第七章河床演变分析及河床变形计算
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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。
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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
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
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
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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
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河流动力学
7.3.3 弯曲型河道的河床演变
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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
河床演变
(5) 张海燕提出河流系统的最小河流功假说,表达式为:γQJ = min。 由于造床流量Q 给定,即最小比降J = min ;对于稳定冲积河 流,γQJ 值与输沙率Qs 成正比,即得到最小输沙率Qs = min。 但河床演变不仅仅是调整比降,而且认为冲积河流的调整是为了 满足输沙率最小,这与冲积河流的输沙相对平衡自动调整作用原 理相矛盾。 (6) 杨志达为了将最小能耗理论推向挟沙河流,提出输送流量Q 和 总输沙率Qs 的最小单位河段总能耗率公式] :γQJ +γs QsJ = min。杨志达没有区分推移质和悬移质泥沙的输移能耗规律的 差别,他主要将上式应用于推移质输沙,由于推移质输沙的能量 来自于水流,γQJ 包含了γs QsJ ,该公式有重复计算推移质输沙 能耗之嫌。 (7) 黄万里提出最大能量消散率理论 。他是根据热力学第二定律: 孤立系统的熵总是趋向于一个最大值。他不恰当地将孤立系统 的熵理论应用于开放系统的河流
1.3河床演变的形式
按演变形态分为两种：冲淤作用导致流程方 向上河床高程的变化，称为纵向变形；河床 在断面上发生的变化，称横向变形。 按演变发展的进程分为：单向变形，指在相 当长时期内河床单一地朝某方向发展，如黄 河下游多年来河床一直不断淤积抬高；复归 性变形，指河床周期性往复发展的演变现象， 例如浅滩在枯水期冲刷，洪水期淤积，如此 周期性演变。
稳定性理论：由稳定性理论出发研究河形问 题的方法，一般都是先假定河床上有一个小 的周期性的可衰减、可增大也可稳定的扰动， 结合反映床面沙波形态的阻力公式及泥沙纵 向和横向输沙的连续方程求解得到扰动传播 的有关参数，最后根据初始扰动有关参数随 时间变化的稳定性分析或根据假定来给出相 应的河流平面形态。
河床演变
1.概念 2.研究现状 3.主要问题
河流动力学-C7河床变形计算
hi 1 单元ii 1 hi h - 1 h h h 单元ii 1 i i 1
i 1 单元i
h
hi hi 1
xe
第七章 河床变形计算
7.1 一维河床变形计算
㈢按单元流量模数分配
⑵分配公式：
五、河床冲淤分布计算
7.1.5.3
DAbj DAb
K
K
m j m j
m代表分配的 均匀程度
11.4.21(8周)四
1
第七章 河床变形计算
本章内容简介
河床变形计算和数学模型的基本概念 一维河床变形计算的基本方程和求解方法 平面二维河床变形计算概述 冲刷和淤积极限平衡状态
2
第七章 河床变形计算
基本概念
㈠何为河床变形计算？
7.0
是采用数学模型对河床在自然条件下或受人类活动影响而发生的变 化进行定量预测或计算的方法。
㈡何为水沙数学模型？
是依据描述水沙运动的数学物理方程和具体初值边界条件，采用数 学上的解析解法或数值解法，求解出水沙因子时空变化的计算模式
或方法，是河床变形计算的具体手段。
㈢水沙数学模型的分类
一维：仅获取沿程断面水沙因子的平均值；
二维：可获得沿程断面水沙因子垂线平均值的横向分布(分平面、立面)； 三维：可获得沿程断面水沙因子的横向和垂向分布。
z i z i 1
Q 2 1
2 2 g Ai 1
1 2 Ai
n 2Q 2 2
1 1 2 4 / 3 2 4 / 3 Dx A R Ai Ri i 1 i 1
1 1 2 2 2 g Ai 1 Ai
Q 2
0
第七章 河床变形计算
7.1 一维河床变形计算
上海海事大学河流动力学复习资料
河流动力学第一章泥沙特性1、 等容粒径：体积与泥沙颗粒相等得球体得直径。
设某一颗泥沙体积为 V ，则等容粒径泥沙粒径可用长轴 a ，中轴b ，短轴c 得算术平均值表示 假设成椭球体，用几何平均值表示2、 粒配曲线得作法：（图1-1 P 6 ）① 通过颗粒分析（包括筛分与水析），求出沙样中各种粒径泥沙得重量② 算出小于各种粒径得泥沙总重量③ 在半对数坐标纸上，将泥沙粒径D 绘于横坐标 （对数分格）上,小于该粒径得泥沙在全部沙样 中所占重量得百分数 P 绘于纵坐标（普通分格）上,绘出得D 〜P 关系曲线即为所求得粒配曲 线、3、 粒配曲线特点曲线坡度越陡，表示沙样内颗粒组成越均匀，反之，不均匀。
4、 粒配曲线特征值1） 中值粒径：就是常用得特征值，它表示大于与小于该种粒径得泥沙重量各占沙样总重量得5 0% ,即粒配曲线得纵坐标上找出 p=50%,其对应得横坐标即为2） 平均粒径：就是沙样内各泥沙粒径组得加权平均值。
即粒配曲线得纵坐标分成若干组，并在横坐标（D ）上定出各组泥沙相应得上、下限粒径 以及各组泥沙在整个沙样中所占重量百分数，然后求出各组泥沙得平均粒径 n —为划分组数；，其中一沙样粒径分配得均方差，当为零时，沙样均匀”一般沙样不均匀，总就是大于零，因此，通常3）分选系数（非均匀系数），若=1,则沙样非常均匀，越〉1，则越不均匀。
5、 影响泥沙得孔隙率得因素① 沙粒得大小②均匀度③沙粒得形状④沉积得情况⑤沉积后受力大小 泥沙越细，孔隙率越大；泥沙越均匀，孔隙率越大；越接近球体，孔隙率越大。
6、 颗粒比表面积：颗粒表面积与其体积之比，对于球体，其表面积 颗粒比表面积间接地反映了颗粒受到得物理化学作用于重力作用得相对大小。
细颗粒沙粒得比表面积很大，所以,细颗粒表面得物理化学作用明显特别突出 动产生重要得影响。
7、 吸附层（固定层）:表面带负电荷得细颗粒泥沙在含有电解质得水中，由于静电引力作用，吸 引水中反号电荷（带正电荷）得离子，这种被牢固吸附在紧邻颗粒表面周围得反离子层。
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。
河流演变学资料
（3）平原河流的流态相对平稳，没有明显的跌水、急漩等 险恶流态。
（4）平原河流中悬移质以沙、粉沙、粘土为主。悬沙中床 沙质与床面泥沙不断交换且多呈饱和状态。较细颗粒的冲泻 质所占比重大；推移质多为中、细沙，以沙波形式运动。河 流输沙以悬移质为主。
（5）演变表现为往复性冲淤以及平面上的摆动。
弯曲河道的河床演变：
➢⑵非耦合：假定在同一时段内水流与泥沙相互不影响，水流方程中 无泥沙因子，实际上水流与河床随时在相互影响，只是在短时段内 影响不大而已。
水流连续方程： Q A 0 x t
水流运动方程： z U 2 U 2 1 U
x C 2 R 2g x g t
泥沙连续方程： G B Z0 0
x
t
xe
??auquugxrurunuugzz?????????????????222212234222341212212221??2212342341212222121112112112iiiiiiiiiiaagqxraraqnaagqzz???????????????????????????????该方程属于隐函数
xe
㈥输沙率的计算
➢⑴公式的选用：最好根据实测资料对比选用，系数、指数等可率定；
➢⑵全沙与非全沙：山区河流可仅考虑推移质G=Bgb 平原河流常仅考虑悬移质中的床沙质G=Bgs 或G=QS 特殊情况可考虑全沙G=B(gs＋gb)
➢⑶进口断面输沙率 ：最好有实测资料，若无可用挟沙力代替。
㈦泥沙的组成
➢⑴需要动沙和床沙的组成：主要指初始时刻； ➢⑵可分为汛期和非汛期两种粒配情况： ➢⑶可用表层床沙代替推移质 ：
㈡流量的分级
➢⑴按等时段划分。方便但难以反映流量的突涨突落。 ➢⑵按流量变幅情况划分。变幅小时段长，变幅大时段短；较符合实际. ➢⑶按等变幅流量划分。方法简单，便于计算机操作，较符合实际.
（4）平原河流中悬移质以沙、粉沙、粘土为主。悬沙中床 沙质与床面泥沙不断交换且多呈饱和状态。较细颗粒的冲泻 质所占比重大；推移质多为中、细沙，以沙波形式运动。河 流输沙以悬移质为主。
（5）演变表现为往复性冲淤以及平面上的摆动。
弯曲河道的河床演变：
➢⑵非耦合：假定在同一时段内水流与泥沙相互不影响，水流方程中 无泥沙因子，实际上水流与河床随时在相互影响，只是在短时段内 影响不大而已。
水流连续方程： Q A 0 x t
水流运动方程： z U 2 U 2 1 U
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泥沙连续方程： G B Z0 0
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㈥输沙率的计算
➢⑴公式的选用：最好根据实测资料对比选用，系数、指数等可率定；
➢⑵全沙与非全沙：山区河流可仅考虑推移质G=Bgb 平原河流常仅考虑悬移质中的床沙质G=Bgs 或G=QS 特殊情况可考虑全沙G=B(gs＋gb)
➢⑶进口断面输沙率 ：最好有实测资料，若无可用挟沙力代替。
㈦泥沙的组成
➢⑴需要动沙和床沙的组成：主要指初始时刻； ➢⑵可分为汛期和非汛期两种粒配情况： ➢⑶可用表层床沙代替推移质 ：
㈡流量的分级
➢⑴按等时段划分。方便但难以反映流量的突涨突落。 ➢⑵按流量变幅情况划分。变幅小时段长，变幅大时段短；较符合实际. ➢⑶按等变幅流量划分。方法简单，便于计算机操作，较符合实际.
桥涵水文-第七章-桥墩桥台冲刷计算
2021/6/17
长安大学
桥涵水文
12
7.1 泥沙运动
六、河床粗化
在冲刷河段内，床沙中的细颗粒泥沙被水流冲走，上游来沙中的粗颗粒 泥沙慢慢沉下来，这样，河床表面层的泥沙粒径逐渐增大，形成自然铺砌的 现象，称为河床床面的粗化。水库下游、桥梁上下游等冲刷河段的床面都有 床面粗化现象。
2021/6/17
起动流速就是床面泥沙颗粒在各种外力作用下，失去平衡，泥沙开始运 动时的水流垂线平均流速（m/s）。
张瑞瑾 v0d h0.142d90.00001d 00 0 .70h26 0.50(57-12)
沙玉清
v00.4d30.75 1.10.7d 40.5h0.2
2021/6/17
长安大学
(7-13)
桥涵水文
顺轴副流
通过弯道的水流在重力和离心力的共同作用下，面流流向凹岸，底流流 向凸岸，形成向前流动的螺旋流。河湾螺旋流的旋转轴方向与主流流向一致 ，称为顺轴副流。
螺旋流在横断面上的投影，称为断面横向环流，使凹岸冲刷，凸岸淤积 ；凹岸冲刷在弯道出口断面附近冲刷最深。
hsm ax1.48(R Bc)0.24(B h)0.17(d h)0.05h•Cm
河道输沙不平衡包括纵向输沙不平衡和横向输沙不平衡，分别影响 河道纵断面和横断面的演变形态。
2021/6/17
长安大学
桥涵水文
20
7.2 河床演变和河相关系
二、河床演变
纵向变形 横向变形
河流纵向输沙不平衡引起河床沿水流方向高程的 变化，亦即河流纵断面的变化称为纵向变形；
河流横向输沙不平衡导致河湾发展，河槽拓宽、 分汊、改道、裁弯等河床平面形状的变化，称为
长安大学
桥涵水文
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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