黄河“揭河底”冲刷研究综述

黄河“揭河底”冲刷研究综述
摘要：在广泛收集现有研究成果的基础上，分别从原型观测、理论与力学分析、试验研究和数值模拟四个方面，对以往黄河高含沙洪水“揭河底”冲刷的研究成果进行了归纳和总结。

认为黄河“揭河底”冲刷是一个极其复杂的运动过程，要使研究取得突破性的进展，必须采用实测资料分析、理论与力学分析、试验研究、数值模拟相结合的方法，通过实测资料分析，借助试验成果和数值模拟结果等研究方法开展高含沙洪水“揭河底”冲刷机理的研究。

关键词：“揭河底”冲刷；原型观测；理论分析；试验研究；数值模拟
中图分类号：o241文献标识码： a 文章编号：
高含沙洪水“揭河底”冲刷现象是黄河小北干流及其含沙量较高的几条支流如渭河、北洛河等普遍存在的一种特有现象。

其特点是：河底大片的淤积物从河床上掀起，成块、成片地露出水面，面积可达几平方米甚至几十平方米，然后短时间内破碎、坍落，被水流冲散带走。

一旦发生这种情况，河床往往会发生强烈下切，严重者可以将河床冲深几米乃近十米。

由于“揭河底”现象形成条件比较特殊，包括长年工作在黄河岸边的水利工作者和沿黄群众，能真正亲眼目睹“揭河底”现象的人很少，因而素有黄河百年奇观之称［1］。

自20世纪70年代开始就引起了国内外学者的关注，并通过研究取得了一些很有意义的研究成果。

1. 原实测资料分析
由于“揭河底”现象发生的随机性较强，难以捕捉其发生前后水流状况的实时资料，因此对其有详细历史记载的相对很少，这正是“揭河底”冲刷研究难以取得突破性进展的主要原因。

杜殿勖[2]、赵文林[15]、孙东坡[2]、程龙渊[14]等基于“揭河底”现象发生时，龙门站实测水文泥沙资料的统计提出了“揭河底”发生时的水力条件，可为预测小北干河何时发生“揭河底”冲刷提供一定的参考依据，但这些水力条件并不完全相同，究其原因主要是因为实测水文泥沙资料跟随性较差。

对此，江恩惠[2]通过对黄河小北干流河段、府谷河段、渭河临潼至华县一带及其相应支流的系统调查，取得大量的原型第一手感观和实测资料，并对这些资料进行较为系统的整理，重新定义扩展了“揭河底”冲刷的概念。

即在水流作用下，河床沉积的胶泥层以块体的形式被水流揭起，脱离河底的现象，统称之为“揭河底”现象，划分为常见形式、潜移形式、极端形式。

并提出在条件允许的条件下，开展原型跟踪观测，取得第一手跟随性较强的原型实测资料。

2. 理论与力学分析
2.1冲刷机理
韩其为院士［11］对黄河中游出现的“揭河底”冲刷现象做了全面而深入的研究，从更深的层次揭示了其尚未被阐释的机理。

研究了土块起动、初始翻转、上升运动、露出水面以及下降至河底等各阶段的力学关系，给出了相应的方程和公式（土块瞬时起动底速公
式、土块起动的时均速度等），清晰的描述了“揭河底”发生的动态过程。

张金良［12］等采用随机脉动压力分布方法研究了黄河“揭河底”冲刷过程中河床成块淤积物的起动，得出水流可能掀起的淤积物块体最大成层厚度，其研究思路颇具新意，值得借鉴。

缑元有［13］从力学的角度分 3个阶段 (包括结构密实片状物与河床脱离阶段、水中滑移阶段及翻转阶段 )研究了“掲河底”冲刷现象, 并推导出“揭河底”冲刷发生时的临界起动平均流速。

2.4判别条件和指标
张瑞瑾［10］等提出“揭河底”冲刷发生的必备条件为：①河床淤积物能够被水流掀起的条件
式中，为系数，为平均流速，为淤积物的平面面积，为淤积物厚度，为淤积物的湿容重，为混水容重。

直观此条件，淤积物的平面面积a是无法得到的。

②被掀起淤积物能够被水流带走的条件。

其中提到了水流挟沙力的概念，江恩惠认为挟沙能力可以反映“揭河底”发生后，块体坍落水中，泥沙向下游输送过程中的运移情况，并不能反映瞬时掀起过程中的动态力学关系，也就是说，能否用挟沙能力的概念来反映“揭河底”问题，值得商榷。

张红武［16］等提出了另一用水流挟沙力来解释的判别指标：
式中，为体积比含沙量，为平均流速，为水深，为床沙中径，为
卡门常数，混水沉速。

和可由以下公式计算：
其中，为悬沙中径，mm；为泥沙在清水中的沉速。

对于非均匀沙，应取平均沉速，由各级泥沙沉速加权求得，即
式中，为某级粒径泥沙沉速，为某级粒径颗粒占全部颗粒的质量百分比。

以上判别条件和指标的推导都提到了水流挟沙力的概念，江恩惠认为挟沙能力可以反映“揭河底”发生后，块体坍落水中，泥沙向下游输送过程中的运移情况，并不能反映瞬时掀起过程中的动态力学关系，也就是说，能否用挟沙能力的概念来反映“揭河底”问题，值得商榷。

3.模型试验
继缪风举的清水模型试验[3]和匡尚富的室内水槽试验[4]，李军华，江恩惠等利用固结粉煤灰代替胶泥层，在水槽中首次成功复演了真正意义上的“揭河底”现象。

结合试验成果及高含沙流体力学、土力学等知识，指出“揭河底”的发生一般可以分为胶泥块分裂发展过程、淤泥块底部淘刷过程、淤泥块失稳揭出过程、淤积块翻出水面过程；印证了其建立的“揭河底”物理图形的准确性；但此次试验并未建立粉煤灰与胶泥质粘土力学性能指标的关系，不能为揭底冲刷发生的水力条件提供直接的理论支撑。

还确定了临界指标中的系数k值（取0.2），导出“揭河底”现象发生的临界力学条件［1，5，6］：
式中，为流速，为胶泥块的厚度，为河床纵比降，、分别为淤积物、高含沙水流的密度。

实验
4. 数值模拟研究
黄河是世界上河床演变最复杂多变的河流，“揭河底”冲刷又是一个极其复杂的运动过程，之前各家几乎都是在原型观测实测水文泥沙资料的基础上，通过统计分析、理论推导、模型试验的手段开展相关工作的。

但却鲜有专家学者从数值模拟方面进行研究，所以一直以来此方法在“揭河底”冲刷研究并未得到广泛的应用。

数值模拟将实际问题转换为数学描述下的离散形式，使用计算机重新构造和求解问题，再根据分析人员的需求客观的揭示现象。

可代替在实验室或者是工地进行的昂贵、费时甚至危险的实验，对于不能通过直接计算、观察或者其他方法获得的比较具体而且完整的信息，数值计算手段比传统的实验方法更加实用［8］。

程文等认为“揭河底”冲刷时的输水输沙是一个非恒定不平衡的过程，并运用数学模型对龙门—潼关段“揭河底”冲刷现象进行了数值模拟。

经实测资料验证，在计算水面线、流量方面尚可，但不足以模拟“揭河底”冲刷中河床大幅度冲深，有待于更深入地研究揭河底冲刷的条件、水流和大幅度冲深之间的内在机理［9］。

但此研究为以后各学者进一步系统研究“揭河底”冲刷机理拓宽了思路，是一个很好的尝试。

5结语
由于“揭河底”现象的随机性，实测资料跟随性较差，加之技术手段的制约，使得对“揭河底”冲刷过程的认识有一定的局限性和片面性，对“揭河底”冲刷机理问题的研究尚未取得令人满意和突破性的进展。

要使研究取得突破性的进展，必须采用实测资料分析、理论与力学分析、模型试验、数值模拟相结合的方法，通过分析发生“揭河底”冲刷河段的来水来沙情况及“揭河底”冲刷过程中有关水文泥沙资料，通过实测资料分析，借助实体模型试验和数值模拟等研究方法开展高含沙洪水“揭河底”冲刷机理的研究。

其中数值模拟作为实验模型和理论预测之间的桥梁，可以为理论提供依据、帮助加深对实验结果的理解和解释甚至发现新现象。

参考文献：
[1]李军华，江恩惠，张清等.黄河高含沙洪水“揭河底”机理探讨［c］// 第七届全国泥沙基本理论研究学术讨论会论文集.西安：陕西科学技术出版社，2008：259-264.
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[4] 匡尚富. 高含沙洪水揭河底现象及机理研究[ c ] // 第一届全国泥沙基本理论研究学术讨论会论文集.北京: 中国建材工业出版社, 1995 : 201- 204.
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