沙漠季节性河道常常爆发超高浓度的高含沙洪水。该高含沙洪水具有高含沙（1 000~1 600 kg·m^-3）、粗粒径、强侵蚀、陡涨快落、历时短等特性^［1-4］。高含沙洪水入河，常引起河道淤堵、分流、迁徙、决口改道、阻塞成湖等灾害^{［1，5-17］}，一直是沙漠河流治理的重点和难点。典型的沙漠河道是鄂尔多斯高原的十大孔兑。十大孔兑高含沙洪水发生频繁，入黄泥沙通量大，对黄河“几字弯”河道水沙关系和河道演变产生严重影响，已发育“新悬河”近300 km。“新悬河”河段洪凌灾害频发，多次出现决口灾害事件：1989年“7·12”十大孔兑高含沙洪流堵塞黄河决口事件，2003年9月洪峰流量1 300 m³·s^-1导致大河弯决口事件，2008年3月凌汛流量1 600 m³·s^-1造成杭锦旗决口事件等。近年来，随着黄河径流量快速减小，水沙关系恶化，径流输沙能力降低，主河槽严重萎缩，进一步抬高“新悬河”河床^［18-20］。特别是，受全球气候快速变化和强人类活动作用和影响，频发的大风沙尘暴和极端暴雨会加大孔兑风沙水沙入黄通量，进一步加剧“新悬河”决口风险。

但是，沙漠高含沙洪水入河历时短、破坏力强，难以在实地进行观测。因此，高含沙洪水沙坝堵河机理一直不明。一些研究在室内水槽应用粉煤灰材料实验模拟高含沙洪水入河沙坝形成过程^［18］。由于粉煤灰密度是泥沙密度的1/4，在水流中运移规律与真实泥沙过程不同，其模拟结果不能给出沙坝堵河确定性结论。因此，为正确认识高含沙洪水沙坝堵河机理，本文应用自然粗泥沙和大尺度弯道进行原型过程模拟实验，揭示不同入汇条件下沙坝的形成机制与淤堵积类型，确定沙坝堵河的关键阈值，为沙坝堵河机理认识和精准防控提供关键数据。

沙坝堵河模拟实验在罕太川银肯沙自建的弯道水槽中完成，主要包括蓄水池、稳流水槽、弯道试验段、高含沙流入汇坡道和水沙排除道五部分（图1）。蓄水池长20 m、宽10 m、高5 m，设计有出水闸门控制弯道试验段的径流量。在闸门与弯道试验段之间设计稳流水槽，长10 m、宽1 m、深1.2 m，由混凝土制成。稳流水槽与弯道试验段之间安装超声波水位测量计，自动记录水位变化。弯道试验段宽3 m、中心线夹角120°。高含沙流发生坡道是由自然沙漠沙丘沙经过平整形成倾角12°的沙坡坡道。应用流量0.167 m³·s^-1抽水泵（管径ϕ250 mm）抽水到8 m高的沙坡坡道顶部，水流经重力作用侵蚀沙漠粗沙形成高含沙流，垂直涌入弯道试验河段。

实验设计分为5个控制径流（径流深0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 m）和4个高含沙流激发流量（2泵、3泵、4泵和5泵）进行不同组合，进行20种不同情景沙坝堵河实验模拟。由于高含沙流携沙量大，每次实验控制时间2 min。每次实验后，用挖掘机重新铺设高含沙流发生沙漠坡道，并用RIEGL VZ-400扫描记录弯道试验段沙坝分布。之后，清除试验段沙坝，开始下一次模拟实验。实验时高含沙流通过人工采样测量其泥沙含量。应用固定在长1.0 m的不锈钢杆的塑料瓶（体积为480 mL）采集高含沙流发生时悬移质泥沙样品。采样间隔30 s，每次4个取样。对样品进行烘干，称重，计算高含沙流的泥沙含量。通过水位测定，计算稳流水槽过水断面的水力半径和平均流速：

式中：R是湿周长；h是监测水位；A是过水面积；V是流速；S是弯道比降；n是曼宁粗糙系数0.024。

比降12°沙漠沙坡道能够形成泥沙浓度为763.7~1 059.54 kg·m^-3、悬移质泥沙中值粒径大于0.08 mm的高含沙流（图2）。当高含沙流进入弯道实验段后，与弯道水流相互作用，在入汇口附近快速形成附岸沙坝。在入汇口一侧、紧临入汇线下游河岸处出现附岸沙坝，而在入汇口对岸、紧临入汇线上游河岸处也同时形成附岸沙坝（图3）。这一对附岸沙坝出现，与之前应用粉煤灰材料模拟的沙坝淤堵过程完全不同^［21］。由于这一对沙坝与附岸顺时针和逆时针相关涡流存在一一对应，我们将前者称为逆时针回流附岸沙坝（ACW-B），后者称之为顺时针回流附岸沙坝（CW-B）。

附岸相干涡流显著降低了河道两岸涡流区的流速，使高含沙流中携带的沙漠沙快速沉积，形成附岸沙坝。这表明，高含沙流入汇口沙坝堵河根源在于近河岸相干涡流导致附岸沙坝淤堵河道，而不是之前认为的异重流淤堵作用机理^［21］。入汇高含沙流与弯道水流不同组合，将导致ACW-B和CW-B附岸沙坝体积不断发生调整变化，两者此消彼长，相互制约（图4）。当ACW-B沙坝体积增加时，CW-B沙坝体积则减小，ACW-B沙坝达到最大时，则形成“下堵河”灾害事件；当CW-B沙坝体积增加时，ACW-B沙坝体积则减小；CW-B沙坝达到最大时，则形成“上堵河”灾害事件。

在30次不同情景下高含沙流入汇弯道水流中，有17次发生沙坝完全堵塞河道现象，另外13次形成的沙坝尚未完全堵塞弯道（表1），其中17次是由ACW-B沙坝增大造成的“下堵河”情景，另外3次是由CW-B沙坝造成的“上堵河”情景。由于每次模拟的高含沙流泥沙浓度变化不显著，分析高含沙流与弯道水流径流比Q_HCF/Q0与河道淤堵情景关系指出，当Q_HCF/Q0>18.0时，发生“上堵河”情景。“下堵河”情景相对计较复杂，实验结果表明，当0.5<Q_HCF /Q₀<6.0时，“下堵河”情景容易发生。实验中，没有观测到“上堵河”和 “下堵河”现象同时出现情景。

本实验模拟发现高含沙流入汇口相干涡流导致附岸沙坝堵河的新机制。该机制与应用粉煤灰模拟的异重流堵河机制认识不同^［21］。粉煤灰模拟的主要缺点在于材料密度（700 kg·m^-3）太小、颗粒粒径（30~40μm）太小，在水流中运移特性与真实情景存在很大差异。我们的实验应用自然沙漠沙（密度2 650 kg·m^-3，粒径>80 μm）， 模拟泥沙含量为763.70~1 059.54 kg·m^-3的真实高含沙流在3 m宽度的弯道中沙坝堵河情景。实验模拟发现高含沙洪水入汇河道后，与弯道水流发生碰撞，在河道两岸形成顺时针和逆时针的相干涡流对。该涡流对快速降低附岸涡流区的流速，造成泥沙快速沉积、附岸沙坝快速成长，最后造成沙坝堵河情景。研究表明，沙坝堵河主要是由于ACW-B沙坝快淤快长造成的“下堵河”效应，而不是之前认识的异重流“上堵河”现象^［21］，十大孔兑1 989.9.27高含沙洪水在西柳沟入汇处也观测到“下堵河”现象，而不是“上堵河”。

本实验模拟指出沙坝堵河与汇流比密切相关。当高含沙流泥沙含量保持基本稳定时，汇流比是高含沙洪水沙坝堵河的主要决定因素。“下堵河”型是高含沙流沙坝堵河的主要形式，实验结果表明，当0.5<Q_HCF /Q₀<6.0时，“下堵河”情景容易发生。“上堵河”情景一般发生较少，需要大流量高含沙洪水入汇，一般需要Q_HCF /Q₀>18.0时，才能发生，这在自然河流中发生的可能性很小。因此，沙坝堵河主要发生的是“下堵河”，而不是之前认为的“上堵河”。

本实验模拟揭示出高含沙洪水入汇与低含沙水流入汇在交汇区存在显著的动力差异（图5）。低含沙水流入汇常常形成相对低流速带，高流速带与下游交汇角岸壁之间形成逆时针环流分离区。模拟结果显示，高含沙流汇入与弯道水流相互作用，在交汇线附近的两侧河岸形成相干涡流对，相干涡流对引起其控制区域水流流速快速下降，大量泥沙快速淤积形成逆时针回流附岸沙坝ACW-B和顺时针回流附岸沙坝CW-B。尽管ACW-B沙坝与低含沙流引起的逆时针分离区形成的沙坝类似，但是，其成因机制却完全不同。因此，未来在沙坝堵河机理研究和精准防控方面，需要考虑相干涡流导致附岸沙坝堵河的新机制、新效应。

高含沙流入汇口存在相干涡流对，调控交汇线两侧河岸泥沙快速沉积形成顺时针回流附岸沙坝CW-B和逆时针回流附岸沙坝ACW-B，是造成沙坝堵河的新动力机制。

沙坝堵河主要发生的是“下堵河”，而不是之前认为的“上堵河”。当0.5<Q_HCF /Q₀<6.0时，“下堵河”情景容易发生。当Q_HCF /Q₀>18.0时，“上堵河”现象才能发生。

高含沙流输入弯道中的泥沙约有28%在入汇口沉积形成沙坝，是沙坝堵河的主要原因。