第七章 河床演变-2-13
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河流动力学第七章
河流的自动调整作用的特性： 平衡趋向性
纵向输沙平衡的破坏与重建
调整的多样性 反应的整体性 河床变形的滞后性 能耗的最小性
指河流在自动调整过程中，追求输沙平衡的同时，还 追求在约束条件下能耗最小，达到某种最佳动力平衡状态。
2
2014/12/22
三、河型的成因
许多河流都是在冲积平原的上部具有游荡性的河型， 而在流经一定的距离后，逐步转化为弯曲型河流，最终在 河口地区又发展形成顺直型河流。实际上是河流通过河型 的转化来使挟沙能力的沿程变化和床沙质来量的沿程变化 相适应的过程。
结果表明：输沙效率最大的河道断面，往往是宽度中等， 宽深比最优。随着流量、比降的增大和泥沙粒径的变细，最 优宽深比也会增大。
不足之处：
算法过于简化，计算大型河流时得到的宽度偏小，而且 无法直接考虑边岸的抗冲特性。
3
2014/12/22
单位河长水流功率最小假说
单位河长水流功率最小假说认为，当一个河段达到均 衡状态时，水流和泥沙的运动应该严格满足以下三个条 件：
最小方差假说：
包含了两方面的内容：
（1）在弯道成因分析中的应用 如果两点之间出现的流路是一条连续曲线，最可
能出现的流路形状也能够满足方差最小的要求。
(
)2 x
x r2
min
（2）从理论上确定沿程河相关系中流量Q的指数
4
§7.3 冲积河流的河道演变
顺直型河道 蜿蜒型河道 分汊型河道 游荡型河道
其一般形态为：中水河槽具有弯曲
外形，深槽紧靠凹岸，边滩依附凸岸。
深槽与浅滩相间，弯道处为深槽， 过渡段为浅滩，中水河床左曲右弯，主流 线蜿蜒蛇行，河床高低起伏，滩槽水深相 差悬殊。
（一）蜿蜒型河段的一般形态
纵向输沙平衡的破坏与重建
调整的多样性 反应的整体性 河床变形的滞后性 能耗的最小性
指河流在自动调整过程中，追求输沙平衡的同时，还 追求在约束条件下能耗最小，达到某种最佳动力平衡状态。
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2014/12/22
三、河型的成因
许多河流都是在冲积平原的上部具有游荡性的河型， 而在流经一定的距离后，逐步转化为弯曲型河流，最终在 河口地区又发展形成顺直型河流。实际上是河流通过河型 的转化来使挟沙能力的沿程变化和床沙质来量的沿程变化 相适应的过程。
结果表明：输沙效率最大的河道断面，往往是宽度中等， 宽深比最优。随着流量、比降的增大和泥沙粒径的变细，最 优宽深比也会增大。
不足之处：
算法过于简化，计算大型河流时得到的宽度偏小，而且 无法直接考虑边岸的抗冲特性。
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2014/12/22
单位河长水流功率最小假说
单位河长水流功率最小假说认为，当一个河段达到均 衡状态时，水流和泥沙的运动应该严格满足以下三个条 件：
最小方差假说：
包含了两方面的内容：
（1）在弯道成因分析中的应用 如果两点之间出现的流路是一条连续曲线，最可
能出现的流路形状也能够满足方差最小的要求。
(
)2 x
x r2
min
（2）从理论上确定沿程河相关系中流量Q的指数
4
§7.3 冲积河流的河道演变
顺直型河道 蜿蜒型河道 分汊型河道 游荡型河道
其一般形态为：中水河槽具有弯曲
外形，深槽紧靠凹岸，边滩依附凸岸。
深槽与浅滩相间，弯道处为深槽， 过渡段为浅滩，中水河床左曲右弯，主流 线蜿蜒蛇行，河床高低起伏，滩槽水深相 差悬殊。
（一）蜿蜒型河段的一般形态
完善黄万里理论之（6）----河床演变规律
完善黄万里理论之（6）----河床演变规律前面我们给泥沙重新分类，并做了受力分析，进而讲清了泥沙在河道的分布规律。
也清楚了河床的抬升关键在于狭义河床，单纯研究广义河床是舍本求末，意义不大。
下面我们就研究一下河床的演变规律。
1、河床演变的普遍规律我们还用前文中的水槽试验为例，这回试验的注水口可以上下移动。
随着水槽中泥沙的淤积，床面的抬高，调整注水口的高度。
试验时，我们把水槽的注水口调低后开始注水，并加入泥沙。
待泥沙接近饱和时，停止加入泥沙，继续注水，直到水槽中的泥沙颗粒基本停止运动，再停止注水，此时的床面才是狭义床面。
绘制出床面曲线后，调高注水口的高度重复上述过程。
最终可以得到如图—1所示的曲线组。
图—1上述试验告诉我们，只要上游有泥沙进入下游河道，而河道中的泥沙不能将其排走，河床就会淤积。
淤积的结果是，一是使河口不断的向前延伸，二是使谷口抬高，河床整体抬高。
自然的河流中的泥沙会向大海甚至下游的平原上排放，从上游下来的泥沙大小比例会有不同，从河道中排出的泥沙颗粒大小比例也不尽相同。
小颗粒更容易排走，对于每个断面来讲，能够淤积的颗粒都是大颗粒，即淤积下来的颗粒都是上一个断面的推移质。
淤积的位置与上游下来的泥沙颗粒的大小及这个位置的流速有关。
而流速与流量、比降有关，所以，自然中的每条河流，河流中的每段，表现出来的淤积情况各不相同，但是结果完全一样，只要河道对其中一种颗粒无法容纳，它就要向外释放，在原始的自然状态下，它可以改道。
被大堤束缚的河道，只能靠决口排放。
2、黄河河床的演变2.1黄河狭义河床的演变现在普遍认为，黄河河床抬高的原因是；黄河来沙多，来水少，泥沙比例不协调，不能形成不淤比降，是对黄河的误读。
首先，在没有人为的干预下，冲积平原的河床，都在淤积，差别在于淤积的速度不同，根本就不存在不淤平衡，把黄河抬高的原因归结为不能形成不淤比降，本身就是错误。
黄河也是自然中的一条河流，它的河床演变过程应该与普通河流一样。
河流动力学第7章-河床演变
弯曲河段的演变规律
凹岸崩退，凸岸淤长
♥ 最重要演变规律：凹冲凸淤 ♥ 产生的原因：横向环流＋含沙分布
河湾发展、河线蠕动
♥ 横向发展，弯顶之间互动 ♥ 纵向也有向下游的蠕动
裁弯取直、河湾消长 图
♥ 整个河道发生变化
撇弯切滩 图
♥ 河道内主流线发生变化
Last Modified : Jie Yang
总评
♥ 河槽极不稳定 ♥ 对于港口航道工程等不利
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河流动力学
7.3.3 弯曲型河道的河床演变
主要内容
弯道的形态特征 弯道的水流特征 弯道的泥沙运动 弯曲河段的演变
Last Modified : Jie Yang
河流动力学
7.3.3 弯曲型河道的河床演变
Last Modified : Jie Yang
河流动力学
7.2.3 平原河流的河床演变
平原河流的河床演变
一般特点
♥ 河流：来水来沙⇔河床边界，长期相互作用，水流、 泥沙、河床边界基本适应
♥ 长期：河床一般无明显的单向冲淤变形 ♥ 短期：来水来沙随时间变化⇒河床变形，周期性冲
淤变化，一个时期表现为淤积，另一个时期为冲刷 ♥ 河床演变：往复性的冲淤，平面摆动
衡，这些因素难以人工控制 ♥ 后者决定着河床条件，可以进行人工改变，也是我们进
行航道整治的依据
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河流动力学
7.1 河床演变的基本概念
影响河床演变的主要因素
对于平原河流
♥ 来水来沙条件起主导作用 ♥ 来水来沙量及其过程起主导作用 ♥ 取决于流域的产水产沙条件
博导第2讲 河床演变的基本原理
水位过程线（吴淞基面） 30 25 20 15 10 5 0 0 2 4 6 时间（月） 1995年 8 10 12 14
水位（m）
平原河流水流运动：
流速较小，水面比降平缓，水流流态也较平缓。
长江下游江面开阔，水流平稳
3.5 流速(m/s) 2.5 水深(m)
25 20 15
1.5
水深地方流速大
245 600 900 1200 1500 1900 2250 起点距(m)
单流路河道 （single-thread）
汛期淤积壮大，枯季冲刷萎缩 并有平面位移
多流路河道 （multi-thread） 多流路河道的形态和成因更 为多样化、不易给出一个概括性 强又普遍适用的分类方法。
不同河型及其分类
不同河型及其分类
河道的基本平面形态包括：
单流路河道：顺直、弯曲、蜿蜒摆动 多流路河道：江心洲型、分汊型、游荡型，网 状河道。
特殊的，修建水库后坝上下游发生的冲淤改 变成阶梯式的河流纵剖面，不能认为不变。
空 间 特 征
大范围变形
Deformation covering a large area
局部变形 Deformation covering a small area-
演 变 形 式
Longitudinal deformation eg.坝上游沿程淤积和 坝下游沿程冲刷 横向变形 Transverse deformation
河道自身特点及演变 特征。
第三节
河床演变的基本原理
'
河床演变根本原因：输沙不平衡
Gi t Go t BLyo
动床水沙两相流的内在矛盾 引起输沙不 平衡的原因
外部条件的不恒定性 破坏输沙平衡 维持河床演变
水位（m）
平原河流水流运动：
流速较小，水面比降平缓，水流流态也较平缓。
长江下游江面开阔，水流平稳
3.5 流速(m/s) 2.5 水深(m)
25 20 15
1.5
水深地方流速大
245 600 900 1200 1500 1900 2250 起点距(m)
单流路河道 （single-thread）
汛期淤积壮大，枯季冲刷萎缩 并有平面位移
多流路河道 （multi-thread） 多流路河道的形态和成因更 为多样化、不易给出一个概括性 强又普遍适用的分类方法。
不同河型及其分类
不同河型及其分类
河道的基本平面形态包括：
单流路河道：顺直、弯曲、蜿蜒摆动 多流路河道：江心洲型、分汊型、游荡型，网 状河道。
特殊的，修建水库后坝上下游发生的冲淤改 变成阶梯式的河流纵剖面，不能认为不变。
空 间 特 征
大范围变形
Deformation covering a large area
局部变形 Deformation covering a small area-
演 变 形 式
Longitudinal deformation eg.坝上游沿程淤积和 坝下游沿程冲刷 横向变形 Transverse deformation
河道自身特点及演变 特征。
第三节
河床演变的基本原理
'
河床演变根本原因：输沙不平衡
Gi t Go t BLyo
动床水沙两相流的内在矛盾 引起输沙不 平衡的原因
外部条件的不恒定性 破坏输沙平衡 维持河床演变
河道演变规律(课堂PPT)
平衡的可以自由发展的人工渠道和天然河道进行观测，在形 态因素与水力泥沙因素之间建立经验关系祈成果，如格鲁什 科夫提出的如下宽深关系式
B
h
其中河宽B及平均水深h是相应于平摊流量而言的、单位为米， ξ通称河相系数，山区河段为1.4，细沙河段为5.5
上反映了天然河流随着河道尺度或流量的增大，河宽增加远 较水深增加为快的般性规律。进一步的研究表明。ξ与河型密 切相关
值得注意的是，水沙两相流动床的平直状态是不稳定的， 施加一个小的扰动波之后就会转变成为波动状态，并在相 当大的范围内，有能力将这种波动状态保持下去，这是由 水沙两相流的内在矛盾决定的，它反映了输沙不平衡的绝 对性，从而也反映了河床演变的绝对性
5
使河流经常处于输沙不平衡状态的另一重要原因 是，河流的进出口条件经常处于发展变化过程之 中
进口水沙条件几乎总在变化
这主要是由气候因素，特别是降水因素在数量及地区分布上 的不稳定性造成的，由此产生的水沙量的因时变化比较显著
其它因素，如地形、土壤、植被等也存在一些缓慢的变化， 对进口水沙条件的变化也有一定的影响
出口条件
如果着眼点是前面提到的侵蚀基面，其变化是很缓慢的；
如果着眼点是水流条件的变化，如干支流的相互顶托，潮汐 破对洪水波的影响等，仍可能产生很大的变化
蜿蜒型河段是冲积平原河流最常见的一种河型， 在流域条件变化十分广泛的范围内，都存在这种 河型
从土壤地质看，绝大多数河岸是粘性土壤和中细 沙或沙砾组成的二元相结构，河谷都比较开阔
在我国这种河型分市得十分广泛
32
下荆江弯曲河道
33
形态特征
从平面上看，蜿蜒型河段是由一系列正反 相间的弯道和介乎其间的过渡段衔接而成 的
4
当外部条件，即进口水沙条件、出口侵蚀基点条件和河床 周界条件保持恒定，且整个河段处于输沙平衡状态时，河 段的各个部分仍可能处于输沙不平衡状态
B
h
其中河宽B及平均水深h是相应于平摊流量而言的、单位为米， ξ通称河相系数，山区河段为1.4，细沙河段为5.5
上反映了天然河流随着河道尺度或流量的增大，河宽增加远 较水深增加为快的般性规律。进一步的研究表明。ξ与河型密 切相关
值得注意的是，水沙两相流动床的平直状态是不稳定的， 施加一个小的扰动波之后就会转变成为波动状态，并在相 当大的范围内，有能力将这种波动状态保持下去，这是由 水沙两相流的内在矛盾决定的，它反映了输沙不平衡的绝 对性，从而也反映了河床演变的绝对性
5
使河流经常处于输沙不平衡状态的另一重要原因 是，河流的进出口条件经常处于发展变化过程之 中
进口水沙条件几乎总在变化
这主要是由气候因素，特别是降水因素在数量及地区分布上 的不稳定性造成的，由此产生的水沙量的因时变化比较显著
其它因素，如地形、土壤、植被等也存在一些缓慢的变化， 对进口水沙条件的变化也有一定的影响
出口条件
如果着眼点是前面提到的侵蚀基面，其变化是很缓慢的；
如果着眼点是水流条件的变化，如干支流的相互顶托，潮汐 破对洪水波的影响等，仍可能产生很大的变化
蜿蜒型河段是冲积平原河流最常见的一种河型， 在流域条件变化十分广泛的范围内，都存在这种 河型
从土壤地质看，绝大多数河岸是粘性土壤和中细 沙或沙砾组成的二元相结构，河谷都比较开阔
在我国这种河型分市得十分广泛
32
下荆江弯曲河道
33
形态特征
从平面上看，蜿蜒型河段是由一系列正反 相间的弯道和介乎其间的过渡段衔接而成 的
4
当外部条件，即进口水沙条件、出口侵蚀基点条件和河床 周界条件保持恒定，且整个河段处于输沙平衡状态时，河 段的各个部分仍可能处于输沙不平衡状态
第七章 桥墩和桥台冲刷总结
7.1 泥沙运动
五、含沙量和携沙能力 含沙量(g)是单位体积内水流中所含悬移质的质量，单位是kg/m3。 在一定的水力条件和边界条件下，单位体积的水流，能够挟带泥沙的最 大数量(质量)，包括悬移质和推移质的全部泥沙数量，称为水流的挟沙能力 。对于颗粒很细的平原区河流，悬栘质占绝大部分，挟沙能力可近似地用最 大含沙量来表示。
桥涵水文
7.2 河床演变和河相关系
立轴副流
形成于桥台前缘、丁坝头部或河槽宽度突变处；水流在此扰流，产生边 界层分离，在分离点靠近边界一侧形成高速旋转的立轴漩涡，漩涡不停地向 下游传播和扩展，形成下游的回流区。 其结果使分离点床面形成冲刷坑，下游回流区产生淤积。
平轴副流
形成与急流与缓流衔接处，水面产生面滚，水底产生底滚。 多发生在小桥涵出口处，底滚造成垂裙冲刷，引起小桥涵的水毁。
凹岸超高：
桥涵水文
7.2 河床演变和河相关系
二、河床演变
河流断面形态的变化。 纵向变形
横向变形 河床演变是水流与泥沙长期 相互作用的结果，并通过泥沙运 动来实现；
桥涵水文
7.2 河床演变和河相关系
二、河床演变 河道输沙不平衡是河床演变的根本原因。当上游来沙量大于本河段的水 流挟沙力时，水流没有能力把上游来沙全部带走，产生淤积，河床升高。当 上游来沙量小于本河段的水流的挟沙力时，便产生冲刷，河床下降。在一定 条件下，河床发生淤积时，淤积速度逐渐减少，直至淤积停止，河床发生冲 刷时，冲刷速度逐渐减低，直至冲刷停止。 河流横断面输沙不平衡，引起河床横向变形。河湾水流受重力和离心 力共同作用，形成螺旋流水流在弯顶及其下游集中沿凹岸流动，凹岸一侧侠 沙能力大，冲刷严重；螺旋流的底流把凹岸泥沙带到下游的凸岸，沉积下来 ，形成河湾凹岸后退、凸岸增长、河湾发展的现象。
第七章河床演变分析及河床变形计算
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
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
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gH
m
哈工大桥涵水文第七章1(泥沙运动与一般冲刷) (1)
桥墩和桥台冲刷
2、泥沙的重力特性 泥沙的水力特性： 表示。 3、泥沙的水力特性：泥沙的水力特性用水力粗度或沉速表示。 泥沙的起动流速v 二、泥沙的起动流速v0
我国桥墩冲刷计算中的常用公式中有张瑞瑾导出的公式: 我国桥墩冲刷计算中的常用公式中有张瑞瑾导出的公式:
h v0 = d
0 . 14
第六章
桥墩和桥台冲刷
§6-1 泥沙运动
定义： 定义：泥、土、沙、石等的混合体，统称泥沙。 石等的混合体，统称泥沙。 冲刷现象 淤积现象 按泥沙在河槽内的运动情况， 三类： 按泥沙在河槽内的运动情况，可分为悬移质、推移质和床沙三类： 悬移质、推移质及床沙三者间的颗粒大小分界与水流速度大小有关。 悬移质、推移质及床沙三者间的颗粒大小分界与水流速度大小有关。
一、泥沙的主要特性
1、几何特性 用粒径表示。 简称粒径) 平均粒径、 1）用粒径表示。其中有等容粒径(简称粒径)、平均粒径、中值粒径等，此外 还有d95等。 粒径级配曲线（粒配曲线） 2）粒径级配曲线（粒配曲线）：
粒配曲线：标准筛孔径与泥沙颗粒通过标准筛某一孔径的百分率的关系曲线 粒配曲线：
第六章
10 + h −7 • 29 d + 0 .72 × 6 . 05 × 10 d
1 2Leabharlann 第六章桥墩和桥台冲刷
三、沙波运动
四、推移质输沙率
k0 γ sγ v3 (v − vk ) ⋅ gb = 2 ⋅ C0 γ s − γ gω
五、含沙量与挟沙能力 六、河床的粗化
第六章
桥墩和桥台冲刷
第六章
桥墩和桥台冲刷
对于各种河床的自然演变冲刷，在河流动力学和河道整治的有关书籍中， 对于各种河床的自然演变冲刷，在河流动力学和河道整治的有关书籍中，有一些计算 方法可供参考。但由于影响河床演变的因素很多，又极其错综复杂， 方法可供参考。但由于影响河床演变的因素很多，又极其错综复杂，难以得到可靠的 计算结果。目前在实际的工作中，主要是通过实地调查或参考类似河流的观测资料， 计算结果。目前在实际的工作中，主要是通过实地调查或参考类似河流的观测资料， 结合河段的特点和整治规划，估计建桥后可能发生的河床变形， 结合河段的特点和整治规划，估计建桥后可能发生的河床变形，作为桥梁墩台的自然 演变）冲刷，进行设计。具体做法，可以参阅《桥位勘设规程》 （演变）冲刷，进行设计。具体做法，可以参阅《桥位勘设规程》。 桥位勘设时测绘的桥位河床横断面，一般都是枯水或中水断面。 桥位勘设时测绘的桥位河床横断面，一般都是枯水或中水断面。考虑到建桥后河床演 变的发展，在计算河床的冲刷深度时，应按不同类型的河段，选择“计算断面” 变的发展，在计算河床的冲刷深度时，应按不同类型的河段，选择“计算断面”： 平原顺直型河段：可取桥位上游附近的最大水深断面作为计算断面； 平原顺直型河段：可取桥位上游附近的最大水深断面作为计算断面； 平原弯曲型河段：可取桥位上游附近河湾半径最小的河湾顶点断面作为计算断面； 平原弯曲型河段：可取桥位上游附近河湾半径最小的河湾顶点断面作为计算断面； 游荡型和变迁型河段：应取桥位附近若干河床断面重叠后的外包线，作为计算断面； 游荡型和变迁型河段：应取桥位附近若干河床断面重叠后的外包线，作为计算断面； 山区河段的河床断面变形不大，可取桥位断面作为计算断面。 山区河段的河床断面变形不大，可取桥位断面作为计算断面。 按上述做法，桥位勘测时需要测绘很多河床断面。为了简化桥位勘测工作， 按上述做法，桥位勘测时需要测绘很多河床断面。为了简化桥位勘测工作，在河床演 变不很剧烈的河段，一般可用桥位断面作为计算断面，同时， 变不很剧烈的河段，一般可用桥位断面作为计算断面，同时，考虑桥位上游最大水深 的可能下移，采用实测或调查的桥位附近最大水深，作为计算断面的最大水深。 的可能下移，采用实测或调查的桥位附近最大水深，作为计算断面的最大水深。
NEW-河床演变中文补充含小结-lastPPT课件
在河床形态的变化方面；二是反映在河势的变化方面 。
河道主流线（又称水流动 力轴线）的位置、走向以 及河湾、沙洲、心滩等分 布与变化的态势
河床形态平面的变迁、横 断面形态的变化、河床组 成及河道纵比降的调整等
.
13
决定性因素，它综
三、河床演变的主要影响因素？
合反映了流域对该
对于某一具体河段，主要影响因素通常有：河①段、的影响
Dimentional Analysis
- a powerful tool
Two-Phase (flow and sediment)
Motion:
X, Y, Z, W, etc.
Gradation of sediment grain
Settling / fall velocity
Incipient motion / velocity
的淤变整化理规分律析，；预②测、今利后用发河展流的动趋力势学，原为理对河床变形进行
概河化流理控制论和计治算理；提③供、依通据过河工模型和数学模型试验，对河
床演变进行模拟、预测；④、利用条件相似的河段进行类
比分析。
在对具体河段进行河床演变分析时，实测资料的整理
与分析总是一项基本的，也是非常重要的工作。
.
Flow structure Log-law Turbulence: (Hydraulic smooth, Transitional， and Rough) Shear stress Bed shear stress Shear velocity Hydraulic resistance
2
Sediment
顺直河段河槽中浅滩的阻水作用导致深槽和浅滩冲淤交替 发生，即枯水刷滩，洪水刷槽。
河道主流线（又称水流动 力轴线）的位置、走向以 及河湾、沙洲、心滩等分 布与变化的态势
河床形态平面的变迁、横 断面形态的变化、河床组 成及河道纵比降的调整等
.
13
决定性因素，它综
三、河床演变的主要影响因素？
合反映了流域对该
对于某一具体河段，主要影响因素通常有：河①段、的影响
Dimentional Analysis
- a powerful tool
Two-Phase (flow and sediment)
Motion:
X, Y, Z, W, etc.
Gradation of sediment grain
Settling / fall velocity
Incipient motion / velocity
的淤变整化理规分律析，；预②测、今利后用发河展流的动趋力势学，原为理对河床变形进行
概河化流理控制论和计治算理；提③供、依通据过河工模型和数学模型试验，对河
床演变进行模拟、预测；④、利用条件相似的河段进行类
比分析。
在对具体河段进行河床演变分析时，实测资料的整理
与分析总是一项基本的，也是非常重要的工作。
.
Flow structure Log-law Turbulence: (Hydraulic smooth, Transitional， and Rough) Shear stress Bed shear stress Shear velocity Hydraulic resistance
2
Sediment
顺直河段河槽中浅滩的阻水作用导致深槽和浅滩冲淤交替 发生，即枯水刷滩，洪水刷槽。
第七章 河床演变-2-13精编版
单股
辫状
陡坡辫 状 分汊
缓坡辫状
同 期 展 游荡 宽 顺直微曲 分汊
游荡
江心洲
摆动
河 形 演变 稳定性 型 态 特征
特 征
边界特征
实例
游散 游 荡乱 荡
多 汊
极
两 岸 物 质 组 黄河下游，永定河下
不
成较细，
游，钱塘江河口段；
稳
缺乏抗冲性
南亚布拉马普特拉
定
(Brahmaputra) 河；
美国鲁普 (Loup) 河
纵剖面陡峻
侵蚀下切
横断面“V”“U”字形
3、山区河流泥沙运动 卵石运动的间隙性，随机性，运动速度
三、平原河流的河床演变
（一）、平原河流的主要特征 1、水文泥沙特征
Q、Z、J、V
悬移质（沙、粉 沙、粘土）； 推移质（中沙、 细沙）以沙波形 式运动。
2、平原河流形态特征
横断面形态；河漫滩； 成型淤积体（数 10~100米）
对于不同的时间尺度，冲积河流演变过 程的自变量和因变量是不同的。地理学 家分为三种时间尺度：稳定时段（量级 为天）、准衡时段（量级为百年）、地 质时段（量级为百万年）。
变量类型
地质（岩性、地层 结构） 古气候 古水文
河谷坡度、宽度和 深度 气候
植被种类、密度 平均流量
平均来沙率 河道形态
实际流量、沙量 水流的水力学特性
4）、弯道纵比降 弯道上段----凸岸>凹岸 ；弯道下段---凸岸<凹岸
凹岸 凸岸
进口
出口
5）纵向流速
6）横向流速
弯道河段分区
2、弯道的泥沙运动
（1）悬移质运动 弯道泥沙运动与弯道螺旋流密切相关。在螺旋 流作用下，凹岸含沙较小且泥沙颗粒较细，含 沙量处于不饱和状态；凸岸附近含水量沙量较 大，颗粒较粗，含沙量沿水深分布更不均匀。
辫状
陡坡辫 状 分汊
缓坡辫状
同 期 展 游荡 宽 顺直微曲 分汊
游荡
江心洲
摆动
河 形 演变 稳定性 型 态 特征
特 征
边界特征
实例
游散 游 荡乱 荡
多 汊
极
两 岸 物 质 组 黄河下游，永定河下
不
成较细，
游，钱塘江河口段；
稳
缺乏抗冲性
南亚布拉马普特拉
定
(Brahmaputra) 河；
美国鲁普 (Loup) 河
纵剖面陡峻
侵蚀下切
横断面“V”“U”字形
3、山区河流泥沙运动 卵石运动的间隙性，随机性，运动速度
三、平原河流的河床演变
（一）、平原河流的主要特征 1、水文泥沙特征
Q、Z、J、V
悬移质（沙、粉 沙、粘土）； 推移质（中沙、 细沙）以沙波形 式运动。
2、平原河流形态特征
横断面形态；河漫滩； 成型淤积体（数 10~100米）
对于不同的时间尺度，冲积河流演变过 程的自变量和因变量是不同的。地理学 家分为三种时间尺度：稳定时段（量级 为天）、准衡时段（量级为百年）、地 质时段（量级为百万年）。
变量类型
地质（岩性、地层 结构） 古气候 古水文
河谷坡度、宽度和 深度 气候
植被种类、密度 平均流量
平均来沙率 河道形态
实际流量、沙量 水流的水力学特性
4）、弯道纵比降 弯道上段----凸岸>凹岸 ；弯道下段---凸岸<凹岸
凹岸 凸岸
进口
出口
5）纵向流速
6）横向流速
弯道河段分区
2、弯道的泥沙运动
（1）悬移质运动 弯道泥沙运动与弯道螺旋流密切相关。在螺旋 流作用下，凹岸含沙较小且泥沙颗粒较细，含 沙量处于不饱和状态；凸岸附近含水量沙量较 大，颗粒较粗，含沙量沿水深分布更不均匀。
第2章 河床演变
[8] [7] [2]
河 弯曲 弯曲 自由弯曲 非自由弯曲
型
分
类 辫状 缓坡辫状 分汊 陡坡辫状
顺直或微弯 顺直 单股
弯曲或蜿蜒 曲流 单股弯曲 曲流 弯曲 河曲 弯曲 弯曲或蜿蜒 蜿蜒 弯曲 有限弯曲 弯曲 蜿曲
周期展宽或顺直 顺直 微弯边滩 顺直 网状 微弯分汊 分汊 江心洲 顺直微弯 顺直微弯 顺直或边滩平移 顺直 顺直微弯 顺直 分汊
第二章 河床演变
河床演变的含义有广义和狭义两个方面。 广义的河床演变是指河流从河源到河口的各个 部分的形成和发展的整个历史过程， 其时间尺度以地质年代计， 它属于河流地貌学的研究范 畴，这部分可参见第一章有关内容；狭义的河床演变是指在来水来沙的作用下，近期的河流 形态与河床边界的变化， 它则属于河床演变学的研究范畴。 本章所说的河床演变是指狭义的 河床演变。但是，应该指出，由于近期的河床演变是建立在历史的演变过程基础之上的，因 此两者之间有着内在的联系，不能加以截然分开。
第一节 河型分类、成因及转化
一、河型分类
河流，根据所处的地理位置(山区、平原、河口)和具有的水动力特性(坡降、流速、输 沙能力、水流方向等)，一般可分为山区河流、平原河流和潮汐河流 3 大类型。山区河流在 发育过程中，通常以侵蚀下切为主，因此河谷横断面多呈“V”形或“U”形。平原河流河谷 开阔，地势平坦，有深厚的冲积层，河道横断面也呈多种形式。 平原河流由于河段所在位置的差异， 来水来沙条件以及河床边界条件各不相同的河段其河床形态和演变规律 也各有不同，会形成各种不同的河型。关于平原河流的河型划分，国内外学者作了大量研究 工作，表 2-1 为国内外学者根据平原河流的平面形态和动态特征对河型划分的部分研究成 果。
游荡 辫状 顺直分汊 辫状 摆动 分汊 散乱 散乱或游荡 游荡 分汊 潜洲型 江心洲型 分汊 游荡 游荡
河 弯曲 弯曲 自由弯曲 非自由弯曲
型
分
类 辫状 缓坡辫状 分汊 陡坡辫状
顺直或微弯 顺直 单股
弯曲或蜿蜒 曲流 单股弯曲 曲流 弯曲 河曲 弯曲 弯曲或蜿蜒 蜿蜒 弯曲 有限弯曲 弯曲 蜿曲
周期展宽或顺直 顺直 微弯边滩 顺直 网状 微弯分汊 分汊 江心洲 顺直微弯 顺直微弯 顺直或边滩平移 顺直 顺直微弯 顺直 分汊
第二章 河床演变
河床演变的含义有广义和狭义两个方面。 广义的河床演变是指河流从河源到河口的各个 部分的形成和发展的整个历史过程， 其时间尺度以地质年代计， 它属于河流地貌学的研究范 畴，这部分可参见第一章有关内容；狭义的河床演变是指在来水来沙的作用下，近期的河流 形态与河床边界的变化， 它则属于河床演变学的研究范畴。 本章所说的河床演变是指狭义的 河床演变。但是，应该指出，由于近期的河床演变是建立在历史的演变过程基础之上的，因 此两者之间有着内在的联系，不能加以截然分开。
第一节 河型分类、成因及转化
一、河型分类
河流，根据所处的地理位置(山区、平原、河口)和具有的水动力特性(坡降、流速、输 沙能力、水流方向等)，一般可分为山区河流、平原河流和潮汐河流 3 大类型。山区河流在 发育过程中，通常以侵蚀下切为主，因此河谷横断面多呈“V”形或“U”形。平原河流河谷 开阔，地势平坦，有深厚的冲积层，河道横断面也呈多种形式。 平原河流由于河段所在位置的差异， 来水来沙条件以及河床边界条件各不相同的河段其河床形态和演变规律 也各有不同，会形成各种不同的河型。关于平原河流的河型划分，国内外学者作了大量研究 工作，表 2-1 为国内外学者根据平原河流的平面形态和动态特征对河型划分的部分研究成 果。
游荡 辫状 顺直分汊 辫状 摆动 分汊 散乱 散乱或游荡 游荡 分汊 潜洲型 江心洲型 分汊 游荡 游荡
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闽 江
流态乱----回流、漩水、横流、滑梁水、扫弯水、 泡水、 剪刀水、跌水、激浪
2、山区河流形态特征
纵剖面陡峻
侵蚀下切
横断面“V”“U”字形
3、山区河流泥沙运动 卵石运动的间隙性，随机性，运动速度
三、平原河流的河床演变
（一）、平原河流的主要特征 1、水文泥沙特征 Q、Z、J、V
悬移质（沙、粉 沙、粘土）； 推移质（中沙、 细沙）以沙波形 式运动。
（3）汊道的交替兴衰
第三节 河相关系
一、造床流量---定义；计算方法---平滩水位法，计算法
步骤：（1）选河段某断面典型 年Q~t，并将其分成若干等级； （2）确定各级流量出现的频率P （3）绘Q~J关系，确定各级流量 相应的比降； （4）计算Q2 JP （5）绘Q~Q2 JP曲线。
二、河床稳定性
对于不同的时间尺度，冲积河流演变过 程的自变量和因变量是不同的。地理学 家分为三种时间尺度：稳定时段（量级 为天）、准衡时段（量级为百年）、地 质时段（量级为百万年）。
所考虑的时段长度 变量类型 地质（岩性、地层 结构） 古气候 古水文 河谷坡度、宽度和 深度 气候 植被种类、密度 平均流量 平均来沙率 河道形态 实际流量、沙量 水流的水力学特性
第二节河床演变的基本类型及特性
一、河型的划分
研究工作者或 单位 利 奥 波 德 （Leopold） 莱 恩 （ Lane ） 和张海燕 库德拉耶夫 （ KyДpaeB ） 罗 辛 斯 基 （ K.И.PocИ HCKИЙ） 武汉水利学院 方宗岱 河型分类
弯曲
弯曲 弯曲 自由弯 曲 弯曲 蜿蜒 弯曲 非自由弯 曲
称定时段 量级：数天
自变量 自变量 自变量 自变量 自变量 自变量 自变量 自变量 自变量 因变量 因变量
准衡时段 量级：数百年
自变量 自变量 自变量 自变量 自变量 自变量 自变量 自变量 因变量 不确定 不确定
地质时段 量级：数百万年
自变量 自变量 因变量 因变量 不确定 不确定 不确定 不确定 不确定 不确定 不确定
11
h0
3 11
J 3 0 B1 B 2 B0 J 1
J0 m 6 11 J 2
1 m
性
（4）汊道的分流比和分沙比
3、汊道的河床演变过程 （1）洲滩的移动和分合（2）河岸的崩坍和弯曲
• 对实际工程有重要影响的泥沙输运问题一般其 时间尺度都限于百年以内，流域中气候、地形、 植被、岩性可视为确定的自变量，河流沿程地 质构造的升降运动可以忽略不计，侵蚀基准面 （内陆湖泊水面、海平面也可视为稳定。河道 形态（河道比降）是因变量，它是由其他自变 量（流量、输沙率、泥沙粒径、河谷比降、岸 壁阻力等）决定的。
2、弯道的泥沙运动
（1）悬移质运动 弯道泥沙运动与弯道螺旋流密切相关。在螺旋
流作用下，凹岸含沙较小且泥沙颗粒较细，含
沙量处于不饱和状态；凸岸附近含水量沙量较
大，颗粒较粗，含沙量沿水深分布更不均匀。
（2）推移质运动
同岸输移------泥沙由弯道凹岸输移到下游弯道同
一岸。
异岸输移------输移到本河湾的凸岸和下游弯道另
• 冲积河流演变包括河道的比降、形态、河床物 质组成的变化，常常趋向于使河道形态达到一 定的相对平衡，上游的来水来沙能通过河段下 泄。 • 能够在准衡时段上造成流域水文泥沙要素和河 道边界条件发生重大变化、影响河道演变的人 为活动：流域内的植被、土地利用方式、干流 上的水利枢纽等，这些活动影响流域的来水来 沙条件，从而引发相应的调整变化。举例？
自动调整作用：通过改变B、H、J、D S来>S，淤；反之冲
四、影响河床演变的因素
（1）河段的来水量及其变化
（2）河段的来沙量、来沙组成及其变化
（3）河段的河谷比降
（4）河床形态及地质—决定着河床条件 • 第1、2、3决定着水流挟沙能力。 • 第1、2对平原河流起主导作用 • 第3、4对山区河流起主导作用。
3、弯道的形态特征
右图为限制性河弯形态
左图为美国普博阿齐河实 测与理论的比较。可以看 出实测点群很好地分布在 正弦曲线的两侧。
4、弯曲河段的演变
凹岸崩退和凸岸淤长
切滩撇弯 河湾发展、河线蠕动
蜿蜒河道演变
• 在弯曲河流上，河床 形态各要素之间能自 我调整形成某种相对 稳定的关系。 • 长江中游的微弯河道 总弯曲度为1.1-1.4，而 蜿蜒河段为1.8-3.0. • 见图7-12和7-13 关系，双对数关系下 呈直线关系。
纵向称定性系数---取决于泥沙抗拒运动的能力与水流对 泥沙作用力之间的对比关系.
D h hJ
D-床沙平均粒径，h----平滩水深，J---造床流量下的比降。 横向稳定性系数------河岸土壤的抗冲能力；滩槽高差。
Q 0.5 b BJ0.2
Q----造床流量；B---造床流量下的河宽； J---造床流量下的水面比降
第七章河床演变
第一节 河床演变的基本概念
河床演变？ 河流动力学研究把河道形态演变过程与各种环境因 素之间的因果关系，归为水文过程、泥沙特性和河 道形态之间的一种确定性的函数响应关系，并用以 预测流域、河道边界等环境因素变化可能引起的河 道形态调整。 思考：水流与河床的关系？
一、冲积河流演变过程的时间尺度
4、量纲形式的河相关系式
Q为造床流量
B A1Q X1 ( gJ ) Y1 D50
Z1 Z2
H A2 Q X 2 ( gJ ) Y2 D50
5、最小活动性假说
窦国仁认为在给定来水来沙条件及河床边界条件下，河床在 溃淤变化过程中力求建立活动性最小的断面形态。用Kn表示 河床活动性指标。
流量的相对变幅，Qf为保 证率等于2%的多年平均 洪水流量，Qm为多年平 均流量。 水流对河床的相对作用力， U断面平均流速，Ucb为床 面泥沙的止动流速。 =河岸稳定系数/河底稳定定系数
一岸。
与底部流速、流向和河床形态有关。
当R小、横向环流强，底部螺旋流强，则离开凹
岸输移到凸岸，为异岸输移。
推移质运动的成带性
推移质在断面上的分布
并不遍及整个河宽，而
是集中成带。 单宽推移质输沙率沿断 面分布很不均匀，靠近 两岸几乎没有推移质，
在中间部分有两个峰，
较大的峰偏于凸岸。 在弯顶及其下游最为明 显。
非弯曲
顺直 顺直 单股 辫状 陡 坡 辫 状 分汊 缓坡辫状
游荡 同期展 宽 顺直微曲 分汊 江心洲 摆动
游荡
河 型
形 态 特 征 散 乱 多 汊
演变 特征
稳定性
边界特征
实
例
游 荡
游 荡
极 不 稳 定
两岸物质组 成较细， 缺乏抗冲性
黄河下游，永定河下 游，钱塘江河口段； 南亚布拉马普特拉 (Brahmaputra) 河； 美国鲁普 (Loup) 河 和普拉特(Platte) 河； 加拿大红狄儿(Red Deer) 长江中下游、珠江 （广东部分）、赣江、 湘江、松花江、黑龙 江；非洲尼日尔 （Niger）河和贝努 埃 (Benue) 河
B 和 - r
32
弯道的演变
• 弯道演变的过程最突出的是凹岸因冲刷而后退、凸岸 因淤积而前进。 • 弯道摆动是破坏河势稳定的主要威胁，长江段崩岸有 50%是因为弯道环流引起的，弯道横向流速导致凹岸 处的表面顶冲，会引发强烈崩岸。
33
• 流量较小的时候，冲刷发生在凹岸弯道顶点或略 偏下游，使凹岸后退，凸岸前进，弯曲程度加大。 • 在急弯上和流量较大时，流速难以迅速改变，下 一个弯道的凸岸顶点上游处发生冲刷，使得弯道 凸岸上游处和凹岸下游处发生冲刷，弯道发生纵 向平移。
2）弯道环流产生的机理?
水流动力轴线？ 深泓线？
3）弯道水流动 力轴线
顶冲点：低水上提， 高水下挫；
主流线：低水傍岸， 高水居中. 工程问题：河道 拓宽，护岸范围 怎 样变化？
4）、弯道纵比降 弯道上段----凸岸>凹岸 ；弯道下段---凸岸<凹岸
凹岸 凸 岸
进口
出口
5）纵向流速
6）横向流速
弯道河段分区
• 三、河相关系
• 从流域的概念出发，河流的断面形态和纵剖面应该是 流域来水来沙条件的函数。
• B=F1（Q，G0，D0）
• H= F2（Q，G0，D0） • J= F3（Q，G0，D0） • 上述三个函数就是所谓的河相关系。 • （一）纵剖面河相关系 • 长江荆江段： J 25D50
2.38
•（二）横向河相 •1、宽深比(平滩水位下）
B h
2、关注不同流量下过水断面尺度 谢鉴衡方法
U 1 2 / 3 1/ 2 R J n U3 m S* K ( ) gR
B h Q BhU
3、考虑来水来沙情况的河相关系式 Q多年平均流量，
m 历年最低水位与多年平 均立位之间河岸边坡系数， 其值越大，坡角越小。
分 汊
分 汊
各支 汊 相互 发 展消 长
稳定性 可以从 稳定至 介于游 荡于弯 曲之间
两岸具有一 定抗冲性。 稳定的江心 洲河道， 有时上、下 游存在 控制节点.
二、山区河流的河床演变
（一）、山区河流主要特征
1、山区河流水流特征
洪峰， Q~Z，中水历时，流速大，滩上2~3m/s，比
降陡0.3~1.3‰
1、弯道的水流特征
水面横比降
F P1 P2 0
0U 2 1 F 2h J z 2 R
1 2 P h 1 2 1 P2 (h J z ) 2 2
U2 Jz gR
h
R2
横比降在弯顶附近最大
U2 dR gR
R1
U2m B Δh g R0
• 图7-25