重要的地质作用之一。
研究意义：
从上述利弊可以看出，河流的侵淤对人类的影响，而人类活动引 起河流侵淤规律的变化，因此，为合理开发和治理河流，做到兴利 除害，研究和掌握河流的侵淤规律是很必要的。
第二节
向环流
一、河流的紊流特征
1 、河流运动时内部质点的运动状态可分为：
（1）层流：水质点做井然有序，互不混杂的运动 （2）紊流：水质点做不规则的相互混杂的运动。 紊流的基本特征：在流量不变的情况下，流场中任一 点的流速和压力随着时间呈十分不规则的脉动，即过水 断面上某一点瞬时流速的大小和方向均随时间呈不规则 的变化，它是促使河床土石侵蚀搬运的根本因素。
（ 3）
因为
F w
H
0
P w g J y dy H
由（5）式可知，单位质量水柱两侧的压力差P为
v2 dydz r
（ 4）
（ 5）
P g Jy
将式（4）及（5）带入式（3），则得
（ 6）
w
H
0
v2 dydz w g J y dy H = 0 r
表征水流和河床特征的要素
（1）表征水流特征的要素有：水位、流量、流速、水流结构和 含沙量等。
（2）表征河床特征的要素有：河床平面和断面的几何形态，纵 横坡降，组成床底及床岸的物质等。
河流侵淤作用对人类生活和生产活动的影响
有利方面：河流的侵淤作用，为人类塑造了良田沃土和广阔 的建筑场地，提供丰富的水能资源，开辟航运之便，且为现代化大 型工程提供了丰富的天然建筑材料。 危害：威胁桥台、桥墩等跨河建筑物的特定和安全，使边岸 坍塌，使航道和港口淤塞，使沿岸引水和取水工程失效等等。
（11）
（12） 由式（2）及式（12）可知，离心力fc和压力差P沿水深H的变化是不 同的。（见下图）
U P r
离心力与水流纵向 流速平方（v2）成正 比，而v沿水深分布 不均匀，自河底向水 面增大，故离心力也 自水底向水面增大； 压力差与水面横向比 降成正比或与U的平 方成正比，U与v不 同，它是v在水深H 上的平均值，即在一 定条件下不随水深而 变，故压力差沿水深 不变。 两者合成的结果，上层水体所受的合力指向凹岸，因此发生向凹 岸流动；而下层水体所受的合力指向凸岸，因此发生向凸岸的流动。 结果在弯曲河道上形成了横向环流。这种环流叠加在主流上，使水流 呈螺旋式前进运动。当凹岸在河流右侧时，环流呈顺时针方向；在左 侧时则为逆时针方向。
m v2 F r
对单位质量水体的离心力fc为
（ 1）
v fc r
2
（ 2）
由于离心力的存在，自由水面的平衡状态遭到破坏， 因而水面将作相应的调整，凹岸水位升高，凸岸水位降低， 从而形成横向水面比降。其值可由水体的横向动力平衡条 件来推导。
取厚度为1，宽度为 dy的一个微小水柱， 分析其横向动力平衡 情况，当二维恒定环 流时，水柱横向所受 的力有：离心力 F ； 水柱两侧压力差P （指向凸岸）；水柱 底部摩擦力T，因T值 很小，可以略去不计。 这时水柱横向动力平 衡方程为 F-P=0
（ 7）
解得水面横向比降Jy为
1 H v2 Jy dz gH 0 r
（ 8）
如令
1 H
H
0
v2 U2 dz 0 r r
（ 9）
则得水面横向比降Jy为
U2 J y 0 gr
因α0 一般接近与1.0，故（10）式可近似写成
（10）
U2 Jy gr
将式（11）代入式（6）中，则得P为
水流与河床的特征、流域内的气候特点、地层岩性、地质构造、 土壤及植被发育情况等等。
这些因素对河流侵淤作用的影响，有的具有长期的、区域性的作 用，有的仅在短期内对局部河段有影响。 其中：水流和河床的相互作用是引起河流发展和变化的根本因素。 水流作用于河床，引起河床变形，而变化了的河床又作用于水流， 使水流速度和流态发生变化，两者既相互依存，又相互制约，从 而推动着河流不断变化和发展。水流是挟带着泥沙的二相体系， 河床由泥沙组成，水流与河床的相互作用是通过两者间的泥沙交 换来实现的。 因此，河流的侵淤作用以及由此引起的河床演变规律，是水流与 河床的动平衡不断发展变化的结果。
3、横向环流：纵轴副流的旋转轴与河流总方向一致，这种
副流又称横向环流。 造成横向环流的原因很多，诸如地球自转引起的科氏力，河 道水位涨落，离心力作用等，其中弯道河流水流离心力作用是 最主要的原因。
4、在弯道河流中水流的离心力引起的横向环流
在弯曲河道中的水流是作曲线运动的，因此，它受到惯 性离心力 F的作用，这种力的方向指向水流流线的外法线， 其值为
河道水流一般都呈紊流。
2、时间平均流速
时间平均流速：在某一足够长的时间间隔内，任一点 瞬时流速的平均值。
在河流过水断面上各点的时间平均流速是不同的。 （如下图）
在断面中上部最大，在断面下部及两侧最小，其余部 分的流速介于两者之间。
3 、造成水流对河床泥沙的侵蚀和搬运的原 因
（ 1 ）河床表面低速流层的厚度极薄，仅对极细的 泥沙颗粒起一定的屏蔽作用，而卵砾乃至部分砂粒的上 部或大部已处于高速水流作用之中。 （2）河道水流呈紊流，而紊流具有脉动特征，且易形 成紊动旋涡，这些紊动旋涡既有上下、左右、前后的运 动，又有旋转运动，当达到一定流速时，即能掀起河床 的泥沙。水流脉动速度越大，紊动旋涡的尺度越大，而 大尺度的旋涡能携带河床泥沙进入主流区，并是泥沙悬 浮的主要动力。
二、横向环流
1、主流：水体在重力作用下沿着河槽总方向运动者称为主
流。
其流线和速度向量基本平行，且大致平行于河槽的轴线。 （沿河槽纵向流动的方向）
2、副流：在各种因素下，水流内部质点产生有规律、大规
模的水体旋转运动称为副流。
副流是引起泥沙横向移动的主要动力，是形成河槽形状多样 化的重要原因。
根据水流所围绕的旋转轴方向不同，可以分为纵轴、横轴、斜 轴及竖轴副流四类。