[发明专利]高含水洪水揭河底冲刷临界条件综合判别方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种水文预报方法，特别涉及一种高含水洪水“揭河底”冲刷临界水流条件综合判别方法，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

“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，分析黄河小北干流及渭河河段发生“揭河底”冲刷的水沙条件，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，也因此导致了分析数据长度受限，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，当胶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,并利用作用在胶泥块水深方向的力平衡方程对水沙条件进行求解。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。 

关于“揭河底”现象发生的河床边界条件，目前的研究基本一致，即认为“揭河底”冲刷现象常常发生在复式断面的滩地或河道改道后的河槽中或是“晾河底”的河床上，并且河床具有可供揭起的有一定强度、结构密实的淤积物板块，在淤积物周围有较离散的沉积物或软弱夹层，河床具有相对宽浅的横断面形态。“揭河底”冲刷之所以常常发生在上述河床条件下，分析原因是因为上述河床淤积物存在裂隙，当洪水通过时，由于裂隙间中的振荡水体和脉动压力作用，导致裂隙发展，使胶泥块与周边淤积物粘着力减小，从而为具有一定结构强度的胶泥块揭掀创造了条件。对于抗冲性较强的胶泥块，由于裂隙中下潜水流作用，其周边淤积物被淘刷，随着淘刷历时，胶泥块的悬空面积越来越大，当满足揭掀条件时，胶泥层将 被掀起。胶泥块的这种揭掀模式已通过实验得到验证。关于发生“揭河底”冲刷的机理目前研究认为：发生“揭河底”现象的首要条件是河床淤积物具有层理分布结构，且层中具有一定结构强度的“胶泥层”；特殊的水沙条件提供了“揭河底”冲刷的动力；胶泥块上下表面脉动压力波传播速度不同引起的瞬时上举力是“揭河底”现象发生的真正机理。 

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。分析目前“揭河底”冲刷问题的研究文献可以看出：由于研究手段、方法、对象以及研究的侧重点等不同，“揭河底”的判别条件、判别指标尚缺乏统一的认识,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。 

发明人通过大量的试验和理论研究发现，根据“揭河底”现象发生的机理及胶泥块的揭掀模式，满足胶泥块可能揭掀的条件有四种，即（1）因力矩作用胶泥折断揭掀条件；（2）作用在胶泥块水深方向的作用力与胶块折断断面剪力平衡揭掀条件；（3）因力矩作用胶泥整片揭掀条件；（4）作用在胶泥块水深方向上作用力与胶泥块边界粘着力平衡揭掀条件。 

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，分别推导上述四种揭掀模式的临界水流流速，研究成果为预测某次洪水（水沙条件由”揭河底”河段上、下游水文观测站测定）通过”揭河底”冲刷易发河段时是否导致“揭河底”现象发生提供理论支撑。 

发明内容