河底冲刷机理研究论文

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黄河小北干流（禹门口至潼关）河段全长132.5km,河宽为3—18公里,平面形态呈哑铃状，河床纵比降上陡下缓,为3—6%00,弯曲系数为1.12，滩槽高差1.25—1.85m，宽深比达40以上，稳定系数0.38—0.78。河道总面积为1107.67km2,河床宽浅，水流散乱，沙洲密布，叉流丛生，冲淤变化剧烈，主槽摆动不定，为典型的堆积游荡型河道。

1、“揭河底”冲刷情况

“揭河底”冲刷是黄河小北干流河段独特之奇观，它是在一定的河床边界条件下，遇到高含沙量的大洪水时，对河床产生剧烈的集中冲刷，一般发生在洪峰之后的落水期。

“揭河底”发生前数小时，龙门河段洪水中一般会漂浮大量的树枝、杂草等物，并发出很浓的臭泥腥味，水流浑浊，水面平静，很快就出现滚滚恶浪，河床大泥块被水流掀起露出水面，面积几平方米甚至十几平方米，有的泥块像墙一样直立起来与水流方向垂直，而后“扑通”一下倒进水中，很快被洪水吞没。河面上大量泥块此起彼伏，顺水流翻腾而下，满河开花，汹涌澎湃，水声震耳欲聋。“揭河底”冲刷持续一段时间，会冲出一条数米深数百米宽的河槽，一般沿水流方向成带状分布。

据统计，1950年以来，黄河小北干流河段共发生了9次“揭河底”冲刷(见下表)，黄河龙门站的冲刷时间一般为17—22h，最短仅6h，最长达68h。冲刷深度沿程递减，一般为2—4m，最深达9m（1970年8月）。冲刷距离最近至安昌（黄淤59断面）,距龙门49.4km，最远达潼关（黄淤41断面）,距龙门132km。发生“揭河底”冲刷时，河道在平面上大幅度摆动，主槽强烈冲刷，滩地大量淤积，河势趋于归顺，形成相对窄深河槽。尔后，在一般水沙条件下，河床又回淤抬高，短则当年就回淤，长则需2—3年，当河床调整达到临界状态时，在适宜的来水来沙情况下，再次发生揭河底冲刷现象。河道这一往复性演变过程，孕育了该河段由淤积—强烈冲刷—淤积的周期性变化，但河床总的趋势是淤积抬高的。

黄河小北干流河段1950年以来“揭河底”情况统计表

时间

年.月.日

最大流量

（m3/s）

最大含沙量

（kg/m3）

冲刷深度（m）

冲刷长度（km）

间隔时间（年）

河槽摆

动情况

1951.8.15

13700

542

2.19

132

1954.8.31～9.6

17500

605

1.69

132

2

有大摆动

1964.7.6～7.7

10200

695

3.60

90

9

有大摆动

1966.7.16～7.20

7460

933

7.50

73

1

无大摆动

1969.7.26～7.29

8860

740

2.85

49

2

有大摆动

1970.8.1～8.5

13800

826

9.00

90

有大摆动

1977.7.6

14500

690

4.00

71

6

有大摆动

1977.8.6

12700

821

2.00

71

有大摆动

2002.7.5

4600

790

1.5

24

2、“揭河底”冲刷条件及机理分析

2.1“揭河底”冲刷条件分析

“揭河底”冲刷是高含沙洪水与河床边界矛盾对立急剧转化的必然结果，是该河段河床演变的特有规律所决定的，是河床自然调整演变的过程，也与该河段的河道特性密切相关。

黄河禹门口以上河道纵比降为8.4%00,而禹门口以下纵比降为3—6%00,黄河出禹门口后，由92米的峡谷河槽骤然展宽为4公里以上的河漫滩，纵比降变缓,河道展宽,使流速减小,泥沙不断淤积,当河床淤积到一定程度时,将不适应高含沙洪水的排泄,通过“揭河底”冲刷使来水来沙与河床边界相协调。

根据对1950年以来“揭河底”冲刷现象的实测资料分析，产生“揭河底”冲刷一般应具备以下四个条件：

2.1.1洪峰流量大，流速大，大流量持续时间长。黄河龙门站最大瞬时流量大于7400m3/s，流量大于5000m3/s的洪峰持续历时在8h以上，或最大日平均流量大于3100m3/s，流速达5m/s以上时，即可产生大范围的“揭河底”冲刷。当黄河龙门站发生中小流量的高含沙洪水时，也可引发局部“揭河底”冲刷。

2.1.2洪峰与沙峰过程基本相应，或沙峰略滞后于洪峰，这将使高含沙洪水仍保持为紊流状态。

2.1.3水流含沙量大，持续时间长。龙门站瞬时最大含沙量大于542kg/m3，含沙量大于400kg/m3的沙峰应持续16小时以上，或最大日平均含沙量大于400—500kg/m3。

“揭河底”冲刷时，高含沙洪水的泥沙中值粒径一般为0.04—0.085mm,最大可达0.35mm,且粒径小于0.01mm的含量一般占泥沙的11%—20.1%。随着含沙量和细颗粒含量的增加，其粘滞性增大，极限剪应力也增大，而泥沙沉速则减小，当达到一定程度时,泥沙粗细颗粒已不再分选，基本以集合体的形式流动。

2.1.4河床调整达到临界状态。即当河床横断面形态和纵比降调整达到一定程度，而且河床淤积物具有一定厚度、固结程度较高时，才有可能发生“揭河底”冲刷。历次发生“揭河底”冲刷前，龙门站700m3/s流量的相应水位为376.16—382.13m。

2.2“揭河底”冲刷机理分析

2.2.1从河流动力学等方面分析

在高含沙水流中，由于大尺度涡漩具有不稳定性，因此在混掺过程中，会不断分解成中尺度涡漩即载能涡漩，涡漩使紊动增强，流速略有降低，水深有所加大，水体能量向底部传递和转移。由于床面流层内低频大中尺度紊动的增强，使得脉动流速和压强增强，产生双方面的结果，即一方面脉动压力满足了起动的边界条件，使得淤积物块体被掀起；另一方面，紊动增强后提高了水流挟沙能力，使得掀起的淤积物块体被冲散带走，这将使“揭河底”过程持续下去。由此可知，低频大中尺度紊动能量增加是引起“揭河底”现象的主要原因。在高含沙水流条件下，“揭河底”时的泥沙群体组合（片体、块体）起动方式为脉动压力起动。因此，初步认为：当河床不断淤积使纵比降和横断面形态调整到一定程度并发生“晾河底”等现象后，为河床成层成块淤积物的形成以及块体边界剪应力及层间黏合力的消弱或消失创造了条件。高含沙洪水出现后，使水流可能掀起或悬浮的成块淤积物有效重力减小，悬浮功变小。若受河床边界条件影响出现大中尺度涡漩，水体动能向底层传递，底层紊动、脉动特性增强，底层切应力加大,在忽略层间黏合力和块体间的边界垂向剪应力条件下，水体可能掀动的河床淤积物块体最大厚度，与淤积物密度γs、浑水体密度γm、糙率系数、底层流速或平均流速等有关。当河床淤积物块体厚度小于这一最大厚度时，涡漩引起的垂向脉动增强即可促发“揭河底”现象发生。

2.2.2从水流含沙量对冲蚀的影响方面分析

泥沙含量对冲蚀的影响是非常复杂的，特别是高速含沙水流，空化空蚀和冲蚀常相伴发生并相互影响、相互作用。泥沙的存在，改变了清洁水流的物化特性和流动性，泥沙挟带的气泡增加了水中的气核，随着水流含沙量的增加，当含沙量较小时，沙粒所带气核对空化空蚀的影响大于沙粒对脉动压力的影响，此时促进空化空蚀；而当含沙量较大时则制约空化空蚀作用。随着水流含沙量的增大，由湍流猝发现象而引起的扫荡冲蚀、切削破坏作用都将不断增强，从而引发“揭河底”冲刷。

2.2.3从能量平衡的观点分析

由于高含沙洪水具有与一般洪水截然不同的特性，其容重大、浮力大、河底切应力大，冲刷力强。而黄河龙门以下河道比降较陡，遇高含沙大流量洪水时，水流能量大，在前期河床淤积的情况下，床面切应力增大以及由于高含沙水流有较大的容重，增加了作用在河床泥沙的浮力，从而带动和掀起淤积物，产生“揭河底”冲刷。

3、“揭河底”冲刷的影响

“揭河底”现象是河床的自然调整，有其有利的一面，也有不利的一面，“揭河底”冲刷后，淤滩刷槽，形成高滩深槽，河槽过洪能力增大，对稳定河势、降低河道洪水位和减少河槽淤积作用显著，对滩区农业生产也是有利的。但是，“揭河底”冲刷也会产生不利影响，由于河槽大幅度冲刷，大河水位下降，将造成机电灌站引水困难。可使河势在平面上产生大的摆动，且淘刷剧烈，严重危及工程安全，甚至造成工程毁灭性破坏。特别是在该河段的上段，对工程的危害尤为严重，如1977年8月6日发生的“揭河底”冲刷，仅两个小时就冲毁了原桥南工程1—4号坝和原下峪口工程4—17号坝。2002年7月5日发生的局部“揭河底”冲刷，使左岸小石咀工程1号坝坍塌垮坝达33米，经全力抢护，才化险为夷。

4、“揭河底”冲刷对策

由于“揭河底”冲刷的强度是沿程递减的，因此，应以黄河小北干流上段为重点,全面做好防御工作。防治“揭河底”冲刷关键在于改善河床边界条件和水沙条件，弄清“揭河底”发展演变的整个过程，掌握其发生的机理，提高认知能力，以便采取强有力的应对措施，进行科学有效的主动防范。因此,设想建造一种机动调流坝，调整理顺河势，控制稳定主槽，实施束水攻沙。同时采用大型柔性塑料水袋等抢堵垮坝决口等险情，试用塑料管或空心钢筋混凝土管注水筑坝等新技术、新方法来防治“揭河底”冲刷。

4.1加强防范，认真做好监测预报工作

在边界条件基本具备的情况下，“揭河底”冲刷主要取决于高含沙洪水，因此，水文测报是关键，具有举足轻重的作用，应及时建立完善相应的日常监测机制和应急监测机制，以监测获取“揭河底”前河床淤积冲刷的演变情况、河床基本地质结构及床沙组成，捕获“揭河底”冲刷发生的全过程及其水沙条件、河床与河势演变等情况。

因此，水文部门要不断改善测报条件，提高测报自动化水平，加速构建黄河水文监测、报汛通信、黄河气象水文预测预报、黄河水文信息服务等体系，不断完善水文信息管理系统，充分运用卫星遥感、雷达等水文空间数据采集技术，声学多普勒流速剖面仪、GPS、振动式测沙仪等水文在线监测技术和常规监测技术，大力提高气象水文监测预报能力，及时进行洪水泥沙监测预报，增长预见期，为领导决策提供可靠的依据，为防守抢险赢得宝贵的时间。

河务部门要在河道上沿程布设监测控制断面,完善监测设施,采用先进的监测手段，加强对工情、河势、水情的监测巡查，及时掌握各种汛情动态。发现异常情况，立即采取有力措施。发生“揭河底”冲刷后,要充分利用水尺、摄像、录像等现代化的技术手段，及时跟踪监测摄录洪水、河势、流速和“揭河底”变化的全过程，并采集水样、分析含沙量及泥沙颗粒级配，实地调查出险受灾等情况，为进一步研究探索“揭河底”冲刷的规律提供依据。

4.2加强组织领导,完善落实防汛责任体系

防治“揭河底”冲刷，必须切实加强组织领导，建立完善现代化的防汛指挥决策系统，层层落实以行政首长负责制为核心、分级分部门负责的防汛责任体系，真正做到职责到位，思想到位，指挥到位，措施到位。逐级签订防汛目标责任书，明确任务,责任到人,各司其职，各负其责、各尽其力，分工协作，密切配合,团结奋战，夺取胜利。

4.3加强工程维修加固，提高工程抗洪强度

“揭河底”冲刷流量较大，含沙量较高，冲刷力强，最大冲深达9m，而现有河道工程，大多是在临时抢险中修建的，设防标准低，根石基础浅，断面单薄，稳定性差。因此，一定要加强工程维修管理，切实做好根石探摸工作，查清根石分布和坝体基础情况，及时进行工程整修和加高加固，使各工程根石深度大于历次“揭河底”冲刷在该工程处的最大冲深1m以上，且达到稳定坡度，并研究采用新结构、新材料、新工艺，以提高工程强度和抗冲能力，确保工程安全。

4.4强化措施，扎实准备，全力抢险

“揭河底”冲刷对工程威胁之大，甚至会造成严重毁坏。因此，要以该河段的上段为重点，加强防守，特别是险工险段、重要坝段及新建工程，更要严加防范，认真制定切实可行的工程抢险预案，强化落实各项防御措施，扎实做好抢大险的各种准备：一是备足抢险料物，保证落实到位。二是改善通讯照明、交通道路条件，保证完好畅通。三是组建落实强有力的抢险队伍。切实做到思想认识、人员组织、工具料物、抢险技术、责任制“五落实”，充分发挥专业机动抢险队和解放军的突击骨干作用，加强抢险合成演练，大力提高机械化抢险技术水平和抢险战斗力。特别要加强对重点工程的防守，在洪水到来之前，准备好必要的装载机、自卸汽车和一定数量的梢料、铅丝石笼或土工布袋等物料设备，一旦出险，抢早抢小，全力抢护，务求必胜。

4.5加速河道治理，改善边界条件

黄河小北干流全长132.5km，而右岸现有河道工程总长仅63.917km，由于工程布设长度不足，未形成整体防御能力，尚不能有效的控制河势，主流游荡摆动不定，洪水灾害仍很严重。因而，要明确治理目标，坚持全面规划，统筹兼顾，统一治理，标本兼治，除害与兴利相结合，治理与开发并举的原则。加快河道治理步伐，进一步控导理顺河势，维持中水基本流路，冲滩刷槽，塑造相对稳定的微湾式窄深河槽，改善河道形态，以有效的防止“揭河底”冲刷的发生，避免各种灾害损失。

4.6大力开展放淤拖淤，减少河道泥沙淤积

河道淤积是导致“揭河底”冲刷的关键所在，黄河小北干流两岸滩区宽阔，具有引洪放淤的良好条件。因此，应加强对小北干流放淤区的研究，切实搞好放淤试验，抓紧编制报批放淤规划，尽快付诸实施。同时，要充分利用拖淤等机械设备，大力开展河道拖淤清淤，淤填低洼滩地，减少河道淤积，有效的控制减免“揭河底”冲刷的发生。

4.7完善“上拦”体系，加强调水调沙

水沙条件是影响“揭河底”冲刷的主要因素，调水调沙是防止“揭河底”冲刷的重要举措。因此，要加快南水北调工程的建设，以解决黄河水少沙多的问题。并结合“拦、排、放、挖”等措施，不断建设完善黄河上、中游及各大支流的水库网络调控体系，尽快兴建大柳树、古贤、碛口等水库，加强黄河水资源的统一管理，实行群库联合统一调度，实时调控高含沙洪水，塑造协调的水沙关系，减少河道淤积。

4.8加大水土保持力度，建设山川秀美工程

黄河中游的黄土高原，植被很差，水土流失严重，生态环境恶化，是黄河泥沙和高含沙洪水的主要来源区，特别是黄河中游的多沙粗沙区面积7.86万km2，仅占黄土高原地区水土流失面积的17％，但年输沙量却占全河的63％，粗沙量占全河粗沙总量的73％。据统计，河口镇—龙门区间多年平均水量仅占龙门站的20％，而沙量却占85.3％。使龙门站最大含沙量高达933kg/m3，造成河道严重淤积，河床不断抬高，“揭河底”冲刷多次发生。因此，要以产沙相对集中的多沙粗沙区为重点，以小流域为单元，认真制订治理规划,采取工程、生物和耕作等综合措施，利用法律、行政、经济、技术等有效手段，大力开展水土保持工作，加强治沟骨干工程和淤地坝系建设，特别要抓好皇甫川、孤山川、窟野河、无定河、三川河、昕水河、浑河等重点支流的水土保持生态工程建设。积极退耕还林，植树种草，建设山川秀美工程，改善生态环境，减少水土流失，以从根本上防止高含沙洪水的发生。

4.9采取有效措施，降低潼关高程

潼关高程的升降直接关系到黄河小北干流河段的冲淤。因此,应采取有效措施，调整三门峡水库的运用方式，实施射流清淤、裁弯和小北干流放淤，加强河道整治，进一步理顺河势，改善黄河小北干流下段河床宽浅散乱的状况，并将渭河口入黄下移至潼关港口附近，增大河道动力比降，并结合调水调沙，降低潼关高程。

4.10认真做好救护工作，确保人员安全

“揭河底”冲刷，流量一般在7400m3/s以上，不但影响工程安全，而且会造成大面积漫滩，如果工程失守，后果将更为严重。因此，要认真制定落实滩区迁安救护方案，建立完善预警报警系统，强化各项迁安救护措施，准备好各种救生器材设备，在各级防汛指挥部的统一领导和指挥下，在洪水来临之前，将滩区可能被淹的所有人员全部撤离安置到安全地带，加强自护和应急救护，确保人民生命财产安全。

当河道工程出现重大险情进行现场抢险时，由于险情发展极为迅速，抢险人员和机械设备都须注意安全，所有一线参加抢险的人员都要穿上救生衣，同时，现场要准备好冲锋舟等应急救生设备，险情危急时，抢险人员和机械设备一般不要靠近出险部位，宜采用长臂装载机或吊车抛笼石或大型土工布包进行抢护，以免发生不必要的人员伤亡。

“揭河底”冲刷的边界条件已基本具备，如遇适宜的高含沙洪水，将可能再次发生“揭河底”冲刷。因此，要大力加强原型黄河、模型黄河和数字黄河建设，进一步研究探索“揭河底”冲刷的规律，全力做好防御“揭河底”冲刷的一切准备，认真落实各项具体措施，严加防范，抢早抢小，全力抢护，确保人民生命财产安全，尽力减少灾害损失。

参考文献：

1、张金良等.黄河高含沙洪水“揭河底”机理探讨

2、邓军，杨永全，沈焕荣等.水流含沙量对磨蚀的影响