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第二三章河床演变的基本原理ppt

归档日期:06-29       文本归类:基本河床      文章编辑:爱尚语录

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  第一节 河床的稳定性 谢鉴衡提出另一种表达方式 第二节 造床流量(Dominant discharge) 第三节 河相关系 第四节 河流纵剖面 * * 主讲人:张晓雷 港口航道与海岸工程专业(本科) 河床演变及整治 RIVER BED DEFORMATION AND REGULATION 第三章 河流的水力几何形态 水力几何形态:能够自由发展的冲积平原河流的河床,在挟沙水流长期作用下,有可能形成与所在河段具体条件相适应的某种均衡形态。 水力几何形态的主要影响因素: (1)河床的稳定性 (2)特征流量的大小 假如河段在一个长时期内输沙平衡, 并且河床变形不大, 河床可以认为是稳定的 (1)定义 不平衡=不稳定 平衡≠ 稳定 平衡但是不稳定 假如河段在一个长时期内输沙平衡,但是成型的泥沙淤积以及泥沙输移会逐渐削弱河道的相对变化,此时,河道却是不稳定的。 (2)河床稳定性与泥沙输移平衡 拖曳力:水流作用于泥沙颗粒 泥沙抵抗运动的摩阻力 针对冲积河流,河床稳定性需要引进特征参数。 1、纵向稳定系数 希尔兹数的倒数 对于天然泥沙, 是常数,因此: d --- 床沙粒径 h ---相对于造床流量的水深 j ---相对于造床流量的比降 结论: 纵向稳定系数愈大,泥沙运动强度愈弱,河床变形的可能性愈小。 纵向稳定系数被洛赫庆进一步延伸 : 讨论 : 1.床沙组成0.25mm,水深15m,比降1.0/10000 ,纵向稳定系数? 2. d 、j 在洛赫庆系数中的关系 很难以找出一个代表性系数描述这种关系 2、横向稳定系数 水流强度与方向 河岸抗侵蚀能力 岸坡坡度 (1)决定河岸稳定的主要因素: (2)表示方法 谢鉴衡: 间接用河岸变化的结果描述河岸的稳定性。 借用阿尔图宁计算稳定河宽的经验公式计算河宽Bs,并与实际河宽B作比较 B and Bs are the actual and characteristic width respectively ξis the coefficient of stable width: 稳定的中游河段, ξ=1.0-1.1 较稳定的下游河段, ξ=1.1-1.3 较不稳定的下游河段, ξ=1.3-1.7 Φb越大, 河岸越稳定 φb越小, 河岸越不稳定 Φb 消除ξ影响得到Φb1 Φb2 采用枯水河宽b与中水河槽平滩河宽B的比值 Φb2 越大,枯水期处露河滩越小,河槽越窄,河床越稳定。 3、综合稳定系数 钱宁提出的游荡指标: 河床稳定和河岸稳定同样重要; 综合考虑构成综合稳定系数; 表征河床的可动性 表征河岸的控制程度 表征滩槽高差 表征流量变幅 表征洪峰陡度 Bmax为历年最高水位下的水面宽度 Qmax, Qmin为汛期最大及最小日平均流量 ΔQ为一次洪峰中流量涨幅 Q、B、h为平滩流量及与之相应的河宽和水深(channel-forming discharge) T为洪峰历时 当Θ5时属于游荡性河流 当Θ2时,属于非游荡性河流 当2Θ5时,属于过渡性河流 为一次洪峰过程中深泓线摆动的累积距离,以m计; 表示相对游荡强度 造床流量是其造床作用与多年流量过程的综合造床作用相当的某一种流量。 (1)定义 造床流量 ≠ 洪峰流量 洪峰流量具有很强的造床作用 洪峰流量持续的时间很短 造床流量 > 枯期流量 枯期流量造床作用不强 枯期流量持续的时间比较强 注意: (2)造床流量的计算方法---马卡维也夫法 断面流量过程分成不同流量级; 确定各级流量出现的频率P; 绘制流量~比降关系曲线,以确定各量级比降; 计算QmJP (m=2.0) 绘制QmJP~Q关系曲线 查出QmJP最大值,相应的流量Q即为造床流量 第一造床流量 第二造床流量 结论: 平原河流的QmJP通常有两个峰值 较大的为第一造床流量 相对小一点的称谓第二造床流量 讨论---第一造床流量 第一造床流量 ---漫滩流量,约相当于多年平均最大洪水流量。 不同河流和不同河段, 第一造床流量或者漫滩流量的发生频率是不同的。 对俄罗斯的平原河流, 第一造床流的保证率在 1%~6%,每年漫滩天数3.65 ~21.9d,重现期100~16.7 days 对英格兰的河流,第一造床流的发生频率是0.6% 上荆江的漫滩流量为 36400~39500m3/s, 发生的时间间隔 1.02~1.50years. 下荆江的漫滩流量26000m3/s (1955) 高村上游的游荡型河流,漫滩流量9000~10770m3/s, frequency: 0.3~0.4% 高村下游河段,漫滩流量5100~6950m3/s, frequency: 1.7~3.5% 讨论---第二造床流量 第二造床流量稍大于多年平均流量 第二造床流量水位近似等于边滩高程 第二造床流量一般用于航道整治工程 (3)造床流量的计算方法---平滩水位法 造床流量水位与河漫滩齐平,水位平滩时,造床流量才最大; 水位升高漫滩,水流分散,造床作用降低;水位低于河漫滩时,流速较小,造床流量也不强; 选取若干代表性断面 ,取其平均。 注意: 此法概念清楚,简便易行,实际工作中应用较广泛。 (4)造床流量的保证率 造床流量(平滩流量)的保证率或累计率是一个令人关注的问题。 钱宁根据美国河流的资料建议,作为粗略的近似,暂时可取重现期为1.5年的洪水流量作为平滩流量。 目前,要用某种特定保证率或重现期确定平滩流量是困难的。 注意:根据整个流量过程或历年最大洪峰流量绘制累计频率曲线,其保证率和重现期的涵义是很不相同的,数值上的差异很大,必须经过换算,才能相互比较。 (1)基本概念: 水沙条件随时空变化,不同河段边界条件变化万千 河道输沙是不平衡的,不平衡是绝对的 相对平衡与稳定是存在的 特定河段造床流量下河道形态变化很小 不同河段由于边界条件变化,造床流量下河道形态变化很大 对一个河流来说,在水力几何形态与水沙、地质等条件之间应该存在某种关系——河相关系 B = f1(Q,S,d) H = f2(Q,S,d) J = f3(Q,S,d) U = f4 (Q,S,d) 两种水动力几何关系 相应于某一特征流量的沿程个断面的河相关系——沿程河相关系 同一断面相应于不同流量的河相关系——断面河相关系 一般情况下是指沿程河相关系,利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变化细节。 早期的河相关系基本都是经验性质的 肯尼迪(R.G.Kennedy)经验性河相关系(1895): (2)早期的河相关系 单位英尺(ft), s。 实际上表达平均水深h与平均单宽流量q: 以印度冲淤平衡河流实测资料为基础 缺乏含沙量及粒径级配 不能广泛应用 早期的经验性河相关系 拉塞(G.Lacey)经验性河相关系(1929): 给出 R, χ和 J的表达式 泥沙粒径 d50 ,流量Q d50 单位mm,其他采用英尺, s. 早期的经验性河相关系 格鲁什科夫经验性河相关系(1924): 河宽B及平均水深h是相应于平滩流量而言 ζ通称河相系数,山区河段为1.4, 细沙河段为 5.5 阿尔图宁 早期的经验性河相关系 不同河型ζ值变化表 ①量纲分析 法(Velikanov) (3)近代的河相关系 ②联解公式法 取代约束方程中的变量 河相关系与流量之间的关系 4 个未知变量 3 个方程 需要添加一个公式 Eq.4? 取代约束方程中的变量 河相关系与流量之间的关系 谢鉴衡方法 采用格鲁什科夫提出的宽深经验关系式作为第四个方程 整理得到 寻求基本河相关系 窦国仁方法:认为在给定来水来沙条件及河床边界条件下,河床在冲淤变化过程中力求建立活动性最小的断面形态,引入河床活动性指标: 最小活动假说 最小能耗假说 最早由赫姆霍尔茨提出,代表人物:维利坎诺夫、杨志达、张海燕等 ③断面河相关系法 注意: 对河相系数ζ随流量变化的分析表明,对于游荡性河流,关系十分散乱,ζ具有随流量增大而增大的趋势。对于顺直、弯曲及分汊(限于一汊)河流, ζ具有随流量增大而减小的趋势。 (1)基本概念及分类 河流纵剖面是断面水力几何形态,也属于河相因素。 河流纵剖面 河床纵剖面 水流纵剖面 在冲积河流上呈起伏不平的正弦曲线 在冲积河流上起伏不明显 研究河流纵剖面规律,具有重要的实际意义: eg.泥沙淤积造成洪水水流纵剖面抬高对平原河流防洪的影响; 水库淤积造成的回水末端洪水位太高。

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