黄河小北干流“揭河底”冲刷机理及对策探讨.

1、黄河小北干流“揭河底”冲刷机理及对策探讨摘要：“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

2、 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 318 公里, 平面形态呈哑铃状，河床纵比降上陡下缓 ,为 36%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

3、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

4、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24m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 23 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

5、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1951.8191321954.8.31 9.6175006051.691322有大摆动1964.7.6 7.7102006953.60909有大摆动1966.7.167.2074609337.50731无大摆动1969.7.26 7.2988607402.85492有大摆动1970.8.1 8.5138008269.0

6、0900有大摆动1977.7.6145006904.00716有大摆动1977.8.6 12700 821 2.00 71 0 有大摆动2002.7.5 4600 7901.5 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 36%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

7、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8 h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

8、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

9、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

10、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

11、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，与淤积物密度丫 s、浑水体密度丫 m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

12、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

13、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 14号坝和原下峪口工程 417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。四、山洪灾害的防御 山洪

14、灾害的防御是一个系统工程，涉及面广，同时也是防汛救灾工作的难点和重点，而且对山 洪灾害尚未专门的投资渠道，管理体制尚未建立健全，因此，必须采取切实可 行的措施进行系统综合的防御。（一）进一步加大宣传力度，增强防御山洪灾害的意识。山洪灾害是我市最大的自然灾害之一，暴发突然、破坏力大， 且无灾发预感，要降低灾害损失，首先要提高防御山洪灾害的认识，牢固树立 防御山洪灾害的思想，要在防汛宣传时加大对山洪灾害防御的宣传力度，并广 泛利用广播、报纸、电视台等新闻媒体造成宣传声势。同时要充分利用中央电 视台和省电视宣传的权威性和大范围宣传效应，制作公益广告和科技专题，持 之以恒，注重实效，真正做到人人皆知，

15、家喻户晓。 （二）深入调查研 究，划定山洪灾害范围。对山洪灾害的综合防治是一个新的课题，必须组织力 量进行系统的研究和论证，寻找适合本地实际的优化防治方案。可以由防汛指 挥部组织地矿、水利等部门对山洪灾害易发区进行一次全面的调查研究，根据 不同地域的气象、水文、地理、地势及居住人口数量等各种因素，分析其成灾 机率和遭灾的可能程度，分级划出警戒区域，并在明确的特级、 I 级、 II 级等 警戒区要划界立标，严格控制生产、居住和建设。 （三）统一规划，部门 协同，坚持依法防治山洪灾害。山洪灾害防御涉及到社会的各个方面、各个部 门，需要社会各部门通力协作。在统一规划的基础上，逐步实现山洪灾害的综 合

16、治理，水利部门要严格按照防洪法、水土保持法、湖南省实施 （防洪法）办法的有关规定，严格实施项目建议书和涉河项目审批制度，加 大水土保持、中小河流治理，做好河道的清障划界等工作；国土部门要进一步 严格单位和个人的建设用地审批、指导人们主动避险建房，避险修路采矿；城 镇部门要加强城市（镇）尤其是小城镇和农村建设的规划，对工程建设要专门 进行防洪论证，山洪灾害的防御措施论证，并做好质量监督工作；林业部门要 大力开展退耕还林、封山育林等工作。 （四）制定紧急避险预案，减少山 洪灾害损失。目前，在工程措施不足以抵挡特大山洪的情况下，要各地进一步 抓紧做好和完善避灾预案，对划分的山洪灾害易发区和山洪灾害诱

17、发隐患区以 及病险水库下游低洼地区，尤其是对所划定的特级、 I 级警戒区均要制定切实 可行的避灾方案，并在特级、 I 级警戒区要树立永久性界碑，一旦进入警戒状 态，要按市 乡村组 户的次序，必须在最短的时间内发出紧急避灾信号，并 落实好转移路线和人员安置方式。 （五）加大资金投入，开展山洪灾害治 理。由于暴雨山洪的突发性很强，而现有的气象测报对小流域特大暴雨很难预 测，提前避险转移的时间很短。因此，从目前来看，必须坚持“以防为主，防 治结合，防避结合”。但我们认为：治是根本，防是关键，避是重要手段。从 现在开始，必须加大资金投入，全面展开对山洪灾害的治理，从根本上减轻山 洪灾害的损失。一是要做好山洪的坡面治理，通过采取合理的农业耕作措施、 坡面林草、禁止新开坡土梯田、封山固沙、护坡固脚等措施，由小流域向全流 域展开。二是要进一步做好河道整治保护。要采取严厉手段坚决制止在沿河两 岸任意倾倒堆放废渣废料，防止工矿企业废渣进入河道。同时要加强河道的疏 通治理，河道治理时要有统一的防洪规划，并严格按照规划实施。要严格涉河 项目的项目同意书和工程建设审批制度，妥善处理好与小城