高含水期曝河底現(xiàn)象的成因分析及臨界判別指標研究

高含水期曝河底現(xiàn)象的成因分析及臨界判別指標研究

1揭河底沖刷的力學過程所謂“河流底”，是指河床磨損的突變過程。它的特點是，大面積的固體沉積物（橡膠殘留物）從河床上抬起，出現(xiàn)在水面上，倒塌、破碎并被水流沖散和帶走。由于“揭河底”現(xiàn)象形成條件比較特殊,包括長年工作在黃河岸邊的水利工作者和沿黃群眾,能親眼目睹“揭河底”現(xiàn)象的人很少,素有黃河百年奇觀之稱?！敖液拥住卑l(fā)生時,河床遭受強烈沖刷,在幾小時到幾十小時內,河床降低一兩米乃至接近十米。韓其為對黃河中游出現(xiàn)的“揭河底”沖刷全過程在理論上做了專門研究,清晰地描述了“揭河底”現(xiàn)象發(fā)生的動態(tài)過程,揭示了其內在機理,并對“揭河底”發(fā)生時土塊起動后上浮、轉動、露出水面、下沉及水平運動等塊體運動的不同階段都進行了相應的力學分析,給出了“揭河底”發(fā)生的力學條件,為人們認識“揭河底”這一過程奠定了基礎?！敖液拥住笔且粋€十分復雜的問題,由于缺乏針對“揭河底”發(fā)生時成塊的片狀淤積物受力狀況及跟隨性較好的水力泥沙因子變化實測資料,加之模擬技術和試驗難度的限制,“揭河底”沖刷的理論研究和模型試驗還有待進一步深化,提出的一些判別指標還缺少規(guī)范的原型資料和模型試驗資料的驗證。借鑒前人研究成果,江恩惠等通過大量的原型調查及資料分析,認為“揭河底”河段河床的層理淤積結構,特別是河床成層淤積物中膠泥層(塊)的存在為“揭河底”發(fā)生提供了必要的前期條件,高含沙洪水為“揭河底”發(fā)生提供了必要的動力條件。同時,江恩惠等在文獻中還進一步擴展了現(xiàn)有“揭河底”現(xiàn)象的概念,并根據擴展后的定義劃分了“揭河底”發(fā)生的不同形式;基于“揭河底”模型試驗研究,提出了“揭河底”發(fā)生的動態(tài)物理過程,即膠泥塊形成、膠泥塊逐漸淘刷、膠泥塊失穩(wěn)揭出、膠泥塊翻出水面4個過程;最關鍵的是膠泥塊失穩(wěn)從河底揭起這一階段,而這一階段發(fā)生的真正原因是水流作用于膠泥塊以后引起上下表面脈動壓力波傳播速度不同形成的瞬時上舉力。本文將基于瞬變流模型對這一過程進行力學探討。2瞬變流分析的f算式天然淤積形成的膠泥塊往往是不規(guī)則的。為了便于理論分析,假設膠泥塊為一矩形,長為L,寬為b,厚為δ,膠泥塊的面積A=b×L,膠泥塊的容重為γS,膠泥塊表面處水深為h,膠泥塊上面存在一粗沙層,厚度為δ1,容重為γ′S。并假設“揭河底”發(fā)生時的流量為Q,斷面平均流速為U,水面比降為J,平均河寬為B,含沙量為S,渾水容重為γm,g為重力加速度。在膠泥塊揭起的瞬間,其受力分析如圖1所示?？紤]膠泥塊水平方向受力平衡(F1=F2),可得下式:式中:GS為膠泥塊重量,記為γsAδg;P1為膠泥塊所受的水壓力,記為γmA(h-δ1)g;P2為懸空段下部水流對膠泥塊的上浮力,記為γmA(h+δ)g;P3為粗沙層對膠泥塊的壓力,記為γ′sAδ1g;Fd為由水流紊動能產生的上舉力;Fμ為膠泥塊底面與下層一般淤泥之間的黏結力,下面分別討論之。Fd是一個隨時間而變化的面積力,隨時間T的延長,膠泥塊底部的淘刷長度也逐漸增加,Fd也會因作用面積增加而增大。劉沛清等大量試驗表明,Fd主要受Q、S、B、J、h等因素的影響。因此,可將其表示為如下形式:其中,f(Q,S,B,J,h)為膠泥塊單位長度受的上舉力。隨著沖刷歷時的延長,面積力Fd越來越大,受載能渦漩及水流擾動的影響,膠泥塊周圍的粗顆粒泥沙相應起動,其上表面的泥沙顆粒逐漸被沖向下游,此時因粗沙層的厚度δ1越來越小,對膠泥層的作用力P3相應變小,膠泥塊揭起的瞬間,膠泥塊與下面泥沙層完全脫離或大部分脫離,膠泥塊周圍泥沙對此作用的黏結力也大大減小。為問題簡化其見,膠泥塊揭起瞬時,兩者均忽略不計。整理后可得膠泥塊從河底被揭起并露出水面的臨界力學條件,如式(3)所示:在揭起的瞬時,膠泥塊受到的上舉力Fd也達到最大值。在此,將此時的上舉力定義為瞬時最大上舉力,以Fmax表示。則式(3)可進一步表示為:對于脈動壓力在縫隙中的傳播,上舉力的產生、發(fā)展及最大上舉力的預測等問題,國內外許多學者從不同角度提出過諸多模型,如G.Rehbinder提出的滲流模型;趙耀南等提出的水體振蕩模型;Fiorotto和Rinaldo提出的瞬變流模型。劉沛清在文獻[8~10]中引入瞬變流模型,詳細分析了脈動壓力波的傳播規(guī)律,據此推導出最大脈動上舉力Fmax,并表示成如下形式:式中:σp為膠泥塊上脈動壓強的均方根值;Ls為脈動壓強的積分長度。σp可以下式表示:按照量綱分析,式(6)可改寫成:將式(7)中的函數(shù)寫成線性關系,整理得:式中:k′為線性系數(shù)。“揭河底”發(fā)生時的表現(xiàn)形式不同預示著揭起的膠泥塊尺寸不同。對于發(fā)生“揭河底”的常見形式,揭底發(fā)生時LS≈L,則此時膠泥塊所受的瞬時最大上舉力為:對于“揭河底”的一般形式而言,揭起的膠泥塊塊體尺寸很小,此時若假設LS<<L,LS/L≈0,則瞬時最大上舉力為:由上述推導可以看出,不同“揭河底”現(xiàn)象表現(xiàn)形式不同,其系數(shù)的變化差別為3~4.2。即Fmax=(3~4.2)σpA。這一點與崔廣濤建議的Fmax=(3~4)σpA基本吻合,與劉沛清通過試驗得到的結果Fmax=(2.5~4.2)σpA也基本一致。將式(8)代入到式(9)及式(10),“揭河底”不同表現(xiàn)形式下的瞬時最大上舉力可合并為式(11)所示的形式:由于k′為線性系數(shù),令K=3k′,式(11)可進一步整理為:將式(12)代入“揭河底”現(xiàn)象發(fā)生的臨界力學條件(4),整理可得:式中:K為線性系數(shù);其余符號同前。單位為kg·m·s制。從式(13)可以看出,當水流含沙量S越大時,γm的值越大,則的值就越小,此時膠泥塊就容易起動;平均流速V越大,膠泥塊亦越易起動;河床比降J越大,膠泥塊亦越易起動,膠泥塊的厚度δ越小,膠泥塊亦越易起動。為了便于表述,在此用E′表示“揭河底”發(fā)生的臨界力學條件式(13)的左項,即用G′表示式(13)的右項,即E′代表水流的紊動強度,G′代表淤積物的重力作用,“揭河底”發(fā)生的物理本質正是水流的紊動作用與重力作用的對比關系。即,當時,說明水流的紊動作用占主導地位,此時在前期一定的河床條件下就可以發(fā)生“揭河底”現(xiàn)象。需要進一步說明的是,在“揭河底”臨界力學指標的建立推導過程中,計算瞬時最大上舉力時引進了系數(shù)K,由式(13),K的臨界值也可以看作之比的臨界值,若令:則,K≥Δ時,即發(fā)生“揭河底”現(xiàn)象;K<Δ時,不發(fā)生“揭河底”現(xiàn)象。下面結合模型試驗,確定系數(shù)K值。3水力泥沙參數(shù)分析黃河水利科學研究院利用不同粒徑的粉煤灰模擬了天然河道中河床分層結構,并利用水槽試驗成功模擬了“揭河底”現(xiàn)象,測定了相關水力泥沙參數(shù)。根據試驗情況,對不同膠泥塊揭起未露出水面、揭起、未揭起等不同狀態(tài)下的Δ值進行計算。各參數(shù)及計算的Δ值見表2所示。上表可見,Δ等于0.2時,為一臨界值。Δ>0.2,不發(fā)生“揭河底”;Δ<0.2,發(fā)生“揭河底”。在此,取“揭河底”臨界K值為0.2。則,“揭河底”發(fā)生的臨界力學條件可進一步表示為:4揭河底的識別利用其它組次的“揭河底”模型試驗資料、2004年小北干流放淤輸沙渠內“揭河底”資料及原型黃河干流發(fā)生“揭河底”時龍門站馬王廟的資料對揭底臨界條件進行驗證,數(shù)據列入表3。從驗證結果來看,計算的臨界條件能夠準確地判別是否發(fā)生揭底。為直觀起見,點繪相關關系如圖2所示。圖2表明,本文提出的臨界力學條件能夠很好識別“揭河底”現(xiàn)象,可以為預測原型“揭河底”的發(fā)生提供理論依據。需要說明的是,圖2中模型試驗資料和小北干流放淤輸沙渠內的資料跟隨性較好,所以點子分布在45°線附近,而原型的點子明顯遠離45°線,再次驗證了焦恩澤對以往“揭河底”發(fā)生指標所采用數(shù)據的質疑。杜殿勖通過系統(tǒng)分析小北干流“揭河底”實測資料認為,發(fā)生“揭河底”時,流量應大于5000m3/s,含沙量應大于400m3/s,此時平均流速為5m/s,按本文提出的判別條件計算其揭起的厚度為0.51m,該值與“‘揭河底’掀起的塊體厚度有半米左右”的說法完全吻合。5試驗成果的應用本文基于瞬變流模型建立了“揭河底”發(fā)生的臨界力學指標,并根據室內“揭河底”模擬試驗資料確定系數(shù)K值為0