河道弯曲探析

河道弯曲探析
当前主要的河道弯曲成因假说尚不能完美解释河道弯曲的各类现象。

文章根据河流动力学及土力学的基本原理来分析a河道弯曲的形成原因，认为河道弯曲是由地表的高低起伏以及水流对河岸的侧向侵蚀作用与河岸的抗冲能力之间的相互作用引起的，并据此分析了河道弯曲的演变过程，从能量的角度分析了弯曲河段作为消能结构对河道演变的影响及其作用。

标签：河道弯曲原因作用消能结构
1河道弯曲的原因
根据河流动力学及土力学的基本原理来分析河道弯曲的形成原因，河道弯曲是由地表的高低起伏以及水流对河岸的侧向侵蚀作用与河岸的抗冲能力之间的相互作用引起的。

雨水总是流向附近的洼地，而各处洼地不可能是沿着直线型的，因此当下行水流的冲刷力不足以克服较高的土坡抗冲力的时候，随着雨水越聚越多，水流的向下侵蚀作用及侧向侵蚀作用越来越大，洪流流经的洼地将不断地发展成蜿蜒曲折的河道。

2河道弯曲的演变
高低不平的地形经雨水不断的冲刷形成在一定时间内保持一定宽度、深度的蜿蜒曲折的河道，河道的平面形状及断面形式随着河水的冲刷不断变化。

河湾的形成及其演化取决于雨水所冲刷的地形地质及河水的冲刷力，在河湾处，河岸所受的作用与顺直河道不同之处在于河水对弯曲河岸的正面冲刷及环流的影响。

当水流动力对河岸的冲刷力大于河岸的抗冲力时，河岸就会失稳崩塌，泥沙随着河水运动，又由于河湾处存在着环流[2]作用，一部分崩塌下来的泥沙随底部水流淤积到凸岸。

这样，河湾凹岸不断崩塌后退，凸岸边滩不断淤长，逐渐形成更大的河湾。

当河湾遇到很大河水冲刷如洪水的冲刷时，很可能破开河湾发展成顺直新河，这就是自然裁弯。

河流自然裁弯后，新的河弯又向弯曲方向发展，如此不断循环，形成周期性的发展模式。

河道弯曲发展模式如图1所示。

3河道弯曲的作用
河水断面平均流速越大对弯曲河岸的正面冲击作用也越大，河水流速与河床坡度大小、沿程阻力等有关。

在图2所示的弯曲河道中，上游河湾入口2-2断面处与河湾出口到3-3断面处有不同的能量构成。

上游河湾入口2-2断面处河水能量为河水势能与动能之和，在流经一定距离到3-3断面后，势能为与动能为，因为河水是由泥沙和水组成的有一定粘性的多相混合流体，具有一定的粘滞性，在流动的过程中有内在的摩擦力，摩擦力做功消耗了河水的能量，同时河水与河床边界之间的阻力也做功消耗了河水的能量，将河水的粘滞阻力及流体与河床边界的阻力做功统称为沿程能量损失，在
河水流经河湾时即从2-2断面到3-3断面的过程中，弯道处河岸承受水流的正面冲击作用力，此作用力做功消耗河水能量。

根据能量守恒原理，Ep2+Ek2=Ep3+Ek3+Ef
因为Ep3<Ep2 ，则Ek2<Ek3+Ef
其中，Ek=■M水流V水流2
从上式得，上游河湾入口处水流的势能的一部分转化为动能及冲击能，冲击能的大小与水流流速、弯曲段长度、曲率大小、河岸土体的组成、粘性、密实度、孔隙水分布、植被等情况有关，当冲击能非常小甚至为零时，则从河湾入口处开始到河湾出口处流速将增大，河湾段水流流速增大，水流对弯曲河岸的冲击力随之增大，河岸崩塌，冲击力增大，冲击力做功增大，则弯曲河段动能减少即河湾段水流速降低，当水流冲刷力与弯曲段河岸抗冲能力达到平衡时则河岸保持稳定。

当来水来沙条件变化如有洪水时，弯曲河道将可能被截断从新变成顺直河段，从而进入下一个弯曲河道的演变循环。

此即自然界的自我调节机制，通过抑制和减弱最初发生变化的那种趋势的负反馈来达到动态平衡的稳定状态。

自然界的这种自我调节功能是有一定限度的，如果外来干扰因素洪水、泥石流、人类修建大型工程等超过一定限度的时候，自然界自我调节功能本身就会受到损害，从而引起失衡。

河道弯曲段消耗上游水流的能量，调节水流。

基于以上的分析，我们知道弯曲河段起着消能结构的作用，根据这一原理可以修建各类人造消能结构来调节河流特定位置水流流速，或者修建消能结构后对河流进行截弯取直而不用担心对河岸的冲刷，或者建造人工湖泊降低水位及水流流速来进行防洪。

在进行大型水利水电工程的时候考虑分析河道的自我调节反馈机制能更好地发挥大型工程的功能而减少它的危害。

4结论
通过以上的分析、论述，地表的凹凸不平是弯曲河段形成的初始原因，弯曲河段形成后，其变化发展则依赖于河水的冲刷力及河岸的抗冲力，冲刷力及河岸的抗冲力二者相互影响、互为消长，共同决定着弯曲河道的演变，弯曲河段遵循着由顺直到弯曲到截弯取直的循环往复的永不停止的循环过程，它是一种动态的平衡稳定状态。

从能量角度来讲，弯曲河段是一种自然形成的消能结构，是自然界一种反馈式的自我调节，它一定程度地确保了河流系统不会对自然系统造成极大的破坏，依据这一原理，人类可以据此对河流进行人工改造，使河流沿着可预见可控制的方向发展演变。

参考文献
[1]许栋. 蜿蜒河流演变动力过程及其研究进展[J].泥沙研究.2011第04期.
[2]王平义.弯曲河道凹岸冲刷的环流分析[J]：重庆交通学院学报.1994第三期.。