第二三章_河床演变的基本原理

U3 m S* = k ( ) ghω
河 相 关 系 与 流 量 之 间 的 关 系
B 1Q 1
H 2Q 2
U 3Q 3
Q = BhU
取代约束方程中的变量
1 2 3 12 U= h J n
J 4Q 4
Q = BhU
U3 m S* = k ( ) ghω
4 个未知变量
谢鉴衡提出另一种表达方式
河名 长江 黄河
河段及河型 荆江，蜿蜒段 高村以上，游荡段 高村至陶城埠，过渡段

0.235～0.515 0.032～0.095 0.082～0.127
第二节
造床流量（Dominant discharge）
（1）定义 造床流量是其造床作用与多年流量过程的 综合造床作用相当的某一种流量。 注意：
（1）河床的稳定性 （2）特征流量的大小
第一节
河床的稳定性
（1）定义 假如河段在一个长时期内输沙平衡, 并且 河床变形不大, 河床可以认为是稳定的 （2）河床稳定性与泥沙输移平衡 不平衡=不稳定 平衡≠ 稳定 平衡但是不稳定
假如河段在一个长时期内输沙平衡，但是成型 的泥沙淤积以及泥沙输移会逐渐削弱河道的相 对变化，此时，河道却是不稳定的。
)
当造床流量Q、相应含沙量S及床沙粒径d为定值，既不 因时而变，也不沿程变化，则纵剖面为一稳定的比降 沿程不变的直线，可以称之为绝对平衡纵剖面。 在现实中只存在一种准平衡纵剖面，通常其流 量沿程增大，含沙量及床沙粒径则沿程减小，因而纵 剖面的比降是沿程减小的。
（3）持续堆积纵剖面
①定义：与平衡纵剖面不同，持续堆积纵剖面是一种 处于持续堆积状态，但形态仍基本不变的纵剖面。 ②形成条件 上游来水量小，来沙量大，进入平原地区后发生严重 堆积。 河口地区水深浅，潮流弱，使得入海泥沙沉积在河口 附近，使河口三角洲不断向外延伸。 eg.黄河下游 纵剖面发展模式：由超饱和挟沙引起的自上而 下的沿程淤积与由河口延伸引起的自由而上的溯源淤 积结合起来，形成多年情况下纵剖面平行抬升的格局
U 2 Qf B Kn 0.15 Qm aU cb h
最小能耗假说
最早由赫姆霍尔茨提出，代表人物：维利坎诺夫、杨志 达、张海燕等 QJ min
UJ min
QJ
B min
③断面河相关系法
B 1Q 1
H 2Q 2
b1
b2
0.87～1.56
0.67～0.77
O.18～0.45 0.09～0.17
3、综合稳定系数 河床稳定和河岸稳定同样重要； 综合考虑构成综合稳定系数； 钱宁提出的游荡指标：

hJ 表征河床的可动性 d 35
B
Bmax为历年最高水位下的水面宽度 Qmax, Qmin为汛期最大及最小日平均流量 ΔQ为一次洪峰中流量涨幅 Q、B、h为平滩流量及与之相应的河宽 和水深（channel-forming discharge） Ｔ为洪峰历时
f 3 J 0.00056 1 Q6
5
1
给出 R, χ和 J的表达式 泥沙粒径 d50 ,流量Q d50 单位mm，其他采用英尺, s.
f = 1.59 d 50
早期的经验性河相关系 格鲁什科夫经验性河相关系(1924):
B H
河宽B及平均水深h是相应于平滩流量而言 ζ通称河相系数，山区河段为1.4， 细沙河段为 5.5 阿尔图宁
两种水动力几何关系
相应于某一特征流量的沿程个断面的河相关系— —沿程河相关系 同一断面相应于不同流量的河相关系——断面河 相关系 一般情况下是指沿程河相关系，利用沿程河相关 系确定断面的总体轮廓之后，再用断面河相关系 确定变化细节。
（2）早期的河相关系
早期的河相关系基本都是经验性质的
肯尼迪(R．G．Kennedy)经验性河相关系(1895):
B and Bs are the actual and characteristic width respectively ξis the coefficient of stable width: 稳定的中游河段, ξ=1.0-1.1 较稳定的下游河段, ξ=1.1-1.3 较不稳定的下游河段, ξ=1.3-1.7 Φb越大, 河岸越稳定 φb越小, 河岸越不稳定
希尔兹数的倒数 对于天然泥沙,
s d
hJ
s

是常数，因此: h 1
d hj
d --- 床沙粒径 h ---相对于造床流量的水深 j ---相对于造床流量的比降
结论： 纵向稳定系数愈大,泥沙运动强度愈弱, 河床变形的可能性愈小。
纵向稳定系数被洛赫庆进一步延伸 :
讨论 : 1.床沙组成0.25mm,水深15m，比降1.0/10000 ，纵 向稳定系数？ 2. d 、j 在洛赫庆系数中的关系
河名 长江 黄河 高村至陶城扑埠，过渡段 河段及河型 荆江，蜿蜒段 高村以上，游荡段
h1
h2
φh 2
d = j
0.27~0.37 0.18~0.21 0.17
2.9~4.1 0.31~0.34 0.42~0.54
U 3Q 3
J 4Q 4
注意：
对河相系数ζ随流量变化的分析表明，对于游荡性 河流，关系十分散乱，ζ具有随流量增大而增大 的趋势。对于顺直、弯曲及分汊（限于一汊）河 流， ζ具有随流量增大而减小的趋势。
第四节
河流纵剖面
（1）基本概念及分类
河流纵剖面是断面水力几何形态，也属于河相因素。
（4）造床流量的保证率
造床流量（平滩流量）的保证率或累计率是一个令 人关注的问题。 目前，要用某种特定保证率或重现期确定平滩流量 是困难的。 钱宁根据美国河流的资料建议，作为粗略的近似，暂 时可取重现期为1.5年的洪水流量作为平滩流量。 注意：根据整个流量过程或历年最大洪峰流量绘制累 计频率曲线，其保证率和重现期的涵义是很不相同 的，数值上的差异很大，必须经过换算，才能相互 比较。
Q B A1 ( 2 ) x1 d d gdJ Q h A2 ( 2 ) x2 d d gdJ
②联解公式法
河 相 关 系 与 流 量 之 间 的 关 系
B 1Q 1
H 2Q 2
U 3Q 3
Q = BhU
取代约束方程中的变量
1 2 3 12 U= h J n
J 4Q 4
对英格兰的河流,第一造床流的发生频率是0.6% 上荆江的漫滩流量为 36400~39500m3/s, 发生的时间间隔 1.02~1.50years. 下荆江的漫滩流量26000m3/s (1955) 高村上游的游荡型河流,漫滩流量9000~10770m3/s, frequency: 0.3~0.4% 高村下游河段,漫滩流量5100~6950m3/s, frequency: 1.7~3.5%
港口航道与海岸工程专业(本科)
河床演变及整治
RIVER BED DEFORMATION AND REGULATION
主讲人：张晓雷
第三章 河流的水力几何形态
水力几何形态：能够自由发展的冲 积平原河流的河床，在挟沙水流长期作 用下，有可能形成与所在河段具体条件 相适应的某种均衡形态。 水力几何形态的主要影响因素：
结论： 平原河流的QmJP通常有两个峰值 较大的为第一造床流量 相对小一点的称谓第二造床流量 讨论---第一造床流量 第一造床流量 ---漫滩流量,约相当于多年平均最 大洪水流量。 不同河流和不同河段, 第一造床流量或者漫滩流量 的发生频率是不同的。
对俄罗斯的平原河流, 第一造床流的保证率在 1%~6%， 每年漫滩天数3.65 ~21.9d，重现期100~16.7 days
针对冲积河流，河床稳定性需要引进特征参数。 1、纵向稳定系数
1 f ( s ) d 3 泥沙抗拒运动的摩阻力 6 h1 2 水流拖曳力 2 ud c1 d 4 2g
u d c hJ
s d h1 c2 hj
拖曳力:水流作用于泥沙颗粒
泥沙抵抗运动的摩阻力
B max 表征河岸的控制程度 B 表征滩槽高差 h Qmax Qmin 表征流量变幅
Qmax Qmin

Q 表征洪峰陡度 0.5TQ
L 为一次洪峰过
程中深泓线摆 动的累积距离， 以m计； 荡强度
L BT 表示相对游
当Θ>5时属于游荡性河流 当Θ<2时，属于非游荡性河流 当2<Θ<5时，属于过渡性河流
Bm h
早期的经验性河相关系
不同河型ζ值变化表
河名 长江 汉江 黄河 黄河 河段河型 荆江，蜿蜒型河段 马口以下，蜿蜒型河段 高村以上，游荡型河段 高村至陶城埠，过渡河段 ζ 2.23～4.45 2．00 19.00～32.00 8.60～12.40
（3）近代的河相关系
①量纲分析 法(Velikanov)
河 流 纵 剖 面
河床纵剖面
在冲积河流上呈起伏不平的 正弦曲线 在冲积河流上起伏不明显
水流纵剖面
研究河流纵剖面规律，具有重要的实际意义： eg.泥沙淤积造成洪水水流纵剖面抬高对平原河流防 洪的影响； 水库淤积造成的回水末端洪水位太高。
（2）准平衡纵剖面
1 S d J ( A Q1 5
11 15 13 15
造床流量 ≠ 洪峰流量 洪峰流量具有很强的造床作用 洪峰流量持续的时间很短 造床流量 ＞ 枯期流量 枯期流量造床作用不强 枯期流量持续的时间比较强
（2）造床流量的计算方法---马卡维也夫法
断面流量过程分成不同流量级； 确定各级流量出现的频率P； 绘制流量～比降关系曲线，以确定各量级比降； 计算QmJP (m=2.0) 绘制QmJP～Q关系曲线 查出QmJP最大值，相应的流量Q即为造床流量 第一造床流量 第二造床流量