如東海區沙灘泥沙起動實驗研究

謝永玉 （河海大學水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室 南京210098）

韓鴻勝 （交通運輸部天津水運工程科學研究所 天津300456）

泥沙水力特性是泥沙研究的重點，與泥沙運動形態、港口航道淤積和岸灘沖刷等都有非常直接的關系，因此進行泥沙水力特性實驗非常必要。泥沙的起動關系著航道、港池和岸灘的淤積和沖刷，進行泥沙起動實驗，工程意義重大。

江蘇如東岸外輻射沙洲屬廢棄河口潮流型細沙和粉砂質海岸，[1-2]即岸灘為細沙，航道和港池為粉沙。由于細沙和粉沙水動力特性有較大不同，此海區的泥沙運移形態變化較大。泥沙淤積主要由港區和航道的粉砂引起，而岸灘沖刷的主要為細沙。因此需對航道泥沙和岸灘泥沙分別進行波浪水槽實驗，研究泥沙起動和泥沙輸移特性，為如東地區港口的建設提供理論基礎和技術支持。本次實驗針對沙灘泥沙，為沙灘的沖刷和淤積研究提供理論參考。

目前，泥沙起動試驗普遍采用平床進行試驗，確定泥沙起動狀態。但當實際海床出現沙紋時，上述方法會出現一定的偏差。因此本文提出在沙紋床面進行泥沙起動試驗，并定義其為輸沙起動，通過試驗，給出了輸沙起動的判定標準。

1 實驗泥沙特性

實驗用泥取自江蘇如東港擬建人工島的西太陽沙上，稱之為沙灘泥樣。現場采用柱狀取樣器取泥，取樣深度為1.0 m。通過室內泥沙顆粒實驗分析，得出3組泥沙粒級結果，如表1所示，顆分曲線見圖1。

表1 泥沙粒級實驗結果

圖1 如東港岸灘泥沙顆粒組成曲線

2 波、流作用下泥沙的起動實驗

2.1 實驗設備及方法

本實驗是在波、流水槽中進行，該水槽尺寸長×寬×高=68.0 m×0.7 m×1.0 m。實驗段布置在水槽中部，槽底留有長3.0 m，高0.10 m的存泥槽。

鋪沙方法是首先將泥沙平鋪于水槽實驗段的存泥槽中，然后放入一定量的水，讓泥沙密實，待水槽內泥沙密實到天然容重后再開始實驗。根據本實驗的結果，泥沙的密實時間一般在20 h左右。實驗時泥沙容重為1.907 g/cm3。

2.2 泥沙起動標準

由于泥沙起動標準較難掌握，并且對工程實際而言，只有在顆粒普遍起動，才有實際價值。但普遍起動只是一個概念，雖有文獻[3]對普遍起動進行量化，但難于把握，為實驗標準化，需定義泥沙普遍起動。

在水流作用下，床面平整，在水流較小時，泥沙保持平靜狀態；隨著水流的增大，床面泥沙開始少量起動；隨著水流的再增大，床面開始普遍起動，形成沙紋，在形成沙紋的過程中，泥沙慢慢停止下來，不再運動；隨著水流的再增大，泥沙又開始起動，形成尺寸更明顯的沙紋，并開始懸揚；最后，當水流達到一定程度時，沙紋開始消失，床面恢復平整狀態。由于普遍起動較難把握，推薦當泥沙開始形成沙紋時，判定為普遍起動。

在波浪作用下，泥沙在沙紋上的起動分為幾個重要階段，在波浪較小時，沙紋上無起動，即床面上顆粒全部處于靜止狀態；隨著波浪的增大，在沙紋波峰上輕微的泥沙起動；然后，泥沙起動的范圍慢慢向波谷方向推進，同時，有少量泥沙開始懸揚，最后，沙紋上泥沙全部起動，開始產生大量懸移。為便于把握泥沙何時起動，應進行規范化，即推薦在床面形成沙紋后，當沙紋波峰泥沙作小位移運動時，判定為普遍起動。

2.3 輸沙起動標準

對工程泥沙而言，相對于泥沙起動，泥沙何時開始輸沙的意義更為重大，即泥沙起動并不代表泥沙開始輸移，而泥沙何時開始輸沙關系著當地是否沖淤。通過實驗觀察和研究，定義泥沙臨界輸沙起動，當地摩阻流速大于臨界輸沙起動摩阻流速時，當地有沖刷趨勢；當地摩阻流速小于臨界輸沙起動摩阻流速時，當地有淤積趨勢。

通過實驗觀察，當沙紋中軸線以上泥沙開始全部運動時，中軸線以上泥沙只進行左右振蕩運動，并不產生泥沙輸移或輸移量極小，可忽略不計；當波高繼續增大時，中軸線以下泥沙開始運動，且沙紋頂峰開始有部分懸沙運動，此時開始產生泥沙輸移。因此定義沙紋中軸線以上泥沙全部運動時，為輸沙臨界起動。當地摩阻流速大于輸沙臨界起動摩阻流速時，當地有沖刷趨勢；當地摩阻流速小于輸沙臨界起動摩阻流速時，當地有淤積趨勢。

輸沙起動標準對工程意義重大，且在實驗中容易判別，減小人為誤差，為工程研究提供準確的數據支持。

2.4 判別參數

本次實驗起動條件的確定采用摩阻流速、起動切應力和Shield參數來表達，其中τcw和ψc的定義如下：

式中：τcw為起動切應力，ρs為泥沙密度，ρ為水密度，g為重力加速度，d50為泥沙中值粒經。

2.5 實驗結果

本次實驗分別進行了水流、波浪和波流共同作用下的泥沙起動實驗，分述如下：

①水流作用下的泥沙起動：根據雅林流速對數分布公式，求解臨界起動時的摩阻流速，再應用（1）式和（2）式計算臨界起動切應力和臨界Shield參數，實驗結果見表2。

②波浪作用下的泥沙起動：根據文獻[4]中的波浪摩阻系數計算公式計算波浪摩阻系數，再應用下式計算臨界摩阻流速：

其中，Ubm為底部最大軌跡速度，fw為波浪摩阻系數，U*為波浪摩阻流速，ρ為水的密度。并應用（1）式和（2）式計算臨界起動切應力和臨界Shield參數，實驗結果見表3。

③波浪和水流共同作用下的泥沙起動：應用文獻[5]中推導的摩阻流速公式計算臨界起動摩阻流速，并應用（1）式和（2）式計算臨界起動切應力和臨界Shield參數，實驗結果見表4。

表3 波浪作用下起動流速實驗結果

表4 波、流共同作用下起動流速實驗結果

通過本次實驗可以得出：

①從實驗結果可以看出，由于泥沙較細，且沒有粘性，岸灘起動流速并不大。

②泥沙起動隨動力條件的改變而不同，從本實驗結果可以看出，泥沙在單純水流作用時起動摩阻流速最大，波、流共同作用時次之，單純波浪作用時泥沙起動摩阻流速最小，即呈U*w＜U*cw＜U*c的變化規律。

③對工程泥沙而言，相對于泥沙起動，泥沙何時開始輸沙的意義更為重大，因此在表3和表4同時給出了輸沙起動流速，為如東建港的研究論證提供參考意見。

3 結論

①采用波浪水槽實驗，了解泥沙的基本運移形態，為港口建設提供理論支持。

②本文明確了泥沙起動標準，在水流作用下，當泥沙開始形成沙紋時，判定為普遍起動；在波浪和波流共同作用下，在沙紋形成后，沙紋峰頂泥沙作小位移運動時，判定為泥沙起動。

③本文提出了泥沙輸沙起動標準，即在沙紋形成后，沙紋中軸線以上泥沙全部處于運動時的摩阻流速，判定為輸沙起動摩阻流速。在實驗中，容易判別輸沙起動標準，減小人為誤差，為工程研究提供準確的數據支持。且輸沙起動摩阻流速可用作工程泥沙沖淤的判定標準，當地摩阻流速大于此值時，當地有沖刷趨勢；當地摩阻流速小于此值時，當地有淤積趨勢?！?/p>

[1]韓西軍，楊樹森，曹祖德．江蘇LNG項目橋墩周圍沖刷的實驗研究[J]．水道港口，2006，27（3）：152-156．

[2]錢寧，萬兆惠.泥沙運動力學[M].北京：科學出版社，1983．

[3]張小峰，崔永章．泥沙起動判別條件和推移質輸沙率[J]．泥沙研究，1996（2）：35-38．

[4]Josson,I.G.,Wave boundary layer and friction factors[C].Proceedings of the 10th international Conference on Coastal Engineering，ASCE，New York，1966：127-148.

[5]曹祖德，唐士芳，李蓓.波流共存時的剪切力[J]．水道港口，2001，22（2），56-60.