黄河小北干流“揭河底”冲刷机理及对策探讨(1)

摘要：“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。发生“揭河底”冲刷应具备二个条件:一是边界条件，即河床调整达到临界状态。二是水沙条件，即高含沙洪水持续时间长,且洪峰与沙峰过程基本相应。初步认为：在高含沙水流中，低频大中尺度紊动能量增加，由湍流猝发现象而引起的扫荡冲蚀、切削破坏作用都不断增强，同时伴随着空化空蚀现象，从而引发“揭河底”冲刷。“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。防治“揭河底”冲刷关键在于改善河床边界条件和水沙条件。据此提出了加强水土保持和工程维修加固，加大河道治理力度，适时调水调沙，开展引洪放淤，完善落实防汛责任体系，建立完善预警报警系统，切实做好监测预报和抢险救护工作等治理对策。

关键词：黄河 小北干流 揭河底 冲刷机理 对策探讨

　　黄河小北干流（禹门口至潼关）河段全长132.5 km, 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1107.67 km²,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—22 h，最短仅6 h，最长达68 h。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

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0.35 mm,且粒径小于0.01 mm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。

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