1、河道演变规律河道演变规律河流动力学河床演变的基本原理河床演变的基本原理河流动力学河流动力学n河床演变是输沙不平衡的直接后果河床演变是输沙不平衡的直接后果n如果进入这一区域的沙量大于该区域水流所能输送的沙量，河床将淤积拾高；相反，如果进入这一区域的沙量大于该区域水流所能输送的沙量，河床将淤积拾高；相反，如果进入这一区域的沙量小于该区域水流所能输送的沙量时，河床将冲刷降低如果进入这一区域的沙量小于该区域水流所能输送的沙量时，河床将冲刷降低n若进一步追溯输沙不平衡的根本原因，可区分为两种不同的情况，若进一步追溯输沙不平衡的根本原因，可区分为两种不同的情况，n起因于动床水沙两相流的内在矛盾起因于动床水
2、沙两相流的内在矛盾n外部条件的不恒定性造成外部条件的不恒定性造成河流动力学n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n这是由于推移质运动往往采取沙被运动形式，而在天然河流上还往往采取成型堆积体运这是由于推移质运动往往采取沙被运动形式，而在天然河流上还往往采取成型堆积体运动形式造成的。沙波和成型堆积体的存在将原来均匀一致的水流改造成为在近底部分的动形式造成的。沙波和成
3、型堆积体的存在将原来均匀一致的水流改造成为在近底部分的收缩段和扩张段，也就是加速区和减速区交替出现的非均匀水流，泥沙收缩段和扩张段，也就是加速区和减速区交替出现的非均匀水流，泥沙在在水流加速区发水流加速区发生冲刷，而在水流减速区发生淤积，其结果使得整体上仍处于输沙平衡状态的河床，在生冲刷，而在水流减速区发生淤积，其结果使得整体上仍处于输沙平衡状态的河床，在局部上己处于输沙不平衡状态，同一瞬间河床高程沿流程呈波状变化；同一空间点河床局部上己处于输沙不平衡状态，同一瞬间河床高程沿流程呈波状变化；同一空间点河床高程沿时程呈波状变化。高程沿时程呈波状变化。n值得注意的是，水沙两相流动床的平直状态是不稳
4、定的，施加一个小的扰动波之后就会转变值得注意的是，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河流动力学n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
5、过程之中n进口水沙条件几乎总在变化进口水沙条件几乎总在变化n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，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由此产生的水沙量的因时变化比较显著n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化也有一定的影响n出口条件出口条件n如果着眼点是前面提到的侵蚀基面如果着眼点是前面提到的侵蚀基面，其变化是很缓慢的；其变化是很缓慢的；n如果着眼点是水流条件的变化如果着眼点是
6、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，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仍可能产生很大的变化河流动力学n河床周界条件河床周界条件n通常是比较稳定的，但当局界发生急剧变形之后通常是比较稳定的，但当局界发生急剧变形之后，如周界的形态和地质组成出现急变，如周界的形态和地质组成出现急变，也可能激发新的输沙不平衡也可能激发新的输沙不平衡河流动力学河床演变的分析方法河床演变的分析方法河流动力学分类分类n按时间特征：长期变形和短期变形；按时间特征：长期变形和短期变形；n按空间特征：大范围变形和局部变形；按空间特征：大范围变形和局部变形；n按形式特征：纵深向
7、变形和横宽向变形；按形式特征：纵深向变形和横宽向变形；n按方向性特征：单向变形按方向性特征：单向变形(单向冲刷或淤积单向冲刷或淤积)和复归性变形和复归性变形(冲刷淤积交替进行冲刷淤积交替进行)；n按是否受人类活动干扰：自然变形和受人为干扰变形按是否受人类活动干扰：自然变形和受人为干扰变形河流动力学n影响河床演变的主要因素可概括为影响河床演变的主要因素可概括为n河段上游来水量及其变化过程河段上游来水量及其变化过程n河段上游来沙量、来沙组成及其变化过程河段上游来沙量、来沙组成及其变化过程n河段出口处的侵蚀基点高程及河床周界条件等河段出口处的侵蚀基点高程及河床周界条件等n目前常用的几种演变分析方法目
8、前常用的几种演变分析方法n天然河道实测资料分析天然河道实测资料分析n运用泥沙运动基本规律及河床演变基本原理、对河床变形进行理论计算运用泥沙运动基本规律及河床演变基本原理、对河床变形进行理论计算n运用河流模拟的基本理论，对河床演变进行预测运用河流模拟的基本理论，对河床演变进行预测n对条件相类似的河段进行类比分析对条件相类似的河段进行类比分析（在所研究的河段资料不完备的条件下采用在所研究的河段资料不完备的条件下采用）河流动力学天然河道实测资料分析天然河道实测资料分析n河段来水来沙资料河段来水来沙资料分析分析n根据多年平均流量、多年平均输沙量资料，确定要分折的年份属什么类型的典型年，根据多年平均流量
9、、多年平均输沙量资料，确定要分折的年份属什么类型的典型年，n若为丰水枯沙年则有利于河道冲刷；若为枯水丰沙年，则有利于淤积；若为中若为丰水枯沙年则有利于河道冲刷；若为枯水丰沙年，则有利于淤积；若为中水中沙年，河道可能会处于冲淤平衡状态。进一步划分又可分为丰水丰沙年、丰水中沙年，河道可能会处于冲淤平衡状态。进一步划分又可分为丰水丰沙年、丰水中沙年、中水丰沙年：、中水枯沙年、枯水枯沙年等。不同的水沙典型，河道水中沙年、中水丰沙年：、中水枯沙年、枯水枯沙年等。不同的水沙典型，河道演变的方向、演变的幅度会有明显著异演变的方向、演变的幅度会有明显著异n若需要进一步分析河床演变的细节，则需仔细分析水沙过程的
10、年内变化情况，特别是若需要进一步分析河床演变的细节，则需仔细分析水沙过程的年内变化情况，特别是研究浅滩河段年内冲淤变化规律时，涨水和退水时间的长短、沙峰和洪峰孰先孰后、研究浅滩河段年内冲淤变化规律时，涨水和退水时间的长短、沙峰和洪峰孰先孰后、洪峰与沙峰的峰型及峰量等，往往关系到浅滩河段年内冲淤变化及碍航情况洪峰与沙峰的峰型及峰量等，往往关系到浅滩河段年内冲淤变化及碍航情况河流动力学n对水道地形观测资料的整理对水道地形观测资料的整理分析分析n河道平面变化河道平面变化河流动力学n对水道地形观测资料的整理分析对水道地形观测资料的整理分析n河道纵向演变及冲淤量估算河道纵向演变及冲淤量估算n河段历年实测
11、的深泓线河段历年实测的深泓线(或河床平均高程线或河床平均高程线)绘制在同一幅图上，通过分析对照，绘制在同一幅图上，通过分析对照，即可看出该河段沿深泓线即可看出该河段沿深泓线(或沿几何轴线或沿几何轴线)的纵向冲淤变化的纵向冲淤变化n点绘水位点绘水位流量关系图，可以间接判断河床的冲淤情况，并据此分析河段冲淤发流量关系图，可以间接判断河床的冲淤情况，并据此分析河段冲淤发展趋势展趋势n根据历年水位、流量实测资料，可绘制同流量下的水位过程线，用于分析河段年根据历年水位、流量实测资料，可绘制同流量下的水位过程线，用于分析河段年际冲淤变化际冲淤变化n当河道上设有多处水文站，并有历当河道上设有多处水文站，并有
12、历年年实测悬移质输沙率资料时，可以根据输沙平实测悬移质输沙率资料时，可以根据输沙平衡原理，计算某时段内上、下水文站输衡原理，计算某时段内上、下水文站输沙沙量之差，据此可判断该时段内河床的冲量之差，据此可判断该时段内河床的冲淤变化及其冲淤量淤变化及其冲淤量河流动力学河流动力学n当河段内有若干次实测大断面成果时，则可进行河道断面的冲淤计算，具体做法是当河段内有若干次实测大断面成果时，则可进行河道断面的冲淤计算，具体做法是：n每个断面选择一个定常的比较高的控制高程作为断面冲淤计算的基准面；每个断面选择一个定常的比较高的控制高程作为断面冲淤计算的基准面；n分别计算各断面历次实测控制基准面以下的断面面积
13、；分别计算各断面历次实测控制基准面以下的断面面积；n计算各断面相邻两个侧次的断面面积之差，并根据上、下相邻两个断面的间距，计算计算各断面相邻两个侧次的断面面积之差，并根据上、下相邻两个断面的间距，计算其间的冲淤量；其间的冲淤量；n根据计算所得冲淤量，绘制沿程冲淤变化图根据计算所得冲淤量，绘制沿程冲淤变化图河流动力学河流动力学n对河床地质资料的整理分析对河床地质资料的整理分析n河床地质条件是影响河床演变的重要团素之一河床地质条件是影响河床演变的重要团素之一n当河床由易冲刷的松散沙质组成时，河床的变化将较急剧，河床将不稳定当河床由易冲刷的松散沙质组成时，河床的变化将较急剧，河床将不稳定n当河床由不
14、易冲刷的土质组成时，河床演变的过程将较缓慢，河床将比较稳定当河床由不易冲刷的土质组成时，河床演变的过程将较缓慢，河床将比较稳定n如果河床的地质组成极为复杂，则河床演变的过程也将很复杂如果河床的地质组成极为复杂，则河床演变的过程也将很复杂河流动力学河流动力学河相关系河相关系河流动力学定义定义n能够自由发展的冲积平原河流的河床，在水流的长期作用下，有可能形成与所在河段具体条能够自由发展的冲积平原河流的河床，在水流的长期作用下，有可能形成与所在河段具体条件相适应的某种均衡的河床形态，亦这种均衡和表达来水来沙条件件相适应的某种均衡的河床形态，亦这种均衡和表达来水来沙条件(如流量、含沙量、泥沙粒如流量、
15、含沙量、泥沙粒径等径等)及河床地质条件及河床地质条件(在冲积平原河流中其本身的部分甚至整体往往又是来水来沙条件的函在冲积平原河流中其本身的部分甚至整体往往又是来水来沙条件的函数）的特征物理量之间，常存在某种函数关系，这种函数关系称为数）的特征物理量之间，常存在某种函数关系，这种函数关系称为河相关系或均衡关系河相关系或均衡关系n由于河床形态常处在发展变化的过程之中，所谓均衡形态并不意味着一成不变，而只是就空由于河床形态常处在发展变化的过程之中，所谓均衡形态并不意味着一成不变，而只是就空间和时间的平均情况而言间和时间的平均情况而言河流动力学n存在两种河相关系，存在两种河相关系，n相应于某一特征流量
16、，如造床流量的河相关系，利用这样的河相关系相应于某一特征流量，如造床流量的河相关系，利用这样的河相关系，对于某一断面，对于某一断面，只能确定惟一的河宽、水深及比降。这样的河相关系，适用于一个河段的不同断面，只能确定惟一的河宽、水深及比降。这样的河相关系，适用于一个河段的不同断面，同一河流的不同河段，甚至不同河流。它只涉及断面的宏观形态，而不涉及其细节同一河流的不同河段，甚至不同河流。它只涉及断面的宏观形态，而不涉及其细节。在文献中有时称之为沿程河相关系在文献中有时称之为沿程河相关系n同一断面相应于不同流量的河相关系，它能确定断面形态随流量变化的细节，在文献同一断面相应于不同流量的河相关系，它能
17、确定断面形态随流量变化的细节，在文献中有时称之为断面河相关系。通常所说的河相关系中有时称之为断面河相关系。通常所说的河相关系，常指沿程河相关系，在用沿程河常指沿程河相关系，在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其变化细节相关系确定断面的总体轮廓之后，再用断面河相关系确定其变化细节n冲积河流水力计算和河道整治的依据冲积河流水力计算和河道整治的依据河流动力学造床流量造床流量n无论是河床的稳定系数，还是河相关系，都要使用单一的所谓无论是河床的稳定系数，还是河相关系，都要使用单一的所谓造床流量造床流量作为特征流量。而实际作为特征流量。而实际上影响河床形态及其演变特性的流量是变化不
18、定的，因此，这个上影响河床形态及其演变特性的流量是变化不定的，因此，这个单一的造床流量应该是其造床单一的造床流量应该是其造床作用与多年流量过程的综合造床作用作用与多年流量过程的综合造床作用相当相当的某一种流量。这种流量对塑造河床形态所起的作用的某一种流量。这种流量对塑造河床形态所起的作用最大最大，但它不等于最大洪水流量，因为尽管最大洪水流量的造床作用剧烈，但时间过短，所起，但它不等于最大洪水流量，因为尽管最大洪水流量的造床作用剧烈，但时间过短，所起的造床作用并不是很大；它也不等于枯水流量，因为尽管枯水流量作用时间甚长，但流量过小，的造床作用并不是很大；它也不等于枯水流量，因为尽管枯水流量作用时
19、间甚长，但流量过小，所起的造床作用也不可能很大。因此，造床流量应该是一个较大但又并非最大的洪水流量所起的造床作用也不可能很大。因此，造床流量应该是一个较大但又并非最大的洪水流量河流动力学n确定造床流量确定造床流量方法方法n马卡维也夫马卡维也夫法法n某个流量造床作用的大小，既与该流量的输沙能力有关，同时也与该流量所持续的时某个流量造床作用的大小，既与该流量的输沙能力有关，同时也与该流量所持续的时间有关。前者可认为与流量间有关。前者可认为与流量Q的的m次方及比降次方及比降J的乘积成正比，后者可用该流量出现的的乘积成正比，后者可用该流量出现的频率频率P来表示。因此，当来表示。因此，当QmJP的乘积力
20、最大时，其所对应的流量的造床作用也最大，的乘积力最大时，其所对应的流量的造床作用也最大，这个流量便是所要求的造床流量这个流量便是所要求的造床流量n 计算的具体步骤如下计算的具体步骤如下n将河段某断面历年将河段某断面历年(或选典型年或选典型年)的流量过程分成相等的流量级的流量过程分成相等的流量级n确定各级流量出现的频率确定各级流量出现的频率Pn绘制该河段的流量绘制该河段的流量比降关系曲线，以确定特级流量相应的比降比降关系曲线，以确定特级流量相应的比降n算出相应于每一级流量的算出相应于每一级流量的QmJP值，其中值，其中Q为该流量级的平均值；为该流量级的平均值；m为指数，可由实测为指数，可由实测资
21、料确定，即在双对数纸上作资料确定，即在双对数纸上作GsQ关系曲线关系曲线(Gs为与为与Q相应的实测断面的输沙率相应的实测断面的输沙率)，曲，曲线斜率即为线斜率即为m值，对平原河流来说，一般可取值，对平原河流来说，一般可取m2n绘制绘制Q QmJP关系曲线关系曲线n从图中查出从图中查出QmJP的最大值，相应于此最大值的流量的最大值，相应于此最大值的流量Q即为所求的造床流量即为所求的造床流量河流动力学n实际资料分析表明，平原河流的实际资料分析表明，平原河流的QmJP值值通常都出现两个较大的峰值通常都出现两个较大的峰值(见见右右图图)。相应最大峰值的流量值约相当于多年平相应最大峰值的流量值约相当于多
22、年平均最大洪水流量，其水位约与河漫滩齐均最大洪水流量，其水位约与河漫滩齐平，一般称此流量为第一造床流量。相平，一般称此流量为第一造床流量。相应次大峰值的流量值略大于多年平均流应次大峰值的流量值略大于多年平均流量，其水位约与边滩高程相当，一般称量，其水位约与边滩高程相当，一般称此流量为第二造床流量此流量为第二造床流量n决定中水河槽的流量应为第一造床流量，决定中水河槽的流量应为第一造床流量，第二造床流量仅对塑造枯水河床有一定第二造床流量仅对塑造枯水河床有一定的作用，通常所说的造床流量系指第一的作用，通常所说的造床流量系指第一造床流量造床流量河流动力学n平滩水位法平滩水位法n用漫滩水位确定造床流量，
23、是由于按前述方法计算的造床流量水位大致与河漫滩齐平，同用漫滩水位确定造床流量，是由于按前述方法计算的造床流量水位大致与河漫滩齐平，同时，也只有当水位平滩时，造床作用才最大，因为当水位再升高漫滩时，水流分散，造床时，也只有当水位平滩时，造床作用才最大，因为当水位再升高漫滩时，水流分散，造床作用降低，水位低于河漫摊时，流速较小，造床作用也不强。这一方法亦称漫滩流量法。作用降低，水位低于河漫摊时，流速较小，造床作用也不强。这一方法亦称漫滩流量法。n使用这一方法的困难之处在于河漫滩高程不易准确确定。为了避免用一个断面时河漫滩高使用这一方法的困难之处在于河漫滩高程不易准确确定。为了避免用一个断面时河漫滩
24、高程难以确定及代表性不强的缺点，可以在河段内取若干个有代表性的断面，取其平滩水位程难以确定及代表性不强的缺点，可以在河段内取若干个有代表性的断面，取其平滩水位时的平均流量值作为造床流量时的平均流量值作为造床流量n此法概念清楚，简便易行此法概念清楚，简便易行，实际工作中应用较广泛实际工作中应用较广泛n造床流量的保证率法造床流量的保证率法河流动力学河相关系河相关系hBn早期的河相关系早期的河相关系n早期的河相关系基本上是经验性质的早期的河相关系基本上是经验性质的n具体做法是，选取比较稳定或冲淤幅度不大，年内输沙接近平衡的可以自由发展具体做法是，选取比较稳定或冲淤幅度不大，年内输沙接近平衡的可以自由
25、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祈成果，如格鲁什科夫提出的如下宽深关系式n其中河宽其中河宽B及平均水深及平均水深h是相应于平摊流量而言的、单位为是相应于平摊流量而言的、单位为米米，通称河相系数，通称河相系数，山区河段为山区河段为1.4，细沙河段为，细沙河段为5.5n上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。进一步的研究表明性规律。进一步的研
26、究表明。与河型密切相关与河型密切相关河流动力学n近代河相关系近代河相关系n量纲分析法量纲分析法n谢鉴衡方法谢鉴衡方法n最小活动性假说最小活动性假说n能耗最小假说能耗最小假说河流动力学n纵向稳定系数纵向稳定系数n河床在纵深方向的稳定性主要决定于泥沙抗拒运动的摩阻力与水流作用于泥沙的河床在纵深方向的稳定性主要决定于泥沙抗拒运动的摩阻力与水流作用于泥沙的拖曳力的对比拖曳力的对比n这个比值愈大，泥沙运动强度愈弱，河床因沙坡、成型堆积体运动及与之相应的这个比值愈大，泥沙运动强度愈弱，河床因沙坡、成型堆积体运动及与之相应的水流变化产生的变形愈小，因而愈稳定；相反、比值愈小，泥沙运动强度愈大，水流变化产生的
27、变形愈小，因而愈稳定；相反、比值愈小，泥沙运动强度愈大，河床产生的变形愈大，因而愈不稳定河床产生的变形愈大，因而愈不稳定河床稳定性河床稳定性河流动力学河床稳定性（续）河床稳定性（续）n横向稳定系数横向稳定系数n横向稳定与河岸稳定密切相关。横向稳定与河岸稳定密切相关。n从问题的物理实质来看，决定河岸稳定的因素主要是主流的顶冲地点及其走向和河岸从问题的物理实质来看，决定河岸稳定的因素主要是主流的顶冲地点及其走向和河岸土壤的抗冲能力。主流顶冲河岸，而河岸土壤的抗冲能力愈弱，则河岸愈不稳定。土壤的抗冲能力。主流顶冲河岸，而河岸土壤的抗冲能力愈弱，则河岸愈不稳定。n滩槽高差对河岸的抗冲能力也有一定的影响
28、。滩槽高差愈小，则冲刷同样宽度带走的滩槽高差对河岸的抗冲能力也有一定的影响。滩槽高差愈小，则冲刷同样宽度带走的土方量愈少，因而需要的时间愈短，河岸也愈不稳定，但滩槽高差较小，也可看成河土方量愈少，因而需要的时间愈短，河岸也愈不稳定，但滩槽高差较小，也可看成河岸抗冲能力甚弱的直接后果岸抗冲能力甚弱的直接后果河流动力学n平滩流量横向稳定系数平滩流量横向稳定系数n枯水流量横向稳定系数枯水流量横向稳定系数n综合稳定系数综合稳定系数n由于河流是否稳定，既决定于河床的纵向稳定，也决定于河床的横向稳定，很自然地由于河流是否稳定，既决定于河床的纵向稳定，也决定于河床的横向稳定，很自然地会联想到将这两个稳定系数
29、联系在一起，构成一个综合的稳定系数会联想到将这两个稳定系数联系在一起，构成一个综合的稳定系数河流动力学蜿蜒型河道的演变规律蜿蜒型河道的演变规律河流动力学定义定义n蜿蜒河流蜿蜒河流(meander)一词起源于土耳其西南部的梅安德一词起源于土耳其西南部的梅安德(Meander)河，因该河很清楚地呈现出河，因该河很清楚地呈现出的扭曲折的流路，后来即以该何名代表蜿蜒型河流的扭曲折的流路，后来即以该何名代表蜿蜒型河流n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，都存在都存在这种河型这种河型n从土壤地质看
30、，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，河谷都比较开阔阔n在我国这种河型分市得十分广泛在我国这种河型分市得十分广泛河流动力学n下荆江弯曲河道下荆江弯曲河道河流动力学形态特征形态特征n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n在较长的蜿蜒型河道上，自上游过波段中点起沿河道中心线至最后一个过渡段中点止的曲线在较长的蜿蜒型河道上，自上游过波段中点起沿河道中心线至最后一个过渡段中点止的曲线长度长度L0
31、与起点至终点的直线长度与起点至终点的直线长度L1之比，称为之比，称为曲折系数曲折系数n下荆江的曲折系数原为下荆江的曲折系数原为2.84，几经裁弯取直后，降为，几经裁弯取直后，降为1.89，南运河的曲折系数为南运河的曲折系数为1.96河流动力学n单个河弯而言，上下两个过渡段的中点之间的曲线长度单个河弯而言，上下两个过渡段的中点之间的曲线长度L c与直线长度与直线长度Ll之比为该河弯的曲之比为该河弯的曲折系数折系数n相邻两弯顶的横向距离相邻两弯顶的横向距离Bm称为摆幅称为摆幅n单个弯道的弯曲程度是沿程变化的。但在一定的范围内常近似为圆弧形，因而可用圆弧半单个弯道的弯曲程度是沿程变化的。但在一定的范
32、围内常近似为圆弧形，因而可用圆弧半径只来表示其弯曲程度，称为径只来表示其弯曲程度，称为曲率半径曲率半径nR的大小与河流尺度和动量有关的大小与河流尺度和动量有关河流动力学n在曲率半径为尺的单个弯段内，上游起点和下游终点辐射线所构成的夹角称为中心角在曲率半径为尺的单个弯段内，上游起点和下游终点辐射线所构成的夹角称为中心角n凹向水流的河岸为凹岸，凸向水流的称为凸岸二者在平面上都是左右相对的。两反向弯道凹向水流的河岸为凹岸，凸向水流的称为凸岸二者在平面上都是左右相对的。两反向弯道之间的直线段称为过渡段之间的直线段称为过渡段河流动力学n从横断面看，弯道段呈不对称三角形，凹岸一例坡陡水深，凸岸一侧坡缓水浅
33、。过波段基本是从横断面看，弯道段呈不对称三角形，凹岸一例坡陡水深，凸岸一侧坡缓水浅。过波段基本是呈对称的抛物线形或梯形。由弯道段至过波段断面形态沿程是逐渐变化的呈对称的抛物线形或梯形。由弯道段至过波段断面形态沿程是逐渐变化的n从纵剖面看，其深泓线是沿程起伏相间的，弯道段高程较低，而过渡段则较高从纵剖面看，其深泓线是沿程起伏相间的，弯道段高程较低，而过渡段则较高河流动力学水流特性水流特性n蜿蜒型河段的水流运动受重力和离心惯性力的双重作用，其等压面与重力和离心惯性力的蜿蜒型河段的水流运动受重力和离心惯性力的双重作用，其等压面与重力和离心惯性力的合力相垂直，因而水位沿横向呈曲线变化，凹岸一现象决定了
34、弯道水流结构的特点合力相垂直，因而水位沿横向呈曲线变化，凹岸一现象决定了弯道水流结构的特点n这些特点主要反映在水面横比降这些特点主要反映在水面横比降J，凹岸和凸岸的纵比降、横向环流、纵向垂线平均流速，凹岸和凸岸的纵比降、横向环流、纵向垂线平均流速和水流动力轴线的变化上和水流动力轴线的变化上河流动力学n菲德曼实测的弯道水位等高线菲德曼实测的弯道水位等高线河流动力学n横比降的存在，横比降的存在，使得水流纵比使得水流纵比降沿凹岸和凸降沿凹岸和凸岸不同岸不同河流动力学n横比降的水体受力特点，必然会形成横向环流，环流的方向，其上部恒指向凹岸，下部横比降的水体受力特点，必然会形成横向环流，环流的方向，其上
35、部恒指向凹岸，下部横横指向凸岸指向凸岸n凡是水流弯曲的部位都存在环流凡是水流弯曲的部位都存在环流n边滩的存在促使水流弯曲，故顺直型河段也存在环流。在边滩的存在促使水流弯曲，故顺直型河段也存在环流。在汊道汊道的分流区和汇的分流区和汇流流区同样区同样存在环流存在环流河流动力学输沙特性输沙特性n河段泥沙的纵向输移，从长时段看基本上是平衡的。除某些特殊情况河段泥沙的纵向输移，从长时段看基本上是平衡的。除某些特殊情况(例如坝下游的长距离例如坝下游的长距离冲刷冲刷)外，一般不存在显著的单向淤积或冲刷。但由上述水力泥沙因素变化所引起的汛期槽外，一般不存在显著的单向淤积或冲刷。但由上述水力泥沙因素变化所引起的
36、汛期槽冲滩淤，枯水期槽淤滩冲，则很有规律性冲滩淤，枯水期槽淤滩冲，则很有规律性河流动力学演变规律演变规律n一般演变一般演变n平面变化平面变化n蜿蜒型河段的平面变化是，蜿蜒曲折的程度不断加剧，河长增加，曲折系数也随之蜿蜒型河段的平面变化是，蜿蜒曲折的程度不断加剧，河长增加，曲折系数也随之增大增大n原因原因：主要是凹岸的不断崩退和凸岸的相应淤长，使河弯在平面上不断发生位移，主要是凹岸的不断崩退和凸岸的相应淤长，使河弯在平面上不断发生位移，并且随弯顶向下游蠕动而不断改变其平面形状并且随弯顶向下游蠕动而不断改变其平面形状n平面变形虽然比较大但仍有一定的限度平面变形虽然比较大但仍有一定的限度n平面变形时
37、河弯固然不断变化，但各河弯之间过渡段的中间部位则基本不变，平面变形时河弯固然不断变化，但各河弯之间过渡段的中间部位则基本不变，只是过只是过渡渡段长短不等而已。段长短不等而已。即即，蜿蜒型河段的平面变形，基本上是围绕由这些，蜿蜒型河段的平面变形，基本上是围绕由这些中间部位联成的摆轴进行的中间部位联成的摆轴进行的河流动力学n下荆江近下荆江近400年变化年变化河流动力学n一般演变一般演变（续）（续）n横向变化横向变化n横断面变形主要表现为凹岸崩退和凸岸相应淤长横断面变形主要表现为凹岸崩退和凸岸相应淤长n在变化过程中不仅断面形态相似，且冲淤的横断面面积也接近相等在变化过程中不仅断面形态相似，且冲淤的横
38、断面面积也接近相等n可根据前后两次实测断面资料，对断面的进一步发展趋势作出判断可根据前后两次实测断面资料，对断面的进一步发展趋势作出判断n如果崩退的面积大于淤长的面积，则凸岸会继续淤长如果崩退的面积大于淤长的面积，则凸岸会继续淤长n如果凸岸淤长的面积大于崩退的面积，则凹岸会继续崩退如果凸岸淤长的面积大于崩退的面积，则凹岸会继续崩退n如果崩淤面积接近相等，则表明断面已接近平衡状态如果崩淤面积接近相等，则表明断面已接近平衡状态n横断面变形最本质的原因是横向输沙不平衡横断面变形最本质的原因是横向输沙不平衡n过渡段两岸也会发生一定的冲淤变化，但强度较弱。两岸冲淤面积接近相等，断面形过渡段两岸也会发生一
39、定的冲淤变化，但强度较弱。两岸冲淤面积接近相等，断面形态保持不变态保持不变河流动力学n来家铺来家铺弯顶冲弯顶冲淤变化淤变化河流动力学n一般演变（续）一般演变（续）n纵向变化纵向变化n即弯道段洪水期冲刷而枯水期淤积，过渡段则相反即弯道段洪水期冲刷而枯水期淤积，过渡段则相反n年内冲淤变化虽不能完全达到平稠，但就较长时期的平均情况而言，基本上是平年内冲淤变化虽不能完全达到平稠，但就较长时期的平均情况而言，基本上是平衡的衡的河流动力学n突变突变n自然裁弯自然裁弯n蜿蜒型河段的发展由于某些原因（例如河岸土壤抗冲能力较差蜿蜒型河段的发展由于某些原因（例如河岸土壤抗冲能力较差)，使同一岸两个，使同一岸两个弯
40、道的弯顶崩退，形成急剧河环和狭颈。狭颈的起止点相距很近，而水位差较大，弯道的弯顶崩退，形成急剧河环和狭颈。狭颈的起止点相距很近，而水位差较大，如遇水流漫滩，在比降陡流速大的情况下便可将狭颈冲开，分泄一部分水流而形如遇水流漫滩，在比降陡流速大的情况下便可将狭颈冲开，分泄一部分水流而形成新河。这一现象称为自然裁弯成新河。这一现象称为自然裁弯河流动力学n自然裁弯自然裁弯河流动力学n突变突变n撇弯撇弯n当河弯发展成曲率半径很小的急弯后，迟到较大的洪水，水流弯曲半径远大于河弯曲当河弯发展成曲率半径很小的急弯后，迟到较大的洪水，水流弯曲半径远大于河弯曲率半径，这时在主流带与凹岸急弯之间产生回流。使原凹岸急
41、弯淤积。这种突变称为率半径，这时在主流带与凹岸急弯之间产生回流。使原凹岸急弯淤积。这种突变称为撇弯撇弯n撇弯时凹岸是淤积的，有异于弯道演变的一般规律撇弯时凹岸是淤积的，有异于弯道演变的一般规律n切滩切滩n河弯曲率半径适中，而凸岸边滩延展较宽且较低时，遇到较大的洪水，水流弯曲半径河弯曲率半径适中，而凸岸边滩延展较宽且较低时，遇到较大的洪水，水流弯曲半径大于河岸的曲率半径较多，这时凸岸边滩被水流切割而形成串沟，分泄一部分流量，大于河岸的曲率半径较多，这时凸岸边滩被水流切割而形成串沟，分泄一部分流量，这种突变称为切滩这种突变称为切滩n产生这一现象的主要原因，是凸岸边滩较低，抗冲能力较差产生这一现象的
42、主要原因，是凸岸边滩较低，抗冲能力较差河流动力学n撇弯和切滩撇弯和切滩河流动力学n自然裁弯与切滩虽然有一些共同点，但实际上是两个不同的概念自然裁弯与切滩虽然有一些共同点，但实际上是两个不同的概念n自然裁弯是在两个河弯之间的狭颈上进行的，而切滩发生在同自然裁弯是在两个河弯之间的狭颈上进行的，而切滩发生在同一一河弯的凸岸河弯的凸岸n切滩所形成的串沟，虽然也可以成为新河，但原河弯不会被淤积成牛轭湖，而是形成两切滩所形成的串沟，虽然也可以成为新河，但原河弯不会被淤积成牛轭湖，而是形成两条水道并存的分汊河段条水道并存的分汊河段n两者对河势的影响，自然裁弯比切滩要大很多两者对河势的影响，自然裁弯比切滩要大
43、很多河流动力学分汊型河道的演变规律分汊型河道的演变规律河流动力学n分汊型河段是冲积平原河流中常见的一种河型，西方国家称之为辫状河型。我国各流域内分汊型河段是冲积平原河流中常见的一种河型，西方国家称之为辫状河型。我国各流域内都存在这种河型都存在这种河型n分汊型河段由于水流和泥沙分股输移，这样的水、沙状况往往是难于稳定的，容易引起汊分汊型河段由于水流和泥沙分股输移，这样的水、沙状况往往是难于稳定的，容易引起汊道的变化道的变化河流动力学形态特性形态特性n分汊型河段的几何形态三维性特别强，分别就平面、横断面和纵剖面形态加以叙述分汊型河段的几何形态三维性特别强，分别就平面、横断面和纵剖面形态加以叙述n平
44、面特性平面特性n单个的分汊河段，其平面形态是上端放宽、下端收缩而中间最宽。中间段可能是两汊，单个的分汊河段，其平面形态是上端放宽、下端收缩而中间最宽。中间段可能是两汊，也可以是多汊，各汊之间为江心洲。自分流点至江心洲头为分流区，洲后至汇流点为也可以是多汊，各汊之间为江心洲。自分流点至江心洲头为分流区，洲后至汇流点为汇流区，中间则为分汊段汇流区，中间则为分汊段n长江中下游按平面形态的不同，可分为顺长江中下游按平面形态的不同，可分为顺直直型分汊、微弯型分汊和型分汊、微弯型分汊和鹅头鹅头型分汊三类型分汊三类n 从较长的河段看其问常出现几个分汊段，呈单一段与分汊段相间的平面形态。因单从较长的河段看其问
45、常出现几个分汊段，呈单一段与分汊段相间的平面形态。因单一段较窄，分汊段较宽一段较窄，分汊段较宽。故常形象地称其具有藕节状外形故常形象地称其具有藕节状外形河流动力学n汊道类型汊道类型河流动力学n横断面特性横断面特性n分汊型河段的横断面分汊型河段的横断面，在分流区和汇流区均呈中间部位凸起的马鞍形，分汊段则为江心在分流区和汇流区均呈中间部位凸起的马鞍形，分汊段则为江心洲分隔的复式断面洲分隔的复式断面n纵剖面纵剖面特性特性n分汊型河段的纵剖面，从宏观看，呈两端低中间高的上凸形态，而几个连续相间的单一分汊型河段的纵剖面，从宏观看，呈两端低中间高的上凸形态，而几个连续相间的单一段和分汊段，则呈起伏相间的形
46、态，与蜿蜒型河段的过渡段和弯道段的纵剖面有相似之段和分汊段，则呈起伏相间的形态，与蜿蜒型河段的过渡段和弯道段的纵剖面有相似之处处河流动力学n从局部看，分流区至汊道入口，自分流点开始，两侧深泓线先为逆披而后转为顺坡，呈从局部看，分流区至汊道入口，自分流点开始，两侧深泓线先为逆披而后转为顺坡，呈马鞍状。二汊一高一低，高的为支汊，低的为主汊，支汊的逆被恒陡于主汊的，二者最马鞍状。二汊一高一低，高的为支汊，低的为主汊，支汊的逆被恒陡于主汊的，二者最高点的差值，在长江中下游有的可达二三十米高点的差值，在长江中下游有的可达二三十米n汊道出口至汇流区，两侧的深泓线呈顺披下降，支汊一侧的纵按常陡于主汊一侧的。
47、就汊道出口至汇流区，两侧的深泓线呈顺披下降，支汊一侧的纵按常陡于主汊一侧的。就支汊一例进、出口两个陡坡而言，出口的顺披更陡于进口的逆坡支汊一例进、出口两个陡坡而言，出口的顺披更陡于进口的逆坡河流动力学n各股汊道的总长与主汊长度之比，称为分汊系数各股汊道的总长与主汊长度之比，称为分汊系数n汊道段的最大宽度汊道段的最大宽度(包括江心洲包括江心洲)与汊道上游单一段宽度之比，称为汊道的放宽率与汊道上游单一段宽度之比，称为汊道的放宽率n汊道段的长度与汊道段最大宽度之比，称为分汊段长宽比汊道段的长度与汊道段最大宽度之比，称为分汊段长宽比n江心洲长度与其最大宽度之比，称为江心洲长宽比江心洲长度与其最大宽度之
48、比，称为江心洲长宽比河流动力学水流特性水流特性n分汊型河段水流运动最显著的特征是具有分流区和汇流区分汊型河段水流运动最显著的特征是具有分流区和汇流区n分流区分流区n分流区的分流点是变化的，一般是高水下分流区的分流点是变化的，一般是高水下移，移，低水上提，类似于弯道顶冲部位的变化，低水上提，类似于弯道顶冲部位的变化，这是由水流动量的大小所决定的这是由水流动量的大小所决定的n自分流点起水流分为左右两支，而流线的弯曲方向往往相反，且表层流线比较顺直，而自分流点起水流分为左右两支，而流线的弯曲方向往往相反，且表层流线比较顺直，而底层流线由于受地形的影响，则比较弯曲底层流线由于受地形的影响，则比较弯曲河
49、流动力学n分流区（续）分流区（续）n分流区的水位，支分流区的水位，支汊汊一侧总高于主一侧总高于主汊汊一侧一侧n水位沿横向的变化呈中部高两侧低的马鞍形，并与横断面相对应。水位沿纵向的变化，水位沿横向的变化呈中部高两侧低的马鞍形，并与横断面相对应。水位沿纵向的变化，由于水下沙脊的沿程升高和阻水作用，表现为沿程略有升高由于水下沙脊的沿程升高和阻水作用，表现为沿程略有升高n分流区的纵比降，支汊一侧小于主汊一侧。分流区因两侧存在水位差而形成横比降，其分流区的纵比降，支汊一侧小于主汊一侧。分流区因两侧存在水位差而形成横比降，其大小视流量而定，一般高水时小些，低水时则大些，均沿流程逐渐增大，至洲头附近达大小
50、视流量而定，一般高水时小些，低水时则大些，均沿流程逐渐增大，至洲头附近达最大值最大值河流动力学n分流区（续）分流区（续）n在分流区内，水流分汊，恒出现两股或多股水流，其中居主导地位的则进入主汊在分流区内，水流分汊，恒出现两股或多股水流，其中居主导地位的则进入主汊n分流区的断面平均流速沿流程呈减小趋势，流向主汊一侧和支汊一侧的水流垂线平均分流区的断面平均流速沿流程呈减小趋势，流向主汊一侧和支汊一侧的水流垂线平均流速也是沿程逐渐减小的，且流向支汊一例的要减小得多一些流速也是沿程逐渐减小的，且流向支汊一例的要减小得多一些n分流区内断面上的等速线有两个高速区，靠主分流区内断面上的等速线有两个高速区，靠
