K
v2 J gd
#
s- m
m
( 3)
式中: K 为系数; v为平均流速; J为比降; g为重力加速度; d为胶
泥块的厚度; s 为胶泥块的湿容重; m 为浑水容重。 江恩惠在系统研 究分析的基础上, 还 利用不同粒 径的粉煤
灰在水槽中模拟了天然河道中 的河床分层现象, 并在 试验中成
功复演了 ! 揭河底 ∀ 现象, 同时验证 了构建的 ! 揭河 底 ∀ 物理图 形的正确性。继而, 通过 多组次 ! 揭 河底 ∀ 试验, 测取了相 关跟 随性较强的试验资料 , 确定了 ! 揭河底 ∀ 现象的关键参数 K 的取 值为 0. 2。
黄河下游二级悬河的形成 与下游河道典型 的复式断 面、暴 涨暴落的洪水特征有 着密切的关系, 特别 是逐步减小 的洪峰流 量、洪水频次, 使漫 滩水 流的 几率大 大减 小。即使 发生漫 滩洪 水, 滩地上的水深、流速也均明 显小于主槽, 挟沙能力 必然小于 主槽, 而含沙量横向梯度的存在和上述滩 槽水沙交换 的特殊规
阶段的力学条件。土块起动流 速公式为
v2b. c (D 0 ) =
63. 25
4 /3
2
-
[ 4
s- m]
m
式中: vb. c (D 0 ) 为粒径 D 0 的单颗 粒泥沙起 为浑水容重。
( 2) 为土 块的
收稿日期: 2010 03 26 作者简介: 江恩惠 ( 1963% ), 女, 河南新 安人, 高级工 程师 ( 教授级 ) , 博 士研究 生, 研究方向为河床演变与河道整治。 E m ai:l ehjiang@ y rihr. com. cn
& 6&
2. 2 二级悬河的相关基础研究
上述资料分析再 次验 证了河 道横 向不平 衡输 沙逐步 形成 了二级悬河的形态。长期以来, 国内外学 者对冲积性 河流的横 向泥沙交换及黄河下 游泥 沙的纵 横向 分布规 律进 行了深 入的 研究。高季章等 [ 8] 研究认为: 含沙量横向分布在滩槽 交界面附 近变化最大, 往滩槽交界面 两侧 逐渐 减小; 江恩 惠等 [9] 对 黄河 下游纵横断面的调整 规律、水沙运移及交 换特征等进 行了大量
表 1 黄河下游 1950% 1977年高含沙洪水特征值
统计时段或洪水场次
1950% 1977 年 18场高含沙洪水 1970年 2 场高含沙洪水 1977年 2 场高含沙洪水
水量 / 亿 m3
12 762. 5 330. 7 35. 17 45. 53
沙量 / 亿t
409. 1 74. 3 9. 26 15. 36
时胶泥块的重力项; E ∃ 大于 G ∃时, 即发生 ! 揭河底 ∀ 现象。通过 试验资料点绘的相关关系见 图 2, 可以看 出笔者 建立的 公式的 正确性, 同时进一步验证了韩其为公式的适用性及扩展性。
律, 必然造成近主槽滩 地的淤 积量 明显偏 大, 越往 两侧淤 积量 越小, 二级悬河的形成与发展只是迟早与快慢的事。
特性, 形成了典型的层理淤积。来自细泥 沙来源区的 洪水因极 细沙含量高, 易发生 絮凝沉 降, 在絮 凝体沉 淀、压密 的过程 中, 逐渐形 成成片的、密实度 极大的胶 泥层, 常称之为 ! 透镜体 ∀淤 积或 ! 胶泥层 ∀沉积。这 一点在 黄河小北 干流河 段 8个断 面的 现场开挖中得到了 证实: 每个 断面 都存 在着明 显的 分层现 象, 其中 5个 开挖断面 都存在密实 的胶泥层, 有的 胶泥层厚 40 cm 左右。 ! 揭河底 ∀前期河床层理淤积情况见图 1。
反映。图 3为该河段 来童 寨断面 滩唇 与嫩滩 滩边 高程的 变化 情况, 可知滩唇高 程的 升高主 要发 生在 1964% 1973 年和 1985 年以后这两个时期。前一时期为三 门峡水库 滞洪排沙运 用期, 经常出 现 ! 大 水带小沙、小水带 大沙 ∀的不利水 沙组合, 后一时 期为长期的枯水枯沙 系列 (但从水、沙量上 看, 该时期 水的减少 更甚于沙量 的减 少, 且经 常出 现小 水带 大沙 和 高含 沙 洪水 )。 从嫩滩滩边高程的变化看, 这两个时期 变化都较 小。两种趋势 发展的结果使滩面横 比降增大, 二级悬河发展较快。在 1973% 1985年, 由 于三门峡水库 ! 蓄清排浑 ∀控制 运用, 加之该 时期水 量较丰, 因此下游河道呈淤滩刷槽的特性, 滩边 高程增大, 滩唇 高程变化不大, 二级悬河的发展有所减缓。
1. 2 ! 揭河底 ∀现象发生的机理
张瑞瑾提 出了 ! 揭 河底 ∀发 生的 必备 条 件 [ 8]: 一 是河 床上 大片淤积物能被水流 掀起, 即满足
图 1 ! 揭河底 ∀现象前期河床的层理淤积 二是掀起的淤积 物能被水流带走。王 尚毅从泥沙 有效悬浮
功原理入手, 对 ! 揭河底 ∀ 冲刷机理开展了 研究, 在对黄河小北 干流资料进行分析后 得出 [3] : ! 揭河 底 ∀ 冲刷 的主 要条件 是来
2. 1 二级悬河的形成过程
根据黄河水利科 学研 究院近 年来 对水沙 条件 变化及 河道 纵横剖面调整的研究 成果, 认为横断面调 整主要取决 于来水来 沙条件。江恩惠等 [ 7] 对典 型断面 的滩 唇变化 情况 进行了 初步
分析。花园口 % 东坝头河段由 于存在 1855年铜 瓦厢决 口形成 的老滩, 从二级悬河的 形成过 程分 析, 河道的 淤积 主要发 生在 主槽与嫩滩, 因此这一河段长期不利的水 沙系列组合 对二级悬 河的影响可以通过主 槽滩 唇高程 以及 嫩滩滩 边高 程的变 化来
学研究院的实体模型 试验均表明, 槽壁附 近相对于其 他流区有 更多的不同尺度的 旋涡, 此处 流速 变幅较 大, 并有 反向流 速存 在。正因为如此, 边流区大量的泥沙不断在两岸边壁 ( 坡 )处沉 积, 河槽水面宽 度逐 渐 减小, 边 坡 坡度 变 陡, 河槽 变得 相 对窄
深, 水位抬升; 随着 窄深河 槽的 逐渐形 成, 水流 速度 加快, 单宽 流量增大, 因而水流挟沙能力有所增强, 河槽出 现冲刷, 水位降 低; 河床冲刷下切后, 河槽 变得 更加窄 深, 床面 粗化, 水流 与河 槽变得不相适应, 浑水水流挟沙能力降 低, 于 是床面冲刷 停止,
将韩其为与江恩 惠分别建 立的 ! 揭河底 ∀临 界条件 均稍作
变换, 可得
(
263.
4) v2b. c (D 0 25 4/3D 0
)
=
s- 1
m
( 4)
0. 2 v2J # s - 1
( 5)
gd
m
式 ( 4) 及式 ( 5) 等号左边用 E∃ 代替、右 边用 G∃ 代替, 则可
以看出, E ∃表示 ! 揭河底 ∀ 发 生的动 力项, G∃ 为 ! 揭河 底 ∀ 发生
k
v2 2g (A t) 1 /3
#
∃- m
m
( 1)
式中: k为系数; v为平 均流速; A 为淤积物的平面 面积; t为淤积
物厚度; ∃ 为淤积物的湿容重; m 为浑水容重。
1 ! 揭河底 ∀现象及有关研究
所谓 ! 揭河底 ∀, 指的 是黄 河小 北干 流在 通过 高含 沙 洪水 时, 河床常常发生强烈冲刷, 一 场持续 1 ~ 2 d的 洪水可 以将河 床冲深近 10 m, 有时现场还可以看到有厚达 1 m 左右的成块河 床淤积物被水流掀 起的现 象。 ! 揭 河底 ∀是黄河 极度非 平衡输 沙的一个典型 现象。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成果 [ 1- 7] 。
1. 1 发生 ! 揭河底 ∀的河床边界条件
韩其 为、江恩惠 等的研 究均表 明: 前 期河床 中存在 的胶泥 层淤积物或者说河床成层 淤积分 布是 ! 揭河 底 ∀发生的 前提条 件。分析小北干流河段及以上 的水系分布可知, 其上 游粗沙区 和细沙区不同的支流 、不同的洪水来源和 组成具有不 同的冲淤
淤积增加, 水位抬高。 漫滩高含 沙洪 水的 造 床规 律与 非 漫滩 高 含沙 洪水 不 同。
东坝头 % 高村河段河道横 断面形态与上述 不同, 可以通过 滩唇高程以及堤根 高程 的变 化来反 映。图 4 为马 寨断面 的变 化情况, 可以看出其变化趋势与花园口% 东坝头河段基本一致, 但 二级悬河的局面要严重得多, 滩唇与堤根的高差为 2~ 3 m。
图 2 ! 揭河底 ∀判别关系
2 二级悬河发展机理研究
了 ! 揭河底 ∀现象发生过 程中胶 泥块周围 泥沙颗 粒遭受 水流淘 刷、悬空, 进而从河 底揭起 的内 在力学 机理, 即 胶泥 块表面、底 面脉动压力波的传播 速度有着明显的不同, 表面与底 面的脉动 压力波传播会对胶 泥块 形成 巨大的 瞬时 上举力。 当上举 力达
到一定程度时, 胶泥块将失稳从河底揭起, 形成 ! 揭河底 ∀现象, 临界起动条件为
沙全部为非造床质、水流作用在床面上的 切应力大大 超过河床
的不冲引力以及存在 固性床面等。
韩 其为 [ 4] 认 为 ! 揭河 底 ∀现象 不但与 水流 条件 有关, 还与 沉积物分层有密 切联 系, 并 针对 黄河 中游 出现 的 ! 揭河 底 ∀现
象, 清晰地描 述了其发生 的动态过 程, 给 出了 ! 揭河底 ∀现象土 块起动后上升运动、上 浮、转动、露 出水面、下 沉及 水平运 动等
淤积量 / 亿t
96. 0 48. 6 6. 52 9. 94
江恩惠等 [ 9- 10] 在对高含沙洪水造床规律的研究中发现, 高 含沙洪水对二级悬 河的 发展 起到了 一定 的推动 作用。非 漫滩
高含沙洪水近壁流 区受流 速较 小, 因而水 流挟 沙能 力较小, 不 能挟带高含沙量随水 流下行。H inze的水 槽试验和黄 河水利科
摘 要: 简要总结了黄河小北干流 ! 揭河底 ∀及下游二级悬河等典型河床演 变现象的 相关研究成 果。河床层理 淤积及黄