高含水期曝河底现象的成因分析及临界判别指标研究

高含水期曝河底现象的成因分析及临界判别指标研究

1揭河底冲刷的力学过程所谓“河流底”，是指河床磨损的突变过程。它的特点是，大面积的固体沉积物（橡胶残留物）从河床上抬起，出现在水面上，倒塌、破碎并被水流冲散和带走。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,能亲眼目睹“揭河底”现象的人很少,素有黄河百年奇观之称。“揭河底”发生时,河床遭受强烈冲刷,在几小时到几十小时内,河床降低一两米乃至接近十米。韩其为对黄河中游出现的“揭河底”冲刷全过程在理论上做了专门研究,清晰地描述了“揭河底”现象发生的动态过程,揭示了其内在机理,并对“揭河底”发生时土块起动后上浮、转动、露出水面、下沉及水平运动等块体运动的不同阶段都进行了相应的力学分析,给出了“揭河底”发生的力学条件,为人们认识“揭河底”这一过程奠定了基础。“揭河底”是一个十分复杂的问题,由于缺乏针对“揭河底”发生时成块的片状淤积物受力状况及跟随性较好的水力泥沙因子变化实测资料,加之模拟技术和试验难度的限制,“揭河底”冲刷的理论研究和模型试验还有待进一步深化,提出的一些判别指标还缺少规范的原型资料和模型试验资料的验证。借鉴前人研究成果,江恩惠等通过大量的原型调查及资料分析,认为“揭河底”河段河床的层理淤积结构,特别是河床成层淤积物中胶泥层(块)的存在为“揭河底”发生提供了必要的前期条件,高含沙洪水为“揭河底”发生提供了必要的动力条件。同时,江恩惠等在文献中还进一步扩展了现有“揭河底”现象的概念,并根据扩展后的定义划分了“揭河底”发生的不同形式;基于“揭河底”模型试验研究,提出了“揭河底”发生的动态物理过程,即胶泥块形成、胶泥块逐渐淘刷、胶泥块失稳揭出、胶泥块翻出水面4个过程;最关键的是胶泥块失稳从河底揭起这一阶段,而这一阶段发生的真正原因是水流作用于胶泥块以后引起上下表面脉动压力波传播速度不同形成的瞬时上举力。本文将基于瞬变流模型对这一过程进行力学探讨。2瞬变流分析的f算式天然淤积形成的胶泥块往往是不规则的。为了便于理论分析,假设胶泥块为一矩形,长为L,宽为b,厚为δ,胶泥块的面积A=b×L,胶泥块的容重为γS,胶泥块表面处水深为h,胶泥块上面存在一粗沙层,厚度为δ1,容重为γ′S。并假设“揭河底”发生时的流量为Q,断面平均流速为U,水面比降为J,平均河宽为B,含沙量为S,浑水容重为γm,g为重力加速度。在胶泥块揭起的瞬间,其受力分析如图1所示。考虑胶泥块水平方向受力平衡(F1=F2),可得下式:式中:GS为胶泥块重量,记为γsAδg;P1为胶泥块所受的水压力,记为γmA(h-δ1)g;P2为悬空段下部水流对胶泥块的上浮力,记为γmA(h+δ)g;P3为粗沙层对胶泥块的压力,记为γ′sAδ1g;Fd为由水流紊动能产生的上举力;Fμ为胶泥块底面与下层一般淤泥之间的黏结力,下面分别讨论之。Fd是一个随时间而变化的面积力,随时间T的延长,胶泥块底部的淘刷长度也逐渐增加,Fd也会因作用面积增加而增大。刘沛清等大量试验表明,Fd主要受Q、S、B、J、h等因素的影响。因此,可将其表示为如下形式:其中,f(Q,S,B,J,h)为胶泥块单位长度受的上举力。随着冲刷历时的延长,面积力Fd越来越大,受载能涡漩及水流扰动的影响,胶泥块周围的粗颗粒泥沙相应起动,其上表面的泥沙颗粒逐渐被冲向下游,此时因粗沙层的厚度δ1越来越小,对胶泥层的作用力P3相应变小,胶泥块揭起的瞬间,胶泥块与下面泥沙层完全脱离或大部分脱离,胶泥块周围泥沙对此作用的黏结力也大大减小。为问题简化其见,胶泥块揭起瞬时,两者均忽略不计。整理后可得胶泥块从河底被揭起并露出水面的临界力学条件,如式(3)所示:在揭起的瞬时,胶泥块受到的上举力Fd也达到最大值。在此,将此时的上举力定义为瞬时最大上举力,以Fmax表示。则式(3)可进一步表示为:对于脉动压力在缝隙中的传播,上举力的产生、发展及最大上举力的预测等问题,国内外许多学者从不同角度提出过诸多模型,如G.Rehbinder提出的渗流模型;赵耀南等提出的水体振荡模型;Fiorotto和Rinaldo提出的瞬变流模型。刘沛清在文献[8~10]中引入瞬变流模型,详细分析了脉动压力波的传播规律,据此推导出最大脉动上举力Fmax,并表示成如下形式:式中:σp为胶泥块上脉动压强的均方根值;Ls为脉动压强的积分长度。σp可以下式表示:按照量纲分析,式(6)可改写成:将式(7)中的函数写成线性关系,整理得:式中:k′为线性系数。“揭河底”发生时的表现形式不同预示着揭起的胶泥块尺寸不同。对于发生“揭河底”的常见形式,揭底发生时LS≈L,则此时胶泥块所受的瞬时最大上举力为:对于“揭河底”的一般形式而言,揭起的胶泥块块体尺寸很小,此时若假设LS<<L,LS/L≈0,则瞬时最大上举力为:由上述推导可以看出,不同“揭河底”现象表现形式不同,其系数的变化差别为3~4.2。即Fmax=(3~4.2)σpA。这一点与崔广涛建议的Fmax=(3~4)σpA基本吻合,与刘沛清通过试验得到的结果Fmax=(2.5~4.2)σpA也基本一致。将式(8)代入到式(9)及式(10),“揭河底”不同表现形式下的瞬时最大上举力可合并为式(11)所示的形式:由于k′为线性系数,令K=3k′,式(11)可进一步整理为:将式(12)代入“揭河底”现象发生的临界力学条件(4),整理可得:式中:K为线性系数;其余符号同前。单位为kg·m·s制。从式(13)可以看出,当水流含沙量S越大时,γm的值越大,则的值就越小,此时胶泥块就容易起动;平均流速V越大,胶泥块亦越易起动;河床比降J越大,胶泥块亦越易起动,胶泥块的厚度δ越小,胶泥块亦越易起动。为了便于表述,在此用E′表示“揭河底”发生的临界力学条件式(13)的左项,即用G′表示式(13)的右项,即E′代表水流的紊动强度,G′代表淤积物的重力作用,“揭河底”发生的物理本质正是水流的紊动作用与重力作用的对比关系。即,当时,说明水流的紊动作用占主导地位,此时在前期一定的河床条件下就可以发生“揭河底”现象。需要进一步说明的是,在“揭河底”临界力学指标的建立推导过程中,计算瞬时最大上举力时引进了系数K,由式(13),K的临界值也可以看作之比的临界值,若令:则,K≥Δ时,即发生“揭河底”现象;K<Δ时,不发生“揭河底”现象。下面结合模型试验,确定系数K值。3水力泥沙参数分析黄河水利科学研究院利用不同粒径的粉煤灰模拟了天然河道中河床分层结构,并利用水槽试验成功模拟了“揭河底”现象,测定了相关水力泥沙参数。根据试验情况,对不同胶泥块揭起未露出水面、揭起、未揭起等不同状态下的Δ值进行计算。各参数及计算的Δ值见表2所示。上表可见,Δ等于0.2时,为一临界值。Δ>0.2,不发生“揭河底”;Δ<0.2,发生“揭河底”。在此,取“揭河底”临界K值为0.2。则,“揭河底”发生的临界力学条件可进一步表示为:4揭河底的识别利用其它组次的“揭河底”模型试验资料、2004年小北干流放淤输沙渠内“揭河底”资料及原型黄河干流发生“揭河底”时龙门站马王庙的资料对揭底临界条件进行验证,数据列入表3。从验证结果来看,计算的临界条件能够准确地判别是否发生揭底。为直观起见,点绘相关关系如图2所示。图2表明,本文提出的临界力学条件能够很好识别“揭河底”现象,可以为预测原型“揭河底”的发生提供理论依据。需要说明的是,图2中模型试验资料和小北干流放淤输沙渠内的资料跟随性较好,所以点子分布在45°线附近,而原型的点子明显远离45°线,再次验证了焦恩泽对以往“揭河底”发生指标所采用数据的质疑。杜殿勖通过系统分析小北干流“揭河底”实测资料认为,发生“揭河底”时,流量应大于5000m3/s,含沙量应大于400m3/s,此时平均流速为5m/s,按本文提出的判别条件计算其揭起的厚度为0.51m,该值与“‘揭河底’掀起的块体厚度有半米左右”的说法完全吻合。5试验成果的应用本文基于瞬变流模型建立了“揭河底”发生的临界力学指标,并根据室内“揭河底”模拟试验资料确定系数K值为0