第七章河床演变分析及河床变形计算
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第七章
河床演变分析及 河床变形计算
目的引：言对河床变形作出定性、定量的预测。
河床变形预测方法：
⑴河床演变分析
根据历史实际观测资料对河道历史演变过程进行分析，再根据现在的 河床边界条件，定性预测河道以后的发展趋势。
⑵河床变形计算
根据水流泥沙运动的基本理论和河床演变的基本原理，建立数学模型， 依据一定的初始和边界条件，定量求解河道的冲淤变化过程。
x
t
泥沙连续方程的推导见图7-16
㈡有限差分计算方法
有限差分方法：将计算河段化分为若干短河段，并假定每个短河段
为恒定水流。 Q A 0 Q AVH x t
V V H
t V x g x g J 0 J f
1 V 2 (z Z0 )
2g x
x
J0 J f
1 2g
V 2 x
Fig7-10
7～9月： 冲刷
11～4： 淤积
图7-10 黄河秦厂站1954年流量、含沙量过程线
Fig7-11
Fig7-12
图7-12 水流泥沙特性因素空间变化比较图
Fig7-13
Fig7-14
Tab7-1
Fig7-15
Fig7-16
单位时间的入沙量：G
单位时间的出沙量：G G dx x
三、河床细部变形计算。。
四、河床变形极限平衡计算
㈠极限平衡状态分类
•淤积平衡状态 •冲刷平衡状态
㈡极限状态估算
1、目的：算出极限平衡状态下的J、B、H、V等水流要素
2、淤积平衡状态计算
Q BHV
V S
B
1 H 2/3J n
S* K
1/ 2
V3
gH
m
B H V J
2、套绘历年水流动力轴线图
•可分析出水流最大动量所在位置 •水流动力轴线通过的位置多为深槽 •水流动力轴线贴岸，则河岸易冲刷
㈥河床演变的综合分析。。
二、河床变形计算
㈠基本方程
水流连续方程： Q A 0 x t
水流运动方程：
V t
V V x
g H x
g
J Jf
泥沙连续方程： G B Z0 0
Fig7-6
•都天庙凹冲凸淤，且速度均快 •和畅洲头冲尾淤，江心洲不断下移，但头冲快而尾淤慢 •主流线不断左移引起凹岸冲刷，下移引起和畅洲头崩坍后退
Fig7-7
•断面呈“V”型 •凹冲凸淤，河床向右岸摆动 •深泓向右移动了300多米
Fig7-8
Fig7-9
1955年：丰水枯沙年 1964年：中水中沙年 1958年：枯水丰沙年
⑶河工模型试验
利用水流泥沙运动的相似理论和原理，制作实体(物理)模型来模拟原 型的边界及动力条件，从而预测河道的发展。
一、河床演变分析
㈠河床演变分析的基本原则
1、以河床演变的基本理论为指导 2、以主要影响因素为主线 3、以天然河道的实测资料为基础
㈡河床冲淤变形分析
1、历史演变分析
•目的：了解目前河床演变处于何种阶段及演变的位置、规模和速度 •方法：套绘地形、河势、航道等图(Fig7-1)
J
J f
V 2n2 H 4/3
J
Q2n2 B 2 H 10 / 3
1 2gΔ
x
Q2 B22 H
2 2
Q2
B12
H
2 1
G x
B Z0
t
0 ΔZ0
G2 G1 Δ t
BΔ x
㈢变形计算中的若干问题
1、计算年的选择 2、流量的分级及时段的划分 3、河段及典型断面的划分 4、糙率的确定 5、输沙率的计算 6、泥沙颗粒组成的确定 7、床沙粗细化的影响 8、冲淤方式的假定
㈡河床冲淤变形分析
2、近期演变分析
⑴纵向变形分析
①套绘历年深泓线剖面图(Fig7-3) ②根据历年横断面图计算冲淤量(Fig7-4) ③根据水文站输沙量资料计算冲淤量 ④绘制枯水水位历年变化图(Fig7-5) ⑤绘制历年流量～水位关系图
⑵平面变形分析
①套绘平面地形图(Fig7-6) ②套绘横断面图(Fig7-7)
1、地质资料分析
•河床由松散细沙造成时，易冲，演变剧烈，河床不稳定 •河床由粘土、卵石、基岩组成时，则较稳定
2、地貌资料分析
•分析阶地、突咀、卡口、堤防特殊地貌等对河床演变的影响
㈤水沙特性分析
1、绘制水力泥沙因子的沿程变化图
•主要有水深、河宽、比降、流速、含沙量、挟沙力(Fig7-12) 7-13
Байду номын сангаас ㈢来水来沙条件分析
1、确定水文年类型
•目的：水文系列较长，逐一分析费时费力，可选代表性年份分析 •方法：统计径流量、输沙量特征值；多年平均径流量、输沙量 •类型：丰水丰沙、中水枯沙、枯水枯沙…… (Fig7-9)
2、来水来沙条件的多年周期性变化特性
•来水来沙的多年周期性变化一般会引起河床演变的多年周期性变化 •洪水大的年份冲刷较多，但接着的中、枯水年份淤积较多，力求平衡 •实例：长江1954年为特大洪水而含沙量又特别小的年份，造成中下游顺直
单位时间进出沙量差：－ G dx x
单位时间因河床冲淤变化引起的泥沙变化量： Z0
t
二者应相等 Bdx
Fig7-17
流 量
Fig7-18
Fig7-24
Fig7-25
Fig7-26
? ? ? ?
H
注意：
•造床流量 •平衡时的糙率值 •宽深比系数ξ •K、M的确定 •S只含床沙质 •沉速取床沙平距沉速
㈡极限状态估算
3、冲刷平衡状态计算
⑴冲刷终止状态
• 冲刷终止于比降调平 • 冲刷终止于抗冲铺盖层
⑵计算方法
• 冲刷终止于比降调平时： • 冲刷终止于抗冲铺盖层时：
Fig7-1
微弯河段普遍冲刷，分汊河段普遍淤积，而后1955～1961连续7年枯水年， 河床又恢复原来的准平衡。
3、来水来沙条件的年内周期性变化特性
•来水来沙的年内周期性变化一般会引起河床演变的年内周期性变化 •正常浅滩的洪淤枯冲和弯曲河段的洪水走直枯水挫弯为典型例子 •实例(Fig7-10)
㈣河床边界条件分析
1795年：顺直河道 1868年：出现4个小沙洲 1927年：多洲合一成嘉
鱼洲 1959年：扩大成新堤洲
Fig7-3
除4#断面在1971年有少量淤积外，其余河段均为单向冲刷
Fig7-4
7～8断面间淤积，其余全部冲刷，且冲刷还不均匀
Fig7-5
1920～1938：枯水水位不断升高，说明河床不断淤积 1954年后：枯水水位不断降低，说明河床不断冲刷 1946～1954：枯水位交替，说明淤积冲刷交替进行
河床演变分析及 河床变形计算
目的引：言对河床变形作出定性、定量的预测。
河床变形预测方法：
⑴河床演变分析
根据历史实际观测资料对河道历史演变过程进行分析，再根据现在的 河床边界条件，定性预测河道以后的发展趋势。
⑵河床变形计算
根据水流泥沙运动的基本理论和河床演变的基本原理，建立数学模型， 依据一定的初始和边界条件，定量求解河道的冲淤变化过程。
x
t
泥沙连续方程的推导见图7-16
㈡有限差分计算方法
有限差分方法：将计算河段化分为若干短河段，并假定每个短河段
为恒定水流。 Q A 0 Q AVH x t
V V H
t V x g x g J 0 J f
1 V 2 (z Z0 )
2g x
x
J0 J f
1 2g
V 2 x
Fig7-10
7～9月： 冲刷
11～4： 淤积
图7-10 黄河秦厂站1954年流量、含沙量过程线
Fig7-11
Fig7-12
图7-12 水流泥沙特性因素空间变化比较图
Fig7-13
Fig7-14
Tab7-1
Fig7-15
Fig7-16
单位时间的入沙量：G
单位时间的出沙量：G G dx x
三、河床细部变形计算。。
四、河床变形极限平衡计算
㈠极限平衡状态分类
•淤积平衡状态 •冲刷平衡状态
㈡极限状态估算
1、目的：算出极限平衡状态下的J、B、H、V等水流要素
2、淤积平衡状态计算
Q BHV
V S
B
1 H 2/3J n
S* K
1/ 2
V3
gH
m
B H V J
2、套绘历年水流动力轴线图
•可分析出水流最大动量所在位置 •水流动力轴线通过的位置多为深槽 •水流动力轴线贴岸，则河岸易冲刷
㈥河床演变的综合分析。。
二、河床变形计算
㈠基本方程
水流连续方程： Q A 0 x t
水流运动方程：
V t
V V x
g H x
g
J Jf
泥沙连续方程： G B Z0 0
Fig7-6
•都天庙凹冲凸淤，且速度均快 •和畅洲头冲尾淤，江心洲不断下移，但头冲快而尾淤慢 •主流线不断左移引起凹岸冲刷，下移引起和畅洲头崩坍后退
Fig7-7
•断面呈“V”型 •凹冲凸淤，河床向右岸摆动 •深泓向右移动了300多米
Fig7-8
Fig7-9
1955年：丰水枯沙年 1964年：中水中沙年 1958年：枯水丰沙年
⑶河工模型试验
利用水流泥沙运动的相似理论和原理，制作实体(物理)模型来模拟原 型的边界及动力条件，从而预测河道的发展。
一、河床演变分析
㈠河床演变分析的基本原则
1、以河床演变的基本理论为指导 2、以主要影响因素为主线 3、以天然河道的实测资料为基础
㈡河床冲淤变形分析
1、历史演变分析
•目的：了解目前河床演变处于何种阶段及演变的位置、规模和速度 •方法：套绘地形、河势、航道等图(Fig7-1)
J
J f
V 2n2 H 4/3
J
Q2n2 B 2 H 10 / 3
1 2gΔ
x
Q2 B22 H
2 2
Q2
B12
H
2 1
G x
B Z0
t
0 ΔZ0
G2 G1 Δ t
BΔ x
㈢变形计算中的若干问题
1、计算年的选择 2、流量的分级及时段的划分 3、河段及典型断面的划分 4、糙率的确定 5、输沙率的计算 6、泥沙颗粒组成的确定 7、床沙粗细化的影响 8、冲淤方式的假定
㈡河床冲淤变形分析
2、近期演变分析
⑴纵向变形分析
①套绘历年深泓线剖面图(Fig7-3) ②根据历年横断面图计算冲淤量(Fig7-4) ③根据水文站输沙量资料计算冲淤量 ④绘制枯水水位历年变化图(Fig7-5) ⑤绘制历年流量～水位关系图
⑵平面变形分析
①套绘平面地形图(Fig7-6) ②套绘横断面图(Fig7-7)
1、地质资料分析
•河床由松散细沙造成时，易冲，演变剧烈，河床不稳定 •河床由粘土、卵石、基岩组成时，则较稳定
2、地貌资料分析
•分析阶地、突咀、卡口、堤防特殊地貌等对河床演变的影响
㈤水沙特性分析
1、绘制水力泥沙因子的沿程变化图
•主要有水深、河宽、比降、流速、含沙量、挟沙力(Fig7-12) 7-13
Байду номын сангаас ㈢来水来沙条件分析
1、确定水文年类型
•目的：水文系列较长，逐一分析费时费力，可选代表性年份分析 •方法：统计径流量、输沙量特征值；多年平均径流量、输沙量 •类型：丰水丰沙、中水枯沙、枯水枯沙…… (Fig7-9)
2、来水来沙条件的多年周期性变化特性
•来水来沙的多年周期性变化一般会引起河床演变的多年周期性变化 •洪水大的年份冲刷较多，但接着的中、枯水年份淤积较多，力求平衡 •实例：长江1954年为特大洪水而含沙量又特别小的年份，造成中下游顺直
单位时间进出沙量差：－ G dx x
单位时间因河床冲淤变化引起的泥沙变化量： Z0
t
二者应相等 Bdx
Fig7-17
流 量
Fig7-18
Fig7-24
Fig7-25
Fig7-26
? ? ? ?
H
注意：
•造床流量 •平衡时的糙率值 •宽深比系数ξ •K、M的确定 •S只含床沙质 •沉速取床沙平距沉速
㈡极限状态估算
3、冲刷平衡状态计算
⑴冲刷终止状态
• 冲刷终止于比降调平 • 冲刷终止于抗冲铺盖层
⑵计算方法
• 冲刷终止于比降调平时： • 冲刷终止于抗冲铺盖层时：
Fig7-1
微弯河段普遍冲刷，分汊河段普遍淤积，而后1955～1961连续7年枯水年， 河床又恢复原来的准平衡。
3、来水来沙条件的年内周期性变化特性
•来水来沙的年内周期性变化一般会引起河床演变的年内周期性变化 •正常浅滩的洪淤枯冲和弯曲河段的洪水走直枯水挫弯为典型例子 •实例(Fig7-10)
㈣河床边界条件分析
1795年：顺直河道 1868年：出现4个小沙洲 1927年：多洲合一成嘉
鱼洲 1959年：扩大成新堤洲
Fig7-3
除4#断面在1971年有少量淤积外，其余河段均为单向冲刷
Fig7-4
7～8断面间淤积，其余全部冲刷，且冲刷还不均匀
Fig7-5
1920～1938：枯水水位不断升高，说明河床不断淤积 1954年后：枯水水位不断降低，说明河床不断冲刷 1946～1954：枯水位交替，说明淤积冲刷交替进行