5泥沙运动及河床演变.ppt

第五章 泥沙运动与河床演变 研 究 目 的：为了取得较好的水质，防止泥沙、漂浮物等对取水构筑物及河道形成危害，避免因河道变迁造成取水脱流。 第一节 河水运动 河水的运动极为复杂，是纵向水流、横向环流和紊流的交互作用的混合运动且沿着流程不断变化。 ;一、河水的纵向运动： 由 河 床 的 纵 坡 降 的 总 趋 势 引 起 均 匀 流：流 速 沿 程 不 变 的 流 动； 反 之， 为 非 均 匀 流。 天然河道的水流不均匀主要原因是河道断面形状、底坡及流量等沿程不断变化。但是，对于一个比较顺直的河段，来水来泥情况基本稳定、河床基本处于不冲不淤的相对平衡状况，过水断面及流速沿程变化不大，水面坡度、床面坡度基本平直且相互平衡，基本上可视之为均匀流。 研究模型：为计算方便，将非均匀流的长河段分成若干视为均匀流的短河段加以研究。均匀流的??河段，其平均流速按谢才公式计算。 ;1．河道水流的轴线 ·正流(或元生流)：指河道水流的主体部分。 主流线：为沿程各断面最大纵向垂线平均流速所在点的连线的水平投影。( 注 流 线 和 深 水 线 大 致 重 合） 主流带：为围绕主流线两侧一定宽度内平均流速较大的流带。 ·边流带：在主流带以外的两侧或一侧，平均流速较小的近岸区域。 ·主流线可以作为河道水流的轴线，具有“大水趋直，小水走弯”的趋向。 ·主流线及主流带对全河段总的状态及发展趋势起决定性作用。同一河段中不同季节(洪水期和枯水期)形成不同的主流位置和洲滩形态。 ;2．洪水波 ·流域降水以前，河道中已有一水面。流域降水后，地表径流不断汇入河槽，河道水位、流量、流速等沿程发生变化，原有的水面因受干扰而形成波动称为洪水波。在原有水面上涌入的水量称为波流量。 ·原有水面上附加的水体，称洪水坡的波体，波体轮廓线上最高点相对于原有水面的高度称洪水波的波峰BD，波体与原有水面交界的水流方向的长度，称洪水波的波长AC。 ;·无旁侧汇流时，洪水波主要表现为推移运动和洪水波展开与扭曲变形，如图5-2。洪水波总是以一定速度不断地向下游河段推移运动，推移中波长不断增大A1C1→A2C2，波峰减小B1D1-B2D2这种为形称洪水波展开。在推移过程中，波峰的前部逐渐减小，波峰位置不断超前，而波峰的后部长度逐渐拉开，这种现象称洪水波的扭曲。 ;二、河水的环流运动 ： 由 纵 坡 降 以 外 的 其 他 因 素 促 成 环流运动：环绕一定的旋转轴往复进行的水流运动。环流称副流或次生流，主要影响泥沙运动和河床演变， 是 引 起 横 向 输 沙 的 主 要 动 力。 1．水平轴环流： 水平轴环流：旋转轴呈水平状的环流。图5-3 ·图5-3(a)为河道弯段上由离心力产生横坡降引起的横向环流。凹岸水面高于凸岸，表流流向凹岸，底流流向凸岸，凹冲凸淤。 ·图5-3(b)由心滩形成的横坡降引起的横向环流。表流由心滩流向两岸，底流由两岸流向心滩，造成两岸冲刷，心滩淤积。 ; ·图5-3(c)河底有横向沙脊或横向石滩时形成的双向环流。与(b)图(由于心滩大，且又有弯道，而沙脊纵向短)的情况正好相反，水流经过沙脊或石滩时，由于中部流速大，受到的壅水作用强，因而河心水面隆起，两岸之间相对下降，形成从河心向两岸下倾的横坡降，这时双向环流的底流从河心流向两岸。如河底泥沙的可动性很大，则河心被冲刷，两岸则淤高。 横坡降引起的横向环流是河床冲刷和淤积的主要原因之一。以上旋转轴基本与纵向主流平行。 ·图5-3(d)，(e)两种水平轴环流的旋转轴与纵向主流相垂直，这种环流一般为相对封闭的回旋流，其形成原因各不相同。(d)环流由于前进流受阻形成，(e)环流是水流的离解作用形成。 ;2．竖直轴环流 竖直轴环充的旋轴与主流及河底都垂直，它是相对封闭的回旋流。主要由水流的离解作用产生的。如图5-4，5-5。 ;三、紊流：泥 沙 悬 浮 的 主 要 动 力 形成：河道周壁由不同粒径的泥沙组成且具一定的粗糙度，河道中水流雷诺数很大而形成紊流(且具速度梯度)。 特点： ·脉动：指水流中任一质点的流速和压力随时间呈不规则的变化。(绕一个平均值上、下波动) ·扩散：指紊乱的运动过程伴随着水流的能量及质量传递。 ;第二节 泥沙运动;一、泥沙的分类 ·床沙：河床表面静止的泥沙，其颗粒较大(推移质) ·推移质：在水流作用下，沿河底滚动，滑动或跳跃前进的泥沙，称推移度(也称底沙)。 特点：颗粒d较粗，占河总沙量的5～１０％。但对河床演变起重要作用。 ·悬移质(悬沙)：悬浮于水中随水流前进的泥沙称悬移质。 特点：粒径较细，在冲积平原江河中，占总 沙量的90～９５％。 ·联系和区别：同一泥沙在较缓水流作用下，也可表现为推移质；在较强水流作用下，也可表现为