淺析河床演變與河道運動

陳迪輝 唐 杰 劉炳銳（河海大學(xué)，江蘇 南京 210000)

河床在自然條件或人為因素作用下發(fā)生的變化稱為河床演變。河床本身是有自我調(diào)節(jié)作用的，水流的變化與河床的變化會相互影響，并逐漸趨于平衡。河床形態(tài)與水流和輸沙率有關(guān)，一定的河床形態(tài)有與其相適應(yīng)的水流和輸沙率。

造成河床演變的主要原因是輸沙不平衡。若上游來沙量大于本河段的輸沙能力，即攜沙量過大，則多余的沙會下沉，導(dǎo)致河段淤積，同時，由于河段淤積，過水?dāng)嗝鏈p小，使得河流的流速增大，同時糙率減小，河段輸沙能力提高，最終等于上游來沙量，輸沙平衡，淤積停止。反之，若上游來沙量小于本河段的輸沙能力，即攜沙量過小，則水流會從本河段的河床部分?jǐn)y走一部分泥沙，導(dǎo)致河段沖刷，同時，由于河段沖刷，過水?dāng)嗝嬖龃螅沟煤恿鞯牧魉贉p小，同時床沙變粗，糙率增加，河段輸沙能力降低，最終等于上游來沙量，輸沙平衡，沖刷停止。

然而，對于河道而言，來沙量等于河段輸沙能力的平衡狀態(tài)時的，這主要是由于上游來沙量的不斷變化和本河段沙波運動的存在。所謂沙波運動是一種推移質(zhì)集體輸移的表現(xiàn)形式。沙波是在水流作用下形成，與水流強度有關(guān)。室內(nèi)試驗表明：隨著水流強度的不斷增大，沙波尺度的變化過程大體是由靜平床床面沙粒聚集所形成的波高較小的沙紋，到波長、波高逐步增大的沙壟，在沙壟達到最大最高后，隨著水流強度的進一步增大，沙壟逐漸趨于衰亡，并形成所謂的動平床。在這一過程中，波高隨水流強度的變化呈先增后減的基本規(guī)律，但是推移質(zhì)輸沙率與水流強度卻并不是線性相關(guān)的變化規(guī)律。沙波運動又是推移質(zhì)運動的外在表現(xiàn)形式，因此沙波運動的發(fā)生、發(fā)展、消亡的過程是一個能反映推移質(zhì)輸沙率變化的過程。沙波運動是床沙互相交換的最基本最主要的原因。床沙活動交換層厚度隨沙波高度、沙波運動周期及計算時段而變化。來沙量的變化和沙波運動的存在使得河段始終處于不平衡的狀態(tài)，即河床演變是永恒的。

影響河床演變的主要因素有來水情況、來沙情況、河谷比降及河床形態(tài)。其中，來水情況、來沙情況和比降決定水流泥沙條件，反映了輸沙的不平衡，難以人為控制。河床形態(tài)決定了河床條件，可以人為改變。因此，我們在進行航道整治時，應(yīng)該從改變河床形態(tài)著手，達到對流速、水深等方面的要求。

河床改變的具體表現(xiàn)即為水深h、河寬B 和比降S 的變化。這些因素與來水來沙條件、河床地質(zhì)條件之間的函數(shù)關(guān)系稱為河相關(guān)系。河相關(guān)系描述了與來水來沙及河床地質(zhì)條件相適應(yīng)的均衡狀態(tài)，是沖積河流水力計算和河道整治的依據(jù)。

若河床和邊岸的物質(zhì)組成不改變或流域來水來沙沒有多大變化，在準(zhǔn)平衡時段內(nèi)，河道能夠在河道平面擺動和斷面有沖有淤的演變過程中達到一個穩(wěn)定、平衡的一般形態(tài)，河道的主要幾何尺寸基本不變，此時稱河流處于平衡狀態(tài)或河流為均衡河道，此狀態(tài)下河寬B、比降S、彎道形態(tài)維持一個穩(wěn)定的值。上述幾何形態(tài)圍繞一個平均值不斷波動，或水沙輸運過程達到均衡，在可能的范圍內(nèi)使輸運給定的沙量所消耗的水流機械能最小，此時可稱河道處于均衡狀態(tài)。而對于均衡河道的形態(tài)，對確定易蝕顆粒介質(zhì)M 和河流流量Q 的河段而言，河道演變?yōu)榫夂拥篮蟮暮訉払、水深h 及比降S 均可確定，且不隨時間變化，而且與河段初始的河寬B0，水深h0 和比降S0 無關(guān)。

目前均衡河道公式的的推導(dǎo)還尚未解決。對于一段經(jīng)過足夠時間演變的河道而言，均可認(rèn)為河道處于均衡狀態(tài)。若河段的流量Q 可改變，且有一定范圍，則河道的河寬B、水深h 和比降S 也可由以M、Q為參數(shù)的函數(shù)確定。現(xiàn)有的公式都是純經(jīng)驗得到的，而且理論上不夠嚴(yán)謹(jǐn)，適用范圍也有限，如T.Blench 公式和D.B.Simons and M.L.Albertson 公式。從兩方的公式大致可得到B 與Q 的1/2 成線性關(guān)系，h與Q 的1/3 成線性關(guān)系。

對于均衡河道的運動趨勢，考慮均衡河道的運輸能力，由于河床上的流動假定為二向流，則等速線可視作水平直線，并與河岸等速線相切，如此，總的流動就可以分為兩個部分，一部分在二向河道流動，寬度B0，另一個在以正弦曲線為邊界的河道流動。

假定初始彎曲河道的比降為S0，S0 可由公式確定。若一條順直均衡河道已經(jīng)形成且S＜S0，且其中的水流并不穩(wěn)定，極其微小的間斷會將水流形態(tài)從順直型逐漸改為正弦型，因此一側(cè)河道流速與剪應(yīng)力會大于臨界值，另一側(cè)會小于臨界值，因而導(dǎo)致沖刷與淤積，最終將河道改造為正弦形態(tài)，河道開始彎曲，彎曲的振幅增大，直到彎曲部分弧長達到一定值，S 減小到一定值，使得流速減小無法再繼續(xù)沖刷河岸。此時河道振幅達到最大值，彎曲河道完成最終形態(tài)。但是這并非意味著河道保持不動，實際上河道會沿著河流前進方向移動。

綜上，本文從河床演變的原理、影響因素以及均衡河道的運動情況進行了分析，簡單敘述了河流運動與演變的機理。

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