由于河床物质组成的不均匀性及其可动性,以及上游带来的粗颗粒与床沙中细颗粒的交换作用,细颗粒较粗颗粒在水流作用下易起动输移,发生河床粗化。
河床粗化过程中,若河床表层已聚集足够的不冲颗粒,床面泥沙无法起动输移,可形成床面粗化保护层,即抗冲保护层,河床冲刷基本停止。若某一水流条件满足粗化层颗粒起动,使抗冲保护层迅速破坏,而粗化层以下的床沙质组成较粗化颗粒,则引起河床的大幅度冲刷下切,进而进入新的河床粗化过程。随着河流水资源的开发利用,天然河流常修建水利工程,如闸坝水库等,造成下游清水冲刷,出现河床粗化。这将改变原有自然河道稳定的冲淤平衡状态,甚至诱发河流水沙灾害。
河床粗化过程与河床物质组成有关,一般分为3种类型:①河床质表层为细沙、下层为更粗的卵砾石颗粒。当表层细沙被水流冲刷外移,但水流无法搬运下层粗颗粒,因而发生河床粗化。②河床质为粗细相混的卵石夹沙,在水流冲刷过程中,河床中的较细颗粒被水流带走,而较粗颗粒逐渐集聚,形成一层该水流条件无法冲刷他移的床面保护层,从而阻止下层床沙的运动,河床粗化完成。③河床质为沙质河床时,受水流对泥沙颗粒输移的分选和床沙交换作用,河床一般通过增加床面颗粒阻力和沙波阻力,以形成抗冲稳定的河床粗化保护层。
河床粗化与水沙运动及河床变形密切相关,相关研究将有助于提高河床冲刷计算的可靠性,推动河流工程安全运行和生态环境保护的技术发展。