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河床演变的基本原理详解

时间:2023-06-20 理论教育 版权反馈
【摘要】:影响河床演变的主要因素可以概括为进口条件、出口条件及河床周界条件。

河床演变的基本原理详解

6.2.2.1 河床演变的分类

天然河流总是处于不停地发展变化之中,而且其变化错综复杂。河流的变形可以按某种特征进行分类。

1.按河床演变的时间特征

河床演变可以分为长期变形和短期变形两类。有的变形可以数天完成,有的变形可能历时数十年、上百年。“长”和“短”的时间尺度是相对的,可以根据分析的需要加以界定。有些短期变形,在长时间尺度下,可以认为是均衡的。

2.从河床演变的空间范围而言

河床演变可以分为大范围变形和局部变形两类。大范围变形有时称长河段变形,指在较长距离内河床的普遍冲刷和淤积。如黄河下游长逾800km河床的抬升。局部变形有时称为短河段变形,是指在较短距离内局部河床的冲淤变化,范围在数十米至数百米的丁坝坝头的冲刷;个别河湾的演变、汊道的兴衰等。空间尺度大的河床变形往往对应较长时间尺度,空间尺度小的河床变形通常对应较小时间尺度。

3.按河道断面的演变形式特征

河床演变可以分为纵向变形和横向变形。河道沿流程在纵深方向上的冲刷和淤积,称为纵向变形,如坝上游的沿程淤积和坝下游的沿程冲刷。河道在横向上发生的冲刷和淤积变化,称为横向变形,如弯道的凹岸冲刷与凸岸淤积。

4.以河床演变的方向性为特征

河床演变可以分为单方向变形和复归性变形两种形式。单向冲刷或淤积称为单向变形,如黄河在天然情况下,从长时段来看,以单向淤积为主,逐年抬高;而在三门峡水库建成初期,下泄清水,又以单向冲刷下切为主。河床有规律地冲淤交替现象则称为复归性变形,如过渡段浅滩的汛期淤积,汛后冲刷;三门峡水库采用蓄清排浑运用方式后,汛期泄水排沙,非汛期蓄水拦沙,下泄清水,下游河道汛期可能淤积抬高,非汛期则冲刷下切。在一般情况下,单方向变形的过程非常缓慢,而复归性变形则往往进行得异常迅速。在大多数状况下,河道纵向变形与横向变形、单方向变形与复归性变形往往交织在一起,使演变十分复杂。

5.按河床演变的干扰源

河床演变可以分为自然变形和人为变形。人类修建的堤防、护岸、大坝、水闸等各类水工建筑物甚至桥梁等跨河建筑物,都会引起河床演变。完全不受人类活动干扰的河床自然变形很少。自然变形和人为变形往往相互交织。在城市河段,人为变形十分强烈,往往主导变形的方向。

6.2.2.2 河床演变的原因(www.xing528.com)

河床演变的根本原因是输沙平衡的破坏。河床的纵向变形源于纵向输沙不平衡,河床的横向变形则源于横向输沙不平衡。一条河流包括水流与河床这两个矛盾的方面,它们相互依存,相互作用,相互制约。当上游来沙与河段的水流挟沙能力不相适应时,河床发生变形。上游的来沙量小于河段的水流挟沙力时,河段内进入的沙少,流出的沙多,产生河床冲刷;相反则会引起河床淤积。

影响河床演变的主要因素可以概括为进口条件、出口条件及河床周界条件。

(1)进口条件主要包括河段上游的来水量及其变化过程;河段上游的来沙量、来沙组成及其变化过程。进口条件相当于河段的输入条件,是一个输入的过程变量

(2)出口条件可以是水面和河床条件;水面包括河面、湖面、海面等能控制出口水面高程的水面;河床条件是能限制河流向纵深方向发展的抗冲岩层基面。河床侵蚀基点影响是河床演变的重要因素,它会影响此点之上的水面线和床面线;来水来沙条件一定时,侵蚀基点的情况不同,河流纵剖面的形态和变化过程会出现明显的差异。

(3)河床周界条件泛指河流所在地区的地理地质条件,包括河谷比降、河谷宽度,组成河底、河岸的土层系较难冲刷的岩层、卵石层、黏土层,抑或较易冲刷的沙层等。即使进、出口具有完全相同的来水来沙条件及侵蚀基点条件,不同的河床周界条件仍会带来不同的河床演变特点。

三类主要因素中,来水来沙条件是最主要的条件,对冲积平原河流,往往起主导作用。对于山区河流,河床周界条件往往起主导作用。人为因素会影响不同河段的河床周界条件和进口、出口条件,从而影响河床演变。

6.2.2.3 河流的自动调整

基本上处于输沙平衡状态的河流,当外部条件变化引起输沙不平衡时,河流会自动调整,朝向削弱输沙不平衡的方向发展。河流通过调整河床组成、水深、比降、河宽,使本河段的水流挟沙力与上游的来沙条件趋于适应,从而使冲刷或淤积向其停止的方向发展。即河床淤积时,其淤积速度将逐渐减小,直至淤积停止;河床发生冲刷时,其冲刷速度也将逐渐减少,直至冲刷停止。即河流具有趋向输沙平衡的“自动调整”作用。

由于上游来水来沙是不断变化的过程,河床和水流的适应性也在随时改变。来水来沙条件的改变,必然引起输沙的不平衡,因而平衡状态是暂时的、相对的,不平衡性是绝对的,河床演变不会停止,河流的自动调整也不会停止。

由于河流是一个整体,一个河段改变时,会引起上下游的调整。因此在看待河流演变,不但着眼于输沙不平衡的局部河段,还要从整体的观点分析上下游河段的变化。

影响河床演变的三个主要因素中,水沙条件最容易变化,而河床边界的调整变化往往较慢,需要一定时间。因此河床变形会滞后于水流变化。

认识河流的自动调整作用和调整规律,就可以通过少量的人工干预措施,使河势向人们希望的方向发展。

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