博导第6讲 蜿蜒型河道的演变规律

终点辐射线所构成的夹角。
凹岸：凹向水流的河岸。 凸岸：凸向水流的河岸。
过渡段：两反向弯道之间的直线段。
➢横断面形态
弯道段：呈不对称三角形，凹岸一侧坡陡水深， 凸岸一侧坡缓水浅。
过渡段：呈对称的抛物线形或梯形。 由弯道段至过渡段断面形态沿程是逐渐变化的。
➢纵断面形态 深泓线沿程 起伏相间。 纵向比降
注意： ①并不是只有弯道才能形成环流； ②凡是水流弯曲的部位都存在环流； ③不能以河段的弯曲与否，而应以水流的弯曲
与否来判断是否产生环流； ④在弯道内产生的环流称为弯道环流。
水流动力轴线（主流线） ✓ 概念: 纵向水流各断面最
大垂线平均流速处的连线 ✓ 位置:
弯道入口段或者上游的 过渡段，主流偏靠凸岸 一侧
裁 弯
引河线路 引河规划设计
规
引河平均形式
划
设 护岸工程规划设计
计
“引河法”是1933年由福格森提出，即在 选定的引河线路上，先开挖出一条断面较小的
引河，利用水流自身能量，塑造成可通过全河
流量的新河。
裁 内裁 弯 外裁
引河与老 河主流线 夹角θ不 >300
引河长度以裁弯比作为控制标准（3~10）。 裁弯比是指裁弯段老河轴线长与引河轴线长之比。
➢ 新河道常发展较快，2～3年即可发展完整。 ➢ 例如：下荆江自1860~1949年的近90年中，在
太公湖、西湖、古长堤、尺八口及碾子弯等多 处自然裁弯。
➢ 又如：渭河下游自1958~1975年，发生了西毕 家、西李家及金滩等8处自然裁弯。
自 然 裁 弯
3、撇弯
➢ 定义：当河弯发展成曲 率半径很小的急弯后， 遇到较大洪水，水流弯 曲半径远大于河湾曲率 半径，这时在主流带与 凹岸急弯之间产生回流， 使原凹岸急弯淤积。
➢泥沙输沙特点：
①泥沙的异岸输移和同岸输移； ②泥沙沿程的聚散现象。 由弯道凹岸冲刷下来的泥沙，一部分被较 强的环流带到本弯道凸岸淤积，其余的被带到 过渡段或下一个弯道的凸岸淤积下来，只有很 小一部分淤积在更下游的过渡段和弯道凸岸。
弯道和过渡段泥沙输移能力
河时
H
J
段期
n
挟沙力
洪
弯
大
大
小
大
道水
段
枯
小（过渡段壅水 大（河段形态 小
平面变形虽然比较大但有一点的限度。
2、横向变化 表现为：凹岸崩退和凸岸相应淤长，弯道相 应移动。
特点：凹 冲凸淤， 断面形态 相似，冲 淤横断面 面积接近 相等。
崩退面积等于淤长面积面积时，横断面变形平衡。
一般的，凹岸抗冲能力较弱，必然导致河 岸崩塌，过水面积增大，引起横向输沙的不平 衡，从而导致凸岸相应总是趋于淤长的。
结论：横断面变形最本质的原因是横向输沙不平衡。
另外，过渡段两岸冲淤变化强度较弱，冲淤 面积接近相等，断面形态保持不变。
3、纵向变化
弯道: 洪水期冲刷，枯水期淤积； 过渡段:洪水期淤积，枯水期冲刷； 在一年内或者一个长时期内保持平衡。
三、突变
自然裁弯
1、分类
撇弯
切滩 2、自然裁弯
自然裁弯 ➢ 凹岸冲刷、凸岸淤积导致弯道的移动，这种横 向移动导致弯道的曲率半径减小，弯道上下游 的狭颈变窄，直到在洪水期发生自然裁弯。
三、输沙特性
横向环流决定了泥沙运动的特点。横向环流 引起横向输沙问题。 ➢横向输沙：
由图中可知：
①环流下部的输沙率恒大于上部；且随z值增大，下 部的愈大与上部；
②造成①的原因是与含沙量沿垂线分布有关； ③横向输沙总是不平衡的；净输移量朝向环流下部
所指方向（凸岸）
➢纵向输沙：长时段基本处于平衡
洪水期： 弯道段大于过渡段 枯水期： 弯道段小于过渡段
➢ 自然裁弯使得原河弯淤积成牛轭湖；而切滩不会， 它形成串沟，从而演变为分汊河段。
➢ 自然裁弯对河势的影响要比切滩大的多。
切滩
第四节 裁弯工程
蜿蜒型河段发展到一定程度，常发生自然 裁弯。自然裁弯可能产生不利影响。因此，为 了使其朝有利方向发展，充分掌握主动权，可 以运用河道发展自然规律，进行人工裁弯。
➢平面形态 由一系列正反相间的弯道和介乎其
间的过渡段衔
接而成。
弯道
曲折系数K ： K Lc Ll
过渡段
➢几个概念 几个弯道?
弯距L：相邻的三个弯道的首尾弯道的弯顶直线距离 摆幅Bm：相邻两弯顶的横向距离；表征河段摆幅范围 曲率半径R：单个弯道弯曲程度沿程变化，在一定
范围内常近似为圆弧形，用其半径表 示弯曲程度。
至弯顶稍上部位，主流 才偏靠凹岸（顶冲点）
顶冲点以下相当长的距 离，主流紧贴凹岸
水流动力轴线
➢ 随着流量的变化而变化:
✓ 低水傍岸/低水走弯
✓ 高水居中/高水走滩
✓ （顶冲点）低水上提
✓ （顶冲点）高水下挫
➢ 河湾形态的影响
R 0.26R00.73 (
B )0.73 (QH J 2/3 1/ 2 )0.23 H
第六章 蜿蜒型河段的演变及整治 (meander/wandering reach)
“九曲回肠”的长江下荆江河段 渭河下游，滹沱河下游
1、河型判别
（1）曲折系数K
➢曲线长度和直线长度的比值 K=Lc/Ll ➢Lc 为几何坐标长度 ➢Ll 为连接河段两个端点中心的直线长度
（2）不同河段的曲折系数K ➢长江 ✓上荆江曲折系数平均值 1.31 ✓下荆江曲折系数平均值 1.89. ➢黄河下游 ➢过渡段曲折系数平均值 1.33 ➢受到整治工程限制的蜿蜒段曲折系数平均值 1.21
引河横断面一般设计为梯形，边坡系数由土壤
性质确定。
引河开挖
王庵控导切滩导流示意图
二、河床演变估算
估 基于输沙平衡原理，联解水流和
算
泥沙方程
方 法 数值模拟——平面二维数学模型
讨论
➢ 取水口的布置 ➢ 凸岸的取水口如何布置? ➢ 弯道如何防护? ➢ 弯曲河段形成条件与机理? ➢ 裁弯取直的应用?
（3）用曲折系数区分顺直与弯曲
➢19世纪50年代, 张瑞瑾提出曲折系数大于1.2为蜿蜒型河段 ➢后来根据实测资料
✓ 当K> 1.25, 河型为蜿蜒型河段 ✓ 当K< 1.15,河型为順直型河段
（4）河型判别标准
➢江心滩、洲是分汊河型的标志 ➢曲折系数是顺直、弯曲的区分标志 ➢游荡河型很宽，但是没有稳定的江心洲滩，顺直而
人工裁弯是一项根本改变河道现状的工 程措施，一旦决策失误，必会适得其反。
因此，事先进行裁弯勘测规划设计，对 裁弯后的河床演变作出预报，并提出相应对 策，然后付诸实施。
一、裁弯规划设计
人工裁弯取直是一种强制性整治措施， 应遵循因势利导的治河原则，使裁弯新河与 其上下游河道平顺衔接，形成顺乎自然发展 的河势。
小
水
影响）
及沙波影响）
洪
小（ 下 弯 道 壅 水
过
大
小
小
水
影响）
渡
段枯小
大
大
大
水
第二节 演变规律
一、演变分类
按照缓急程度 一般演变
河床演变 突变
二、一般演变
水沙运动
蜿蜒型河段作为一整体处于不断演变过程中。
主要从
ห้องสมุดไป่ตู้
平面变化 横向变化
阐述其演变规律
纵向变化
1、平面变化 表现为：蜿蜒曲折程度不断加剧，河长增加， 曲折系数K也随之增大。
曲率半径R的大小与河流尺度和动量有关。
于军 曲率半径R：
R 330Qm0.7a2x6
1.15
大水出大弯，
欧阳屡泰
R 330Qm0.7a2x6
1.15
小河出小弯
Q, J 为平滩水位时的流量和比降， Qmax 为年均最大流
量， φ=ө 为中心角。
中心角θ：在半径R的单个弯道内，上游起点和下游
注意： 撇弯时凹岸淤积。
4、切滩
➢ 定义：河弯曲率半径适中， 而凸岸边滩延展较宽且较 低时，遇到较大洪水，水 流弯曲半径大于河湾曲率 半径较多，这时凸岸边滩 被水流切割形成串沟，分 泄一部分流量。
➢切滩原因：凸岸边滩较 低，抗冲能力较差。
监利河湾切滩
5、自然裁弯与切滩的异同
➢ 自然裁弯是在两个河弯之间的狭颈上进行的；切 滩是发生在同一河湾的凸岸。
主流线： （水动力轴线）
(a)
(b)
螺旋流： 纵向环流与横向环流结合起来就形成 了螺旋流。
蜿蜒型河段水流运动
受重力及离心惯性力双重作用； 等压面与二力合力垂直
水位沿横向呈曲线变化 凹岸水位高于凸岸水位
弯道水流特点
水面 横比 降Jz
凹岸和 凸岸的 纵比降Jx
横向 环流
纵向垂 线平均 流速U
水流 动力 轴线
且宽浅---游荡指标
典型蜿蜒河段
Incised meanders developed in the Goosenecks of the Colorado Plateau
荆江下游河段
本章主要内容
第一节 河段的特性 第二节 演变规律
第三节 整治措施 第四节 裁弯工程
第一节 河段的特性
一、形态特性
横比降的水体受力特点，会形成横向环 流，环流方向在上部恒指向凹岸，下部恒指 向凸岸。
横比降的存在使得水流纵比降JZ沿凹岸和 凸岸不同。
表层水流结构特点： ➢弯道存在横比降 ➢凹岸水位恒高于凸岸 ➢纵向出现负比降
➢凹岸纵比降：
✓上游到中部---负比降 ✓中部到下游---正比降
➢凸岸纵比降：
✓上游到中部---正比降 ✓中部到下游---负比降
平面形态发生变化的原因是：凹岸的不断
崩退和凸岸的相应淤长，使河湾在平面上不断 发生位移，并且随弯顶向下游蠕动而不断改变 其平面形状。且变化尺度相当大。