“揭河底”冲刷期胶泥层底部紊动能传递规律实验研究

River bed block blowing ups , which are found to occur in hyper-concentrated flood of the Yellow River, is a special phenomenon in the processes of flow, sediment transport and channel adjustment, leading to strong local erosion in the forms of a large block of bed being lifted violently and quickly to the surface of the river. It has huge impacts on flood control, industry and agriculture. The reaserch project applicant has made some initial research results about the critical mechanic condition for its occurrences on an indoor model. However, the condition is found poor in practicability and predictability because lacking observed data to support for the cause and mechanism of uplift force under the bottom of clay block. .Therefore,this project intends to reveal the law governing turbulent energy transfer at the bottom of clay layer, real-time dynamic uplift temporal and spatial distribution in the bed block blowing up to determine key parameter, K, in the critical condition by studying processes of the weak layer incaving under the clay layer, and the turbulent structure developing under the bottom of clay layer for flow of various intensity, by using advanced measuring and sensors in the systematic flume experiments. .This research will be of important academic significance and practical value in better understanding of hyper-concentrated flow and consolidated cohesive sediment incipient , and enriching the sediment dynamics.

"揭河底"现象多发生在黄河高含沙洪水期间，是水沙运移及河床调整变化过程中的一种特殊现象，大片河床淤积物被剧烈快速地揭掀而起，造成局部河道的强烈冲刷，对防洪安全、工农业生产等都有着巨大的影响。申请人前期研究已成功开展了室内"揭河底"模型试验，并初步提出了"揭河底"发生的临界力学条件。然而，目前关于河底胶泥块底部上举力的成因及作用机理尚缺乏实测资料的支持，使得"揭河底"临界力学条件实用性及可预测性较差。因此，本课题拟在前期研究基础上，引进先进的观测设备，开展系统水槽试验，探讨不同水流强度下胶泥块下面薄弱层的淘刷及胶泥层底部水流紊动结构发展过程，揭示胶泥层底部紊动能传递与"揭河底"冲刷期水流揭掀上举胶泥块的动力实时分布规律，进而完善确定"揭河底"发生临界力学条件中的关键参数K值。研究将对深化高含沙水流运动、固结黏性土的起动规律与机理，丰富泥沙学科理论具有重要的学术意义和实用价值。

“揭河底”现象多发生在黄河高含沙洪水期间，是水沙运移及河床调整变化过程中的一种特殊现象，大片河床淤积物被剧烈快速地揭掀而起，造成局部河道的强烈冲刷，对防洪安全、工农业生产等都有着巨大的影响。然而，目前关于河底胶泥块底部紊动能传递的成因及作用机理尚缺乏实测资料的支持，使得“揭河底”临界力学条件实用性及可预测性较差。项目在系统挖掘、整理黄河“揭河底”河段原始测验资料基础上，采用薄膜式压力传感器、PIV和ADV测验设备开展了大量的水槽实验和理论研究，对“揭河底”冲刷期水流紊动结构及传播机理、掀揭临界条件进行了系统研究，确定了“揭河底”发生临界条件的关键参数。. 主要取得的成果如下：. （1）胶泥层的存在是“揭河底”现象发生的必要条件，小北干流引洪放淤输沙渠 “揭河底”现象表明，河床底部的胶泥层沉积并不需要太长时间，只要其沉积强度达到一定量级即可。. （2）基于不同水流强度下胶泥块下面薄弱层的淘刷发展过程；阐明了小尺度涡引起的高频脉动是胶泥块底部上举力产生的成因。“揭河底”发生初期，即胶泥块揭掀角度为0°时，根据水槽实验ADV量测结果，其纵向流速梯度远大于揭掀角度不为0°时的流速梯度，高流速梯度区为小尺度紊动涡体的形成、发展提供最为有利的条件，加之淘刷范围较小，当揭掀角度较小时的涡旋尺度远小于揭掀角度较大时的涡旋尺度，小尺度紊动涡通过层间的粘性运动耗散大量能量，涡旋对胶泥块底部的揭掀作用非常显著，紊动强度和紊动能的最大值位置即紧贴胶泥块底部。. （3）系统研究了不同揭掀状态下模拟胶泥块底部紊动涡的发展过程、传播机理及规律，获取了不同揭掀状态、不同部位，紊动强度与紊动能沿水深实时分布与量值关系，建立了揭河底发生过程中统一的纵向流速分布式。. （4）基于“揭河底”冲刷期胶泥块底部上举力试验，完善并确定“揭河底”发生临界力学条件中的关键参数k值，其值为0.2；并通过原型资料、放淤输沙渠内加密断面等“揭河底”水沙资料，验证了本次建立公式的正确性。. 项目研究对深化高含沙水流运动、固结黏性土的起动规律与机理，丰富泥沙学科理论具有重要的学术意义和实用价值。