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河道整治基本知识(一)——河流种类、河床演变

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一、 河流种类 (一) 山区河流、平原河流 (1)山区河流 河流流经地势陡峻、地形复杂的山区,具有以下特点: ①平面形态复杂,急弯、卡口、巨石突出、岸边不规则; ②河道横断面形态常

一、河流种类
(一) 山区河流、平原河流
(1)山区河流
河流流经地势陡峻、地形复杂的山区,具有以下特点:
①平面形态复杂,急弯、卡口、巨石突出、岸边不规则;
②河道横断面形态常呈“V”或“U”字形,比较窄深;
③河道纵剖面比降较陡,河底不规则,伴有浅滩、深潭、跌水瀑布现象;
④河道比较稳定,演变缓慢;
⑤洪水暴涨陡落。
(2)平原河流
流经地势平坦广阔、地质松散的平原地区的河流。具有以下特点:
①平面形态多变;
②河道横断面较为宽阔,比较宽浅,大多伴有河漫滩而呈复式断面;
③河道纵坡面比降较平缓,河床底没有台阶状变化,但沿程有深槽与浅滩相间,从而呈现起伏状态;
④河床上有深厚的冲积层,河道冲淤变化大,如果不受约束则演变比较剧烈;
⑤洪水涨落过程平缓,持续时间较长。
(二) 游荡型河流、弯曲型河流、分汊型河流、顺直型河流
按河道的平面形态的不同分为游荡型河流、弯曲型河流、分汊型河流、顺直型河流
(1)游荡型河流
游荡型河流(段),多布在河流的中下游(如黄河的孟津白鹤至高村),具有以下特点:
①河道平面形态主要为:河身宽浅,在较长河段内往往宽浅相间、如藕节状;
②在窄段水流较为集中,在宽段水流散乱、沙滩密布、汊道交织、主流摆不定;
③河床冲淤变化迅速,同流量下的含沙量变化大;
④洪水暴涨暴落,水位变化大。
(2)弯曲型河流
弯曲型河流(段)是冲积平原河流中最常见的一种河型,它是由正反相间的弯道(弯道段)、和介于两弯道之间的起伏连接而成的,具有以下特点:
①河道平面形态:具有弯曲外形,深槽紧靠凹岸,边滩依附凸岸。河道较窄深,宽度小,宽度的变化范围小;
②水流形态:主河槽较稳定,河势变化相对较小,有弯道横向环流现象;
③冲淤变化:冲淤位置变化不大;
④洪水:洪水位表现比较稳定。
(3)分汊型河流
河流横断面分为若干股,即河流分汊。按平面形态的不同,分汊型河段又分为顺直分汊型河段、弯曲分汊型河段、弓形分汊型河段。
(4)顺直型河流
顺直型河流的外形顺直,但纯粹的顺直河流在自然界是难以出现的。顺直河流是冲积河流在一定条件下或一定发展过程中暂时存在的形态,是冲积过程中形成的强制性河岸所限制的河道形态,是一种难以长期稳定存在的形态。
顺直河流的形态特征主要表现在两个方面,深浅相间的流水纵剖面和两岸交错分布的边滩沉积物。顺直河流尽管在外形上河身保持顺直,但沿流向两岸有规律地出现交错分布的边滩,这些边滩使得主流流路在平水期以及枯水期依然是弯曲的。在纵剖面上,主流的弯顶出现深槽,两个深槽之间的过渡段则出现浅滩。
(三)  雨水补给型、高山冰雪补给型和地下水补给型河流
按河流的水源补给条件(水的补给类型)分为雨水补给型、高山冰雪补给型和地下水补给型三类。比较大的河流一般是两种或三种补给方式并存,如长江、黄河等。
(四)  外流河和内流河
河流按流域类型为分为外流河和内流河。
通常把流入海洋的河流称为外流河。外流河的流域面积约占全国陆地总面积的64%。长江、黄河、黑龙江、珠江、辽河、海河、淮河等向东注入太平洋;西藏的雅鲁藏布江向东流出国境再向南注入印度洋,这条河流上有长504.6km、深6009m的世界第一大峡谷——雅鲁藏布大峡谷;新疆的额尔齐斯河则向西流出国境注入北冰洋;大江大河在入海处会分多条入海,形成河口三角洲。
把流入内陆湖泊及消失于沙漠之中的瞎尾河,统称为内流河;内流河的流域面积约占全国陆地总面积的36%。
(五)  其他分类方法
为沟通不同河流、水系与海洋,发展水上交通运输而开挖的人工河道称为运河,也称为渠;为分泄河流洪水,人工开挖的河道称为减河。
二、 河床演变
 泥沙运动
(一)泥沙的特性
①泥沙的几何特性
泥沙的几何特性是指泥沙颗粒的开头和大小。
泥沙颗粒的开头是复杂多样的,大颗粒泥沙的外形比较圆滑,有圆球状、椭球状,也有片状、分解状。
泥沙颗粒的大小,一般是用颗粒的直径(习惯称为粒径)来表示,泥沙的粒径有等容粒径(用与泥沙颗粒体积相等的球体直径表示)、筛孔粒径(过筛划分粗细,用所通过的筛孔直径表示泥沙颗粒的直径)、沉降粒径(根据不同粒径的泥沙在静止清水中有不同的沉降速度而推求的粒径,称为沉降粒径),常用的是筛孔粒径。
工程实践中,多为由大小不同的泥沙颗粒所组成的群体泥沙,群体泥沙的颗粒分析(粒组划分、级配曲线等)与土力学中的颗粒分析方法相同。
②泥沙的重力特性
泥沙的重力特性,主要指泥沙的比重、容重、干容重。其概念已在土力学中讲述,不再重复。
③泥沙的水力特性
泥沙的水力特性,是指泥沙由于其容重大于水的容重、所以在静止的水中有下沉的特性。
泥沙在静止的水中刚开始正常时,初速度为零,泥沙颗粒受到的抗拒下沉的阻力也为零;开始下沉后,在重力作用下泥沙颗粒将加速下沉,而随着速度的加快,泥沙颗粒受到的抗拒下沉的阻力也将加大,这将使加速的趋势减缓(加速度越来越小)、直至不再加速,而成为保持某值的匀速(等速)运动。
我们把泥沙在静止的清水中以等速正常时的速度,称为泥沙的沉速。泥沙的沉速与颗粒大小有关,粒径大、沉降速度大,粒径小、沉降速度小。
(二)河流泥沙
①河流泥沙的来源
河流泥沙的直接来源是流域水土流失(或称土壤侵蚀)。每年每平方公里地面被冲蚀所产生泥沙的数量称为侵蚀模数。土壤结构疏松,抗冲蚀能力差,气候干燥,植被稀少,坡陡沟深,暴雨集中,加上人类不合理的开发利用,是导致水土流失的主要原因。
河道泥沙多来自于洪水期间,如黄河汛期7—10月沙量占全年的90%,其中7、8两月来沙占全年的71%。不仅洪水的输沙量大,而且洪水的含沙量也高。
某河段水流中的泥沙,除来自流域水土流失外,还可能来自于水流对河床的冲刷,当流域或上游河段来沙较少时,水流就会冲刷本段河床而挟带泥沙。
②泥沙在动水中的分布
处在动水中的泥沙,一方面受重力作用而有下沉的趋势,另一方面又受到水流的冲刷、紊动(混掺、上浮、扩散)作用而被长距离挟带。所以说,泥沙在动水中的运动过程是重力作用与紊动扩散作用的综合结果,当重力作用超过紊动扩散作用时,泥沙将下沉淤积,当紊动扩散作用超过重力作用时,泥沙将被上浮或河床可能(是否可冲)被冲刷。
正是由于重力作用与紊动扩散作用的共同作用,才可实现泥沙的长距离运动,但泥沙在动水中的分布是不均匀的,泥沙沿垂线(水深)上的分布规律为:浓度是上稀下浓,颗粒大小是上小下大。
③含沙量、输沙率
泥沙在水中的浓度用含沙量表示,含沙量是指单位体积浑水(含有泥沙的水称为浑水)内所含泥沙的数量。含沙量的常用表示方法是每立方米浑水内的干沙重量即kg/m³,也可用每立方米浑水内的泥沙体积表示,如m³/m³,或换算成体积比,还可用泥沙的干沙重量与浑水重量之比来表示。
输沙率是指单位时间通过河流断面的泥沙总量。如果已知河流断面的流量Q、河流断面上的平均含沙量S(实际上,因泥沙在水中的分布是不均匀的,所以河流断面上不同位置的含沙量是不同的,计算时用断面上的平均含沙量代替),则输沙率QS=Q·S,输沙率的常用单位是kg/s。
④泥沙的运动形式
泥沙在河流中运动时,主要分为两种运动形式—推移和悬移。
(1)推移、推移质
河流中较粗的泥沙在河床面附近所做的滑动、滚动、跳跃等形式的运动,称为推移。泥沙的推移运动具有间歇性(运动一会、停止一会,运动的泥沙也可能与静止的泥沙置换),泥沙前进的速度远小于水流速度。
做推移运动的泥沙称为推移质。
(2)悬移、悬移质
泥沙在水中(自水面至床面之间)浮游前进、运动速度与水流速度基本相同,泥沙的这种运动形式称为悬移。
悬移质在水中的位置是时上时下,其中细颗粒泥沙往往能上升到水面附近,这部分细颗粒泥沙是组成河床的泥沙(或称床面泥沙,简称床沙)中少有或几乎没有的、不参与与床沙的置换、基本保持在水的上部浮游前进,被称为悬移质中的冲泻质;悬移质中的较粗泥沙,在运动时不仅时上时下,有时甚至回到河床上静止下来(“休息”)或与床沙置换,这种较粗的泥沙被称为床沙质。
值得注意床沙、推移质、悬移质三者之间并没有固定的分界线,既可以互相交换、又可能发生转换。在相同水流条件下,部分运动着的悬移质或推移质可以静止下来变成床沙,部分床沙可以变成悬移质或推移质,这可视为互相交换。当水流条件变强时,部分床沙将变成运动泥沙,补充到推移质或悬移质中,这表现为冲刷。当水流条件变弱时,部分推移质或悬移质回落到床面变成床沙,这表现为淤积。
  河床演变
河床演变是指河道在自然条件下,或者受到人为干扰时所发生的变化。河道的这种变化包括在垂直(水深)和水平方向(横向)上的位移,河道形态和尺寸的改变,以及河底沿流程方向(纵向)的变化。
河道是水流与河床长期相互作用的产物:河床约束着水流,水流作用于河床,水流使河床发生变形。河床的变形反过来又作用于水流,影响水流的结构和形态,两者构成一对矛盾的统一体,即相互制约、又相互依存、相互影响,使河流处于不断变化和发展的过程中。
(一)河床演变的基本原理
我们知道:在一定的水流条件下,水流具有与之相对应的挟沙能力(一定水沙条件下,单位水体所能挟带悬移质或悬移质中床沙质的数量,称为该水流的挟沙能力,简称挟沙力),当上游来沙量与水流挟沙能力相适应时,水流处于输沙平衡状态,河床不冲不淤;当上游来沙量与水流挟沙能力不相适应时,水流处于输沙不平衡状态,河床将发生淤积或冲刷,造成河床变形,即河床演变。
由此可见,河床的演变是以泥沙为组带的,来沙与输沙不平衡引起冲刷或淤积造成河床变形,是河道演变的基本原理。河床的纵向变形是由于纵向输沙不平衡引起的,河床的横向变形是由于横向输沙不平衡引起的。
(二)河床演变的形式
河床演变的形式,随观察分析的角度不同而有不同的分类,一般可从断面形态和位置的变化、或从河床演变发展的过程进行分析。
①断面形态和位置的变化
从断面形态和位置的变化进行分析,河床演变可分为纵向变形和横向变形。
在河道横断面的水深方向(垂直方向),河床的演变表现为冲刷下切或淤积抬高;在沿流程的纵向,河床的演变表现为纵剖面的冲淤变化,通常表现为上游河段的不断下切、下游河段河床的淤积抬高(总趋势);这种纵方向的演变,使得河床的纵比降变的平缓。
河床沿着与水流垂直方向的演变(横向变形),表现为河床平面位置的摆动,这主要是由于两岸冲刷或淤积的不一致、河弯的发展等造成的。
②河床演变发展过程(总趋势)
从河床演变的长期发展过程(总趋势),分为单向变形和循环往复变形两大类。如果河床在相当长的时间内逐渐(总趋势)向一个方向变化(如冲刷或淤积),则称为单向变形,如趋势是上游河床不断冲刷下切、下游河床不断淤积抬高而成为“悬河”,河口三角洲不断向外海延伸。如果在较短的时间内河床处于冲刷与淤积的交替变化,则称为循环往复变形。
长时间观察分析,河床的单向变形是比较缓慢的,相比而言,黄河的单向变形较为明显,黄河下游河床平均每年淤积抬高5~10cm,在规划设计防洪及跨河等工程时必须予以考虑。
(三)影响河床演变的主要因素
影响河床演变的主要因素有:
①来水量及来水过程;
②来沙量、来沙组成、以及来沙过程;
③河道比降及其沿程变化;
④河床形态、地质地形及其它边界条件等。
以上因素中,来水量及来水过程、河道比降及其沿程变化这两个因素决定或影响着水流的挟沙能力大小、水流对河床的作用时间长短、水流对河床的作用大小、以及河段之间的变化,如果比降陡,来水量大,且来水历时长,则水流的挟沙能力大,输沙量大,水流对河床的作用时间长,河床演变可能明显。来沙量、来沙组成、以及来沙过程这个因素,影响着输沙是否平衡或不平衡的程度、决定着本河段是否发生冲或淤、以及冲或淤的程度;前三个因素决定了输沙是否平衡,是河床演变的基本因素;第四个因素是河床的边界条件,决定了能否被冲刷、如何冲刷、如何淤积,从而影响着河床演变的发展。
(四)弯曲型河段的河床演变
①弯曲型河段的水沙特性
(1)横向弯道环流
受离心力(离心力的大小与速度成正比,表层水流速度大、受到的离心力大)的作用,水流在弯道处流向凹岸,使凹岸水位壅高,从而产生压力差,在压力差的作用下使底层水流流向凸岸,这就在弯道处的横断面上形成了表层流向凹岸、底层流向凸岸的封闭水流,称为横向弯道环流。
横向弯道环流与水流的纵向流动组合成螺旋流。
(2)水流的主流线
沿流程各断面最大垂线平均流速所在位置的连线,称为水流的动力轴线,也称为主流线。
一般情况,水流入湾后,在弯道顶点上部靠近凹岸(主流贴近凹岸的位置称为顶冲点),主流贴近凹岸流动一定距离后再渐渐离开;枯水时,主流线更靠近凹岸,洪水时,主流线相对离开凹岸,即有“小水坐弯、大水趋中”的溜势;对顶冲点来说,具有“小水上提、大水下挫”的特点。
(3)弯道水流的输沙特点
由于在弯道处存在含沙量小的表层水流流向凹岸、含沙量大的底层水流流向凸岸的横向环流,这就因横向输沙不平衡而需要从凹岸获得泥沙补充,从而产生凹岸冲刷、凸岸淤积的输沙特点。大溜顶冲时,环流作用更加显著,易造成凹岸冲刷坍塌的险象。
②弯曲型河段的演变规律
(1)平面上(横向变形)看:凹岸冲刷、坍塌、后退,凸岸淤积、滩地淤进;弯道越来越弯曲(弯曲半径变小、曲率增大),进而形成S形河弯,且弯道的顶点在向下游移动,这种复合变化称为蠕动;S形河弯进一步加剧,将形成河环、甚至成Ω形河环,当洪水漫滩或比降增加时,有可能将狭颈处(两最近近点之间)冲开面形成新河,称为自然裁弯;裁弯后的新河,又会逐渐向弯曲发展,如此周而复始。
(2)沿流程(纵深方向变形)看:呈现凹岸深槽与凸岸或过渡段浅滩的交替变化,且随着洪水期和枯水期的变化、深槽和浅滩也各自产生冲淤交替变化(洪水期间,深槽冲刷、浅滩淤积;枯水期间,深槽淤积、浅滩冲刷)。
(五)游荡型河段的河床演变
①游荡型河道的一般特性
游荡型河道的特性主要为:河身宽浅顺直,在段内往往宽窄相间、如藕节状;窄河段水流集中,宽河段水流散乱、沙滩密布、汊道交织、主流摆动不定(这也是演变特征);河床冲淤变化迅速,含沙量变化大;洪水暴涨暴落,水位变化大。
②游荡型河段的演变规律
(1)演变特征是:主流摆动不定、且变幅较大,河势变化剧烈。
(2)演变规律为:河床不断淤积抬高;涨水冲刷,落水淤积;涨水冲槽淤滩,落水塌滩淤槽;漫滩走溜时易造成主流改道;河床淤积抬高可能导致串沟(汊道)夺流。

(编辑:HenryInn)