水利工程論文-黃河小北干流“揭河底”沖刷機理及對策探討摘要：“揭河底”沖刷是高含沙洪水與河床邊界矛盾對立急劇轉化的必然結果。發生“揭河底”沖刷應具備二個條件:一是邊界條件，即河床調整達到臨界狀態。二是水沙條件，即高含沙洪水持續時間長,且洪峰與沙峰過程基本相應。初步認為：在高含沙水流中，低頻大中尺度紊動能量增加，由湍流猝發現象而引起的掃蕩沖蝕、切削破壞作用都不斷增強，同時伴隨著空化空蝕現象，從而引發“揭河底”沖刷。“揭河底”時的泥沙群體組合（片體、塊體）起動方式為脈動壓力起動。防治“揭河底”沖刷關鍵在于改善河床邊界條件和水沙條件。據此提出了加強水土保持和工程維修加固，加大河道治理力度，適時調水調沙，開展引洪放淤，完善落實防汛責任體系，建立完善預警報警系統，切實做好監測預報和搶險救護工作等治理對策。關鍵詞：黃河小北干流揭河底沖刷機理對策探討黃河小北干流（禹門口至潼關）河段全長132.5km,河寬為318公里,平面形態呈啞鈴狀，河床縱比降上陡下緩,為36%00,彎曲系數為1.12，灘槽高差1.251.85m，寬深比達40以上，穩定系數0.380.78。河道總面積為1107.67km2,河床寬淺，水流散亂，沙洲密布，叉流叢生，沖淤變化劇烈，主槽擺動不定，為典型的堆積游蕩型河道。1、“揭河底”沖刷情況“揭河底”沖刷是黃河小北干流河段獨特之奇觀，它是在一定的河床邊界條件下，遇到高含沙量的大洪水時，對河床產生劇烈的集中沖刷，一般發生在洪峰之后的落水期?！敖液拥住卑l生前數小時，龍門河段洪水中一般會漂浮大量的樹枝、雜草等物，并發出很濃的臭泥腥味，水流渾濁，水面平靜，很快就出現滾滾惡浪，河床大泥塊被水流掀起露出水面，面積幾平方米甚至十幾平方米，有的泥塊像墻一樣直立起來與水流方向垂直，而后“撲通”一下倒進水中，很快被洪水吞沒。河面上大量泥塊此起彼伏，順水流翻騰而下，滿河開花，洶涌澎湃，水聲震耳欲聾?！敖液拥住睕_刷持續一段時間，會沖出一條數米深數百米寬的河槽，一般沿水流方向成帶狀分布。據統計，1950年以來，黃河小北干流河段共發生了9次“揭河底”沖刷(見下表)，黃河龍門站的沖刷時間一般為1722h，最短僅6h，最長達68h。沖刷深度沿程遞減，一般為24m，最深達9m（1970年8月）。沖刷距離最近至安昌（黃淤59斷面）,距龍門49.4km，最遠達潼關（黃淤41斷面）,距龍門132km。發生“揭河底”沖刷時，河道在平面上大幅度擺動，主槽強烈沖刷，灘地大量淤積，河勢趨于歸順，形成相對窄深河槽。爾后，在一般水沙條件下，河床又回淤抬高，短則當年就回淤，長則需23年，當河床調整達到臨界狀態時，在適宜的來水來沙情況下，再次發生揭河底沖刷現象。河道這一往復性演變過程，孕育了該河段由淤積強烈沖刷淤積的周期性變化，但河床總的趨勢是淤積抬高的。黃河小北干流河段1950年以來“揭河底”情況統計表時間年.月.日最大流量（m3/s）最大含沙量（kg/m3）沖刷深度（m）沖刷長度（km）間隔時間（年）河槽擺動情況1951.8191321954.8.319.6175006051.691322有大擺動1964.7.67.7102006953.60909有大擺動1966.7.167.2074609337.50731無大擺動1969.7.267.2988607402.85492有大擺動1970.8.18.5138008269.00900有大擺動1977.7.6145006904.00716有大擺動1977.8.6127008212.00710有大擺動2002.7.546007901.5242、“揭河底”沖刷條件及機理分析2.1“揭河底”沖刷條件分析“揭河底”沖刷是高含沙洪水與河床邊界矛盾對立急劇轉化的必然結果，是該河段河床演變的特有規律所決定的，是河床自然調整演變的過程，也與該河段的河道特性密切相關。黃河禹門口以上河道縱比降為8.4%00,而禹門口以下縱比降為36%00,黃河出禹門口后，由92米的峽谷河槽驟然展寬為4公里以上的河漫灘，縱比降變緩,河道展寬,使流速減小,泥沙不斷淤積,當河床淤積到一定程度時,將不適應高含沙洪水的排泄,通過“揭河底”沖刷使來水來沙與河床邊界相協調。根據對1950年以來“揭河底”沖刷現象的實測資料分析，產生“揭河底”沖刷一般應具備以下四個條件：2.1.1洪峰流量大，流速大，大流量持續時間長。黃河龍門站最大瞬時流量大于7400m3/s，流量大于5000m3/s的洪峰持續歷時在h以上，或最大日平均流量大于3100m3/s，流速達5m/s以上時，即可產生大范圍的“揭河底”沖刷。當黃河龍門站發生中小流量的高含沙洪水時，也可引發局部“揭河底”沖刷。2.1.2洪峰與沙峰過程基本相應，或沙峰略滯后于洪峰，這將使高含沙洪水仍保持為紊流狀態。2.1.3水流含沙量大，持續時間長。龍門站瞬時最大含沙量大于542kg/m3，含沙量大于400kg/m3的沙峰應持續16小時以上，或最大日平均含沙量大于400500kg/m3?！敖液拥住睕_刷時，高含沙洪水的泥沙中值粒徑一般為0.040.085mm,最大可達0.35mm,且粒徑小于0.01mm的含量一般占泥沙的11%20.1%。隨著含沙量和細顆粒含量的增加，其粘滯性增大，極限剪應力也增大，而泥沙沉速則減小，當達到一定程度時,泥沙粗細顆粒已不再分選，基本以集合體的形式流動。2.1.4河床調整達到臨界狀態。即當河床橫斷面形態和縱比降調整達到一定程度，而且河床淤積物具有一定厚度、固結程度較高時，才有可能發生“揭河底”沖刷。歷次發生“揭河底”沖刷前，龍門站700m3/s流量的相應水位為376.16382.13m。2.2“揭河底”沖刷機理分析2.2.1從河流動力學等方面分析在高含沙水流中，由于大尺度渦漩具有不穩定性，因此在混摻過程中，會不斷分解成中尺度渦漩即載能渦漩，渦漩使紊動增強，流速略有降低，水深有所加大，水體能量向底部傳遞和轉移。由于床面流層內低頻大中尺度紊動的增強，使得脈動流速和壓強增強，產生雙方面的結果，即一方面脈動壓力滿足了起動的邊界條件，使得淤積物塊體被掀起；另一方面，紊動增強后提高了水流挾沙能力，使得掀起的淤積物塊體被沖散帶走，這將使“揭河底”過程持續下去。由此可知，低頻大中尺度紊動能量增加是引起“揭河底”現象的主要原因。在高含沙水流條件下，“揭河底”時的泥沙群體組合（片體、塊體）起動方式為脈動壓力起動。因此，初步認為：當河床不斷淤積使縱比降和橫斷面形態調整到一定程度并發生“晾河底”等現象后，為河床成層成塊淤積物的形成以及塊體邊界剪應力及層間黏合力的消弱或消失創造了條件。高含沙洪水出現后，使水流可能掀起或懸浮的成塊淤積物有效重力減小，懸浮功變小。若受河床邊界條件影響出現大中尺度渦漩，水體動能向底層傳遞，底層紊動、脈動特性增強，底層切應力加大,在忽略層間黏合力和塊體間的邊界垂向剪應力條件下，水體可能掀動的河床淤積物塊體最大厚度，與淤積物密度s、渾水體密度m、糙率系數、底層流速或平均流速等有關。當河床淤積物塊體厚度小于這一最大厚度時，渦漩引起的垂向脈動增強即可促發“揭河底”現象發生。2.2.2從水流含沙量對沖蝕的影響方面分析泥沙含量對沖蝕的影響是非常復雜的，特別是高速含沙水流，空化空蝕和沖蝕常相伴發生并相互影響、相互作用。泥沙的存在，改變了清潔水流的物化特性和