心得體會：黃河“揭河底”沖刷機理及防治“揭河底”現(xiàn)象，是指河床沖刷的一種突變過程，其特點是大片的固結(jié)沉積物（膠泥塊）從河床上掀起，有的露出水面，然后坍落、破碎，被水流沖散、帶走。“揭河底”素有黃河百年奇觀之稱，其形成條件比較特殊，包括長年工作在黃河岸邊的水利工作者和沿黃群眾，也很少能親眼目睹“揭河底”現(xiàn)象。據(jù)統(tǒng)計，1950年以來，黃河小北干流共發(fā)生了 12次“揭河底”現(xiàn)象，最近一次出現(xiàn)“揭河底”現(xiàn)象是在 2002年7月，發(fā)生在小北干流山西河津河段大、小石嘴工程之間，河務(wù)工作者趙國勤抓拍到了這一現(xiàn)象。當(dāng)時，中央電視臺新聞聯(lián)播欄目也對這一自然現(xiàn)象進行了及時報道，并引起強烈的社會反響，新華網(wǎng)、《人民日報》等媒體以及各大網(wǎng)站紛紛轉(zhuǎn)載。“揭河底”發(fā)生時，河床易受到強烈沖刷，在幾小時到幾十小時內(nèi)，使河床降低一兩米甚至近 10米，一定程度上能恢復(fù)河道過洪能力； 但同時，沖刷又往往引起河道主槽的遷徙，使工程著溜部位不斷變化，容易造成河道工程沉蟄、坍塌，如1977年7月6日黃河小北干流河津清澗灣工程垮壩 2097米，就與“揭河底”有關(guān)；特別是由于河槽大幅度沖刷，大河水位下降，致使沿河機電灌站脫流，嚴(yán)重影響到沿岸工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，如 1977年渭河臨潼一帶的“揭河底”沖刷使東方紅抽水站的進水口露出水面，在盛夏酷暑期間，百余萬畝的灌區(qū)竟無水可引。鑒于“揭河底”沖刷對黃河防洪、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來的巨大影響，國內(nèi)外學(xué)者對此給予了極大關(guān)注，并開展了大量的研究，取得了一定進展。但是，由于缺乏原型跟蹤性較強的實測資料，加之人們對復(fù)雜河床演變規(guī)律認(rèn)知水平的局限性，造成人們對“揭河底”沖刷的認(rèn)識還具有片面性，對機理的揭示還存在明顯的缺陷，研究缺乏系統(tǒng)性，也因此影響了對“揭河底”發(fā)生時引起的工程技術(shù)問題的深入探討。本文對“黃河‘揭河底’沖刷機理及防治研究”項目組近 10年的研究成果做一簡單介紹?！敖液拥住备拍畹耐卣寡芯勘砻鳎骸敖液拥住卑l(fā)生時的流量變化范圍為 564至14500立方米每秒，含沙量變化范圍為 98.6至933千克每立方米，過去已有研究成果認(rèn)為的流量與含沙量指標(biāo)，并不是“揭河底”發(fā)生的充要條件。此外，調(diào)研中搜集的小北干流引洪放淤輸沙渠和小浪底庫區(qū)“揭河底”現(xiàn)象的相關(guān)資料表明，河床底部的膠泥層沉積并不需要太長時間，只要其沉積強度達到一定量級即可。由于河床沉積物結(jié)構(gòu)形態(tài)千差萬別，水流條件也各不相同，因此， “揭河底”發(fā)生時掀起的膠泥塊也有大有小、厚薄不一、形態(tài)各異；“揭河底”沖刷既不能等同于高含沙洪水作用下河床的“一般沖刷”，也不能僅限于我們常見的典型表現(xiàn)形式。本次研究將“揭河底”沖刷概念予以拓展。認(rèn)為：在一定水流和河床邊界條件下，河床上沉積的淤積物只要以成塊的形式被水流揭起、脫離河底的現(xiàn)象都稱為“揭河底”現(xiàn)象。并在此基礎(chǔ)上，將“揭河底”沖刷分為 3種形式，即一般表現(xiàn)形式（揭底并露出水面）、潛移表現(xiàn)形式（揭底未露出水面）、極端表現(xiàn)形式（全斷面大規(guī)模揭底）?！敖液拥住卑l(fā)生條件及河床層理淤積特征的形成機理通過對黃河及其支流發(fā)生“揭河底”現(xiàn)象的實測資料研究，認(rèn)為“揭河底”現(xiàn)象發(fā)生應(yīng)具備兩個前提條件：一是河床呈明顯的層理淤積結(jié)構(gòu)特征，存在具有一定強度的成塊（成層）膠泥層，且下面有膠結(jié)強度極低的散粒體淤積物；二是揭底河段發(fā)生一定的洪水過程，水流能量達到揭掀條件。河床層理淤積特征的形成機理與黃河中游地區(qū)特殊的氣象水文、暴雨洪水特性以及黃土高原特殊的下墊面條件緊密相關(guān)。細(xì)泥沙來源區(qū)的洪水歷時長，極細(xì)顆粒泥沙含量較高。相反，粗泥沙支流來的洪水峰型尖瘦、歷時短、泥沙粒徑粗，相應(yīng)的極細(xì)顆粒泥沙含量較低。細(xì)泥沙來源區(qū)的洪水，由于大量極細(xì)沙的存在，增強了泥沙在沿程淤積過程中的絮凝作用，使得在泥沙沉降過程中，細(xì)泥沙在絮凝作用下首先連結(jié)成絮團，絮團與絮團再逐步連結(jié)成集合體，集合體甚至還會搭接而形成網(wǎng)架，搭建成一個高蜂窩狀結(jié)構(gòu)，進而在逐步沉淀、壓密過程中形成不同尺度的膠泥塊；而粗泥沙來源區(qū)的洪水，由于極細(xì)沙含量少，形成絮凝沉降的概率低，而相應(yīng)的粗泥沙在沉降過程中，包圍或覆蓋在膠泥塊（層）上，形成人們常說的“透鏡體”淤積形態(tài)。正是在不同粒徑泥沙來源區(qū)洪水交替淤積作用下，逐步形成了河床層理淤積分布特征。不同河段發(fā)生“揭河底”現(xiàn)象時的河床演變規(guī)律通過對黃河干流不同河段和有關(guān)支流發(fā)生“揭河底”前后橫斷面形態(tài)調(diào)整變化情況的對比分析，發(fā)現(xiàn)：河道的河型不同，“揭河底”前后橫斷面形態(tài)調(diào)整變化的表現(xiàn)特征也不同。黃河小北干流游蕩性河段發(fā)生“揭河底”時，河道出現(xiàn)明顯的貼邊淤積，引起河道過水?dāng)嗝娴募眲p小，河道由寬淺變?yōu)檎睿纬傻湫偷南鄬φ詈硬?，同時往往伴隨著大幅度的河勢擺動。龍門水文站及以上大北干流的峽谷型河段和延水等河道兩邊岸壁約束條件較好，“揭河底”發(fā)生時河床一般發(fā)生整體平行下切。渭河、北洛河等河勢變化時有一定的擺動幅度但劇烈程度相對弱一點，“揭河底”發(fā)生前后河道斷面始終為相對窄深河槽，僅主槽深泓位置發(fā)生變化。通過對“揭河底”沖刷過程中水位、河床高程等變化情況的深入對比分析，發(fā)現(xiàn)“揭河底”沖刷期河道橫斷面形態(tài)調(diào)整過程可以分為 4個階段：第一階段為“揭河底”沖刷前一般沖刷階段，即膠泥層表面沉積物沖刷階段；第二階段為河底高程基本不變階段，此階段主要是洪水對膠泥塊的淘刷，河床高程不降低或降低很少，甚至在深泓點部位還可能會出現(xiàn)少量的上升，此時是發(fā)生“揭河底”劇烈沖刷的前奏，水流正在為發(fā)生“揭河底”沖刷創(chuàng)造條件；第三階段為膠泥塊揭起河床快速下降階段，河床中黏性土淤積物被掀起，河床高程快速下降；第四階段為“揭河底”后期持續(xù)沖刷及回淤階段，是高含沙洪水落峰階段，河床首先表現(xiàn)為持續(xù)一段時間的較小幅度沖刷，然后隨著洪水減弱，河床出現(xiàn)一定程度的回淤?！敖液拥住爆F(xiàn)象的物理圖形及臨界判別條件基于大量的“揭河底”觀測資料分析，項目組構(gòu)建了清晰的“揭河底”沖刷現(xiàn)象的物理圖形，并將其概括為 4個動態(tài)過程，即：膠泥塊沉積形成、膠泥塊底部逐漸淘刷、膠泥塊失穩(wěn)揭出、膠泥塊翻出水面后跌落?；跇?gòu)建的“揭河底”物理圖形，項目組從高含沙水流紊動能特性入手，揭示了“揭河底”現(xiàn)象發(fā)生的機理。認(rèn)為，在膠泥塊底部遭受水流淘刷的過程中，膠泥塊周圍泥沙顆粒逐步進入水流中，膠泥塊發(fā)生懸空現(xiàn)象；進而，膠泥塊表面、底面脈動壓力波的傳播速度出現(xiàn)明顯的差異，膠泥塊的表面與底面的脈動壓力波傳播會出現(xiàn)一個最大一個最小的對稱現(xiàn)象，對膠泥塊形成巨大的瞬時上舉力，當(dāng)上舉力達到一定程度時，膠泥塊將失穩(wěn)從河底揭起。基于瞬變流模型，項目組系統(tǒng)分析了“揭河底”發(fā)生過程中各階段的受力情況，論證了瞬時最大上舉力的成因，并對不同形式的“揭河底”現(xiàn)象建立了統(tǒng)一的臨界力學(xué)判別指標(biāo)。項目組還在長30米、寬1米的水槽上，通過引進美國 TekScan公司生產(chǎn)的片狀薄膜式壓力傳感器，采集了“揭河底”沖刷時“膠泥塊”底部受到的上舉力實時分布情況，并由此確定了臨界力學(xué)判別指標(biāo)中的 K值。并利用模型試驗、放淤輸沙渠、原型資料驗證了公式的正確性。“揭河底”沖刷河段的工程防護措施和相應(yīng)對策項目組通過概化水槽試驗，研究了“揭河底”沖刷發(fā)展過程、出險機理。試驗表明，“揭河底”洪水沖刷期與一般高含沙洪水沖刷相比，上下跨角之間的沖刷坑形狀和沖刷坑變化不大， 最終的沖刷深度也基本一致， 但中間過程差異顯著，當(dāng)發(fā)生“揭河底”沖刷時，沖刷坑深度會出現(xiàn)急劇增加現(xiàn)象，這正是由“揭河底”沖刷發(fā)生的突然性、瞬時性等特點決定的，是“揭河底”極易造成工程出現(xiàn)墩蟄、垮塌等重大險情的內(nèi)在機理。另外，在模型試驗中模擬揭河底現(xiàn)象時，水位有短暫的異常升高，水流漩渦最強的部位并不是人們通常認(rèn)為的位于揭起的“膠泥塊”的前端，而是位于揭起的“膠泥塊”的后方，這一發(fā)現(xiàn)可以有效避免搶險的盲目性。項目組建議在“揭河底”沖刷發(fā)生時，要堅持防備為先、防搶并舉、工程和非工程措施相結(jié)合，從而有效防御和搶護險情，盡力減少災(zāi)害損失，保證工程安全。結(jié)論本次通過對“揭河底”現(xiàn)象的研究，主要取得以下認(rèn)識。1.黃河及其支流特殊水沙過程形成的特殊的河床層理淤積結(jié)構(gòu)是發(fā)生“揭河底”現(xiàn)象必備的前期邊界條件；特殊的洪水過程為“揭河底”現(xiàn)象的發(fā)生提供了動力。2.“揭河底”沖刷期河道橫斷面形態(tài)調(diào)整過程一般包含 4個階段：“揭河底”前的一般沖刷階段、河底高程基本不變階段、膠泥塊揭起河床快速下降階段和 “揭河底”后期持續(xù)沖刷及回淤階段。真正發(fā)生“揭河底”沖刷的時間段為第三階段