[发明专利]一种高含沙洪水“揭河底”冲刷判别方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种水文预报方法，具体涉及一种高含水洪水产生“揭河底”冲刷的判别方法，属于泥沙动力学技术领域，IPC国际专利分类号为E02B1/00。

背景技术

高含沙洪水“揭河底”现象是黄河上的一道景观，一般发生在黄河中游小北干流段及渭河下游段。当高含沙洪水通过该河段时，前期经过一定时间淤积的密度较大、强度较高的胶泥块（河床淤积物），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（有的泥块直立两三分钟后才扑入水中），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”冲刷是高含沙水流与特殊河床边界相互作用产生的一种现象。“揭河底”冲刷往往导致河床强烈下切，有时一次洪峰可将河床冲深数米，导致河床及水位大幅下降，同时冲刷作用往往引起河道主槽的迁徙，对河道沿岸工程造成严重破坏，给黄河防洪带来巨大压力。

上世纪七十年代，“揭河底”现象就引起了国内外水利工作者的高度关注，并对此问题开展了研究。目前“揭河底”冲刷问题的研究方法分三类：第一类是利用原型水文站的实测资料，研究分析黄河小北干流及渭河河段发生“揭河底”现象的水沙条件，但由于高含沙河流水沙条件沿程变化较大，因此用”揭河底”河段上下游水文站的实测资料作为“揭河底”冲刷水沙条件的计算数据不准确，且由于“揭河底”现象形成的条件比较特殊，其发生的随机性较大，很难在实际中捕捉到跟随性较强的“揭河底”实测资料，也因此导致了统计数据长度受限，因此该方法提出的“揭河底”现象发生的水沙条件不具有说服力。第二类方法是利用水流挟沙能力的概念研究胶泥块起动时的水沙条件，但挟沙能力反映的是泥沙向下游输送过程中的运移情况，并不能反映胶泥块瞬时掀起时的动态力学关系，且胶泥块揭掀与单个泥沙颗粒的起动也有很大区别，因此，能否用挟沙能力的概念来反映“揭河底”问题，值得商榷。第三类研究方法是试验研究，该方法利用水槽试验模拟“揭河底”冲刷现象,并构建了两种胶泥块揭掀力学模型：一种是胶泥块底部被水流冲蚀，当泥块沿着与河床的连续部(固定端处)发生向上转动时，胶泥块前端处于悬臂状态；另一种是不考虑侵蚀冲刷情况，只考虑胶泥块边界与河床的粘着力构建力学分析模型,但这两种模型都是在胶泥块整片揭掀状况下对水沙条件进行的计算，均未考虑胶泥块本身结构强度（抗折强度）的影响。

目前“揭河底”冲刷问题的研究，由于研究手段、方法、对象以及研究的侧重点等不同，因此对“揭河底”的判别条件、判别指标、机理等尚缺乏统一的认识,且由于“揭河底”现象形成的条件比较特殊，其发生的随机性较大，很难在实际中捕捉到跟随性较强的“揭河底”实测资料，也导致了目前“揭河底”现象的研究受到制约。

河床淤积物块体能否被掀起，或者说能否产生“揭河底”现象，主要取决于各种条件的综合结果，其中包括前期河床淤积形态与调整情况、淤积物密度与相对糙度、淤积物块体形成情况及分层厚度、淤积物块体边界条件、淤积块本身的力学强度、洪峰流量与含沙量大小、洪水过程持续时间长短、河槽形态参数、层垂向脉动压力强弱、脉动压力在淤积物块体上下表面的相位分布与相位叠加概率等。

从“揭河底”冲刷问题目前的研究成果看，在推导“揭河底”冲刷临界判别条件时，综合考虑上述“揭河底”冲刷影响因素的研究文献尚未发现。本发明利用“揭河底”冲刷胶泥块力学强度试验数据，并考虑“揭河底”冲刷综合影响因素，推导“揭河底”冲刷的临界判别公式。

发明内容

本发明是在考虑“揭河底”冲刷综合影响因素条件下，构建胶泥块折断揭掀力学分析模型，并利用胶泥块抗折强度试验数据，计算胶泥块折断导致“揭河底”现象发生的临界水流条件。本发明采取的技术方案是：

一种高含沙洪水“揭河底”冲刷判别方法，包括以下步骤：

（一）、“揭河底”冲刷易发河段胶泥块抗折强度试验：

试验土样为取自“揭河底”冲刷易发河段的胶泥块，首先对试验土样进行重塑，具体方法是：将从“揭河底”冲刷易发河段原型河床取回的胶泥块碾碎，放入容器中加水搅拌，使泥沙絮凝沉积，通过风干形成胶泥块试样，并利用风干时间不同控制胶泥块试样的含水率；然后，对不同组次的胶泥块试样，利用抗折试验机测定抗折强度；

试验方法如下：

将胶泥块试样横放在抗折试验机的两根支撑圆柱上，试件长轴垂直于抗折试验机支撑圆柱，以50N/s±10N/s的速率通过抗折试验机的加荷圆柱将垂直荷载均匀地加在棱柱体的水平面上，直至胶泥块试样折断；利用式（1）计算胶泥块试样的抗折强度M，