水利工程論文-黃河小北干流“揭河底”沖刷機(jī)理及對(duì)策探討.doc

水利工程論文-黃河小北干流“揭河底”沖刷機(jī)理及對(duì)策探討摘要：“揭河底”沖刷是高含沙洪水與河床邊界矛盾對(duì)立急劇轉(zhuǎn)化的必然結(jié)果。發(fā)生“揭河底”沖刷應(yīng)具備二個(gè)條件:一是邊界條件，即河床調(diào)整達(dá)到臨界狀態(tài)。二是水沙條件，即高含沙洪水持續(xù)時(shí)間長(zhǎng),且洪峰與沙峰過(guò)程基本相應(yīng)。初步認(rèn)為：在高含沙水流中，低頻大中尺度紊動(dòng)能量增加，由湍流猝發(fā)現(xiàn)象而引起的掃蕩沖蝕、切削破壞作用都不斷增強(qiáng)，同時(shí)伴隨著空化空蝕現(xiàn)象，從而引發(fā)“揭河底”沖刷。“揭河底”時(shí)的泥沙群體組合（片體、塊體）起動(dòng)方式為脈動(dòng)壓力起動(dòng)。防治“揭河底”沖刷關(guān)鍵在于改善河床邊界條件和水沙條件。據(jù)此提出了加強(qiáng)水土保持和工程維修加固，加大河道治理力度，適時(shí)調(diào)水調(diào)沙，開(kāi)展引洪放淤，完善落實(shí)防汛責(zé)任體系，建立完善預(yù)警報(bào)警系統(tǒng)，切實(shí)做好監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)和搶險(xiǎn)救護(hù)工作等治理對(duì)策。關(guān)鍵詞：黃河小北干流揭河底沖刷機(jī)理對(duì)策探討黃河小北干流（禹門(mén)口至潼關(guān)）河段全長(zhǎng)132.5km,河寬為318公里,平面形態(tài)呈啞鈴狀，河床縱比降上陡下緩,為36%00,彎曲系數(shù)為1.12，灘槽高差1.251.85m，寬深比達(dá)40以上，穩(wěn)定系數(shù)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(dòng)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(dú)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(shí)，對(duì)河床產(chǎn)生劇烈的集中沖刷，一般發(fā)生在洪峰之后的落水期?！敖液拥住卑l(fā)生前數(shù)小時(shí)，龍門(mén)河段洪水中一般會(huì)漂浮大量的樹(shù)枝、雜草等物，并發(fā)出很濃的臭泥腥味，水流渾濁，水面平靜，很快就出現(xiàn)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(lái)與水流方向垂直，而后“撲通”一下倒進(jìn)水中，很快被洪水吞沒(méi)。河面上大量泥塊此起彼伏，順?biāo)鞣v而下，滿河開(kāi)花，洶涌澎湃，水聲震耳欲聾。“揭河底”沖刷持續(xù)一段時(shí)間，會(huì)沖出一條數(shù)米深數(shù)百米寬的河槽，一般沿水流方向成帶狀分布。據(jù)統(tǒng)計(jì)，1950年以來(lái)，黃河小北干流河段共發(fā)生了9次“揭河底”沖刷(見(jiàn)下表)，黃河龍門(mén)站的沖刷時(shí)間一般為1722h，最短僅6h，最長(zhǎng)達(dá)68h。沖刷深度沿程遞減，一般為24m，最深達(dá)9m（1970年8月）。沖刷距離最近至安昌（黃淤59斷面）,距龍門(mén)49.4km，最遠(yuǎn)達(dá)潼關(guān)（黃淤41斷面）,距龍門(mén)132km。發(fā)生“揭河底”沖刷時(shí)，河道在平面上大幅度擺動(dòng)，主槽強(qiáng)烈沖刷，灘地大量淤積，河勢(shì)趨于歸順，形成相對(duì)窄深河槽。爾后，在一般水沙條件下，河床又回淤抬高，短則當(dāng)年就回淤，長(zhǎng)則需23年，當(dāng)河床調(diào)整達(dá)到臨界狀態(tài)時(shí)，在適宜的來(lái)水來(lái)沙情況下，再次發(fā)生揭河底沖刷現(xiàn)象。河道這一往復(fù)性演變過(guò)程，孕育了該河段由淤積強(qiáng)烈沖刷淤積的周期性變化，但河床總的趨勢(shì)是淤積抬高的。黃河小北干流河段1950年以來(lái)“揭河底”情況統(tǒng)計(jì)表時(shí)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(zhǎng)度（km）間隔時(shí)間（年）河槽擺動(dòng)情況1951.8191321954.8.319.6175006051.691322有大擺動(dòng)1964.7.67.7102006953.60909有大擺動(dòng)1966.7.167.2074609337.50731無(wú)大擺動(dòng)1969.7.267.2988607402.85492有大擺動(dòng)1970.8.18.5138008269.00900有大擺動(dòng)1977.7.6145006904.00716有大擺動(dòng)1977.8.6127008212.00710有大擺動(dòng)2002.7.546007901.5242、“揭河底”沖刷條件及機(jī)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(duì)立急劇轉(zhuǎn)化的必然結(jié)果，是該河段河床演變的特有規(guī)律所決定的，是河床自然調(diào)整演變的過(guò)程，也與該河段的河道特性密切相關(guān)。黃河禹門(mén)口以上河道縱比降為8.4%00,而禹門(mén)口以下縱比降為36%00,黃河出禹門(mén)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(dāng)河床淤積到一定程度時(shí),將不適應(yīng)高含沙洪水的排泄,通過(guò)“揭河底”沖刷使來(lái)水來(lái)沙與河床邊界相協(xié)調(diào)。根據(jù)對(duì)1950年以來(lái)“揭河底”沖刷現(xiàn)象的實(shí)測(cè)資料分析，產(chǎn)生“揭河底”沖刷一般應(yīng)具備以下四個(gè)條件：2.1.1洪峰流量大，流速大，大流量持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。黃河龍門(mén)站最大瞬時(shí)流量大于7400m3/s，流量大于5000m3/s的洪峰持續(xù)歷時(shí)在h以上，或最大日平均流量大于3100m3/s，流速達(dá)5m/s以上時(shí)，即可產(chǎn)生大范圍的“揭河底”沖刷。當(dāng)黃河龍門(mén)站發(fā)生中小流量的高含沙洪水時(shí)，也可引發(fā)局部“揭河底”沖刷。2.1.2洪峰與沙峰過(guò)程基本相應(yīng)，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(tài)。2.1.3水流含沙量大，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。龍門(mén)站瞬時(shí)最大含沙量大于542kg/m3，含沙量大于400kg/m3的沙峰應(yīng)持續(xù)16小時(shí)以上，或最大日平均含沙量大于400500kg/m3?！敖液拥住睕_刷時(shí)，高含沙洪水的泥沙中值粒徑一般為0.040.085mm,最大可達(dá)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(xì)顆粒含量的增加，其粘滯性增大，極限剪應(yīng)力也增大，而泥沙沉速則減小，當(dāng)達(dá)到一定程度時(shí),泥沙粗細(xì)顆粒已不再分選，基本以集合體的形式流動(dòng)。2.1.4河床調(diào)整達(dá)到臨界狀態(tài)。即當(dāng)河床橫斷面形態(tài)和縱比降調(diào)整達(dá)到一定程度，而且河床淤積物具有一定厚度、固結(jié)程度較高時(shí)，才有可能發(fā)生“揭河底”沖刷。歷次發(fā)生“揭河底”沖刷前，龍門(mén)站700m3/s流量的相應(yīng)水位為376.16382.13m。2.2“揭河底”沖刷機(jī)理分析2.2.1從河流動(dòng)力學(xué)等方面分析在高含沙水流中，由于大尺度渦漩具有不穩(wěn)定性，因此在混摻過(guò)程中，會(huì)不斷分解成中尺度渦漩即載能渦漩，渦漩使紊動(dòng)增強(qiáng)，流速略有降低，水深有所加大，水體能量向底部傳遞和轉(zhuǎn)移。由于床面流層內(nèi)低頻大中尺度紊動(dòng)的增強(qiáng)，使得脈動(dòng)流速和壓強(qiáng)增強(qiáng)，產(chǎn)生雙方面的結(jié)果，即一方面脈動(dòng)壓力滿足了起動(dòng)的邊界條件，使得淤積物塊體被掀起；另一方面，紊動(dòng)增強(qiáng)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(guò)程持續(xù)下去。由此可知，低頻大中尺度紊動(dòng)能量增加是引起“揭河底”現(xiàn)象的主要原因。在高含沙水流條件下，“揭河底”時(shí)的泥沙群體組合（片體、塊體）起動(dòng)方式為脈動(dòng)壓力起動(dòng)。因此，初步認(rèn)為：當(dāng)河床不斷淤積使縱比降和橫斷面形態(tài)調(diào)整到一定程度并發(fā)生“晾河底”等現(xiàn)象后，為河床成層成塊淤積物的形成以及塊體邊界剪應(yīng)力及層間黏合力的消弱或消失創(chuàng)造了條件。高含沙洪水出現(xiàn)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(xiàn)大中尺度渦漩，水體動(dòng)能向底層傳遞，底層紊動(dòng)、脈動(dòng)特性增強(qiáng)，底層切應(yīng)力加大,在忽略層間黏合力和塊體間的邊界垂向剪應(yīng)力條件下，水體可能掀動(dòng)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(shù)、底層流速或平均流速等有關(guān)。當(dāng)河床淤積物塊體厚度小于這一最大厚度時(shí)，渦漩引起的垂向脈動(dòng)增強(qiáng)即可促發(fā)“揭河底”現(xiàn)象發(fā)生。2.2.2從水流含沙量對(duì)沖蝕的影響方面分析泥沙含量對(duì)沖蝕的影響是非常復(fù)雜的，特別是高速含沙水流，空化空蝕和沖蝕常相伴發(fā)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