細顆粒黏性原狀土的沖刷特性試驗研究

吳月勇，范力陽，陳國平，張典典，徐宇航

(1.河海大學(xué) 港口海岸及近海工程學(xué)院 海岸災(zāi)害與防護教育部重點實驗室，南京 210098；2.中國電建集團中南勘測設(shè)計研究院有限公司，長沙 410014)

細顆粒黏性原狀土的沖刷特性試驗研究

吳月勇1，范力陽2，陳國平1，張典典1，徐宇航1

(1.河海大學(xué) 港口海岸及近海工程學(xué)院 海岸災(zāi)害與防護教育部重點實驗室，南京 210098；
2.中國電建集團中南勘測設(shè)計研究院有限公司，長沙 410014)

基于物理模型試驗，根據(jù)實測的沖刷率和床面切應(yīng)力來分析細顆粒黏性原狀土的沖刷特性，考慮水壓力的大小和臨界起動狀態(tài)的不同對沖刷率源項公式參數(shù)的影響。結(jié)果表明：在不同的水壓力下，粉沙和細沙的沖刷率都與相對剩余切應(yīng)力成相同的指數(shù)關(guān)系，中值粒徑較小的粉沙的能量指數(shù)取0.5，細沙的能量指數(shù)取1。以普遍連續(xù)起動為起動狀態(tài)的沖刷系數(shù)較以少量起動狀態(tài)作為起動狀態(tài)要略大，能量指數(shù)要略大。此外，粉沙的沖刷系數(shù)為(0.8～9.8)×10-2kg·m2·s-1，細沙的沖刷系數(shù)為(0.2～5.5)×10-2kg·m2·s-1，細沙的抗沖性能要略強于粉沙。

黏性原狀土；水壓力；臨界起動狀態(tài)；沖刷率；能量指數(shù)；沖刷系數(shù)

原狀泥沙的沖刷特性研究對河口海岸及內(nèi)河地區(qū)的工程建設(shè)、開發(fā)與治理有重要意義。Owen[1]最早提出沖刷率與剩余水流切應(yīng)力的線性公式，此外，洪大林[2]、田琦[3]、曹叔尤[4]等認為沖刷率與相對剩余切應(yīng)力成線性關(guān)系。與此同時，Mehta[5]，Partheniades[6]、雷文韜[7]，孫志林[8]，李華國[9]，張強[10]，萬兆惠[11]等通過物理模型試驗，認為細顆粒泥沙沖刷率與相對剩余切應(yīng)力呈指數(shù)關(guān)系，且指數(shù)取值與泥沙和水流特性有關(guān)。其中，李華國[9]認為沖刷率與相對剩余切應(yīng)力呈平方關(guān)系，且淤泥粒徑越小，沖刷系數(shù)越小；張強[10]通過人工填筑黏土的沖刷試驗認為沖刷率與相對剩余切應(yīng)力成1.067次關(guān)系；萬兆惠[11]則認為對于粒徑較粗的散顆粒泥沙，水壓力增大不會引起其起動流速變化，即水壓力的改變不會影響散粗泥沙的沖刷率源項公式參數(shù)。吳月勇[12]在同一種起動狀態(tài)和同一個水壓力下，對14組黏性原狀土進行起動、沖刷試驗，并擬合出沖刷率公式。

盡管前人對黏性原狀土的沖刷特性做了很多研究，但是水壓力和泥沙臨界起動狀態(tài)不同對沖刷率與剩余水流切應(yīng)力之間關(guān)系的影響程度還未知，此外黏性原狀土的沖刷率公式中的能量指數(shù)和沖刷系數(shù)的取值還存在爭議。本文對福建晉江圍頭灣的8個細顆粒黏性原狀土樣進行封閉有壓矩形管槽的沖刷率物理模型試驗。本文分析了水壓力和泥沙起動狀態(tài)對粉沙和細沙的沖刷特性的影響，并對不同起動狀態(tài)和水壓力作用下的細顆粒泥沙的沖刷率源項公式進行分析。

1 試驗概述

1.1試驗裝置與方法

由于細顆粒黏性原狀土的起動流速較大，本次試驗采用封閉有壓的有機玻璃水槽進行沖刷試驗，該系統(tǒng)由上下游測壓管、方形水槽等幾部分組成，具體見圖1。試驗所用泥沙取自晉江濱海新區(qū)圍頭灣，原狀土樣取樣嚴格按《水運工程巖土勘察規(guī)范》要求執(zhí)行，分層采取以保證土樣不擾動，滿足試驗的需要。受試樣和試驗條件限制，按中值粒徑的不同將試樣分別取4組粉沙試樣和4組細沙試樣進行起動、沖刷試驗。經(jīng)過土體的顆粒分析試驗發(fā)現(xiàn)，8個土樣都含有不同含量的黏性顆粒(粒徑小于0.005 mm的顆粒)，均為黏性非均勻原狀土。按土體粒徑分類可知，土粒粒徑在5～75 μm之間的為粉沙，介于75～250 μm之間的為細沙。根據(jù)土體中值粒徑試驗可知，1～4號試樣為粉沙試樣，4～8號試樣為細沙試樣。各個土樣的黏土含量與中值粒徑大小見表1。

圖1 實驗裝置Fig.1 Experimental device

為了研究泥沙起動狀態(tài)判別對原狀土沖刷率的影響，將泥沙起動狀態(tài)分為兩種：把“芯樣表面出現(xiàn)許多小的局部破壞或撕裂并伴隨少量沖刷發(fā)生”定義為少量起動。將“芯樣表面出現(xiàn)許多小淺坑，土樣近似普遍連續(xù)起動”定義為普遍起動。逐漸增大進水口流量，使試樣從靜止狀態(tài)到少量起動狀態(tài)和普遍起動狀態(tài)，流量采用超聲波流量儀進行測量，水頭則通過讀取上下游測壓管水柱高度得出。

繼續(xù)增大流量使試樣表面開始沖刷，沖刷試驗通過水槽底部的土樣升降裝置來適時調(diào)整土樣上升高度，該裝置通過電腦程序控制電機行程，精度可達0.02 mm。根據(jù)沖刷時的流量大小，控制升降裝置上頂?shù)男谐碳皶r間，例如“3 mm，100 s”，若出現(xiàn)土樣表面有高出或者低于水槽底部則重新相應(yīng)的減小或者增大升降裝置上頂行程，直至土樣在裝置上頂時間段內(nèi)始終與水槽底部保持平齊，則說明沖刷速率和巖芯上移速率平衡，則該巖芯上移速度即為沖刷速率，升降裝置上頂?shù)男谐碳皶r間即為沖刷高度和沖刷歷時。

1.2起動切應(yīng)力與沖刷率計算方法

試驗中的起動切應(yīng)力和沖刷率按下式1～3進行計算，其中

床面切應(yīng)力τ與摩阻流速的關(guān)系

(1)

式中：τ為床面切應(yīng)力，Nm2；u*為摩阻流速，ms；γ為水的重度，N·m-3；p1-p2為上下游測壓管壓力差，R為水力半徑，m；Δz為上下游測壓管水頭差，m；l為兩測壓管間距，m；J為水力坡度。

試驗中，根據(jù)土樣沖刷高度Δh(mm)及沖刷歷時Δt(s)，測得的沖刷率與單位時間沖刷高度關(guān)系如下

(2)

式中：E為原狀土沖刷率，kg.m-2.s-1；ρs為沉積密度，g.cm-3。

參考前人研究成果，擬定公式基本結(jié)構(gòu)為下式(3)

(3)

將式(3)改寫為對數(shù)形式得到式(4)。

(4)

2 試驗結(jié)果

下表1為試驗實測的原狀土樣的起動、沖刷率的數(shù)據(jù)結(jié)果。值得注意的是表中所指的起動切應(yīng)力τc特指土樣起動時的臨界床面切應(yīng)力；在每組土樣完全起動后，通過逐級增加流量的方法，根據(jù)土樣情況進行3～4組不等的沖刷率試驗，根據(jù)式(1)計算得到對應(yīng)的床面切應(yīng)力τb。

同一種起動狀態(tài)判別下的土樣的起動切應(yīng)力與中值粒徑d50沒有明顯的關(guān)系，原因是由于黏性原狀土的起動現(xiàn)象以微團為單位，并不是以顆粒起動為特征，再加上原狀土的不均勻性，使得中值粒徑相差無幾的土樣起動切應(yīng)力相差較大，這一點洪大林[2]等人的原狀土試驗也有類似的結(jié)論。盡管中值粒徑相近土樣的起動切應(yīng)力相差較大，但是相應(yīng)的使土樣達到?jīng)_刷條件的床面切應(yīng)力也較大，因此式(3)、(4)用基本上可以消除起動切應(yīng)力的差異性的影響。

3 結(jié)果分析

3.1水壓力對沖刷率的影響

將8個土樣的沖刷率、相對剩余切應(yīng)力按式(4)繪制散點圖并進行線性擬合，其中橫坐標為相對剩余切應(yīng)力的自然對數(shù)形式，縱坐標為沖刷率的自然對數(shù)形式。粉沙試樣(1～4號試樣)和細沙試樣(5～8號試樣)在起動判別狀態(tài)分別為少量起動和普遍起動下的沖刷率和相對剩余切應(yīng)力的關(guān)系如圖2所示。

2-a 少量起動

2-b 普遍起動圖2 沖刷率與相對剩余切應(yīng)力關(guān)系Fig.2 Relation between scour rate and relative residual shear stress

同一種起動狀態(tài)下，隨著水壓力的增加，粉沙和細沙試樣的臨界起動切應(yīng)力有增大的趨勢，這一點與萬兆惠[11]用散顆粒非原狀土得出的結(jié)論相佐證，同時這也說明了水壓力的增加是對沖刷率源項公式中的參數(shù)τc、τb是有影響的。此外，分析圖2可知，大部分土樣的點據(jù)都呈現(xiàn)出大水頭數(shù)據(jù)點位于小水頭數(shù)據(jù)點之下的規(guī)律，這是因為大水壓力下的起動切應(yīng)力較大造成的。

上圖的共同規(guī)律是水頭分別為35 cm和235 cm時，4個粉沙試樣與4個細沙試樣的實測數(shù)據(jù)點都近似成直線分布。對8個試樣在兩種水壓力下的測點分別進行線性擬合得出沖刷率曲線，8個試樣的沖刷率曲線相關(guān)系數(shù)R2均在0.65～0.98之間，擬合性較好。由此可知，在不同的水壓力作用下，沖刷率與相對剩余切應(yīng)力始終成指數(shù)關(guān)系，即水壓力的改變對原狀土的沖刷率源項公式的基本結(jié)構(gòu)。

3.2起動狀態(tài)對沖刷率的影響

考慮泥沙臨界起動狀態(tài)對泥沙沖刷率公式參數(shù)的影響主要就是考慮臨界起動切應(yīng)力對泥沙沖刷率公式參數(shù)的影響，比較分析圖2中1～8個試樣所擬合的沖刷率曲線的斜率和截距，分別計算能量指數(shù)n和沖刷系數(shù)M。表1為泥沙起動狀態(tài)定義為少量起動和普遍連續(xù)起動時的能量指數(shù)與沖刷系數(shù)的誤差表。

表1 兩種起動狀態(tài)下的能量指數(shù)和沖刷系數(shù)誤差表Tab.1 Energy index and scour coefficient error for two incipient conditions

能量指數(shù)：由表1可知，兩種起動狀態(tài)下，無論是粉沙還是細沙，同一個試樣的能量指數(shù)和沖刷系數(shù)M均存在一定誤差。1～8號土樣中，除了4號試樣外，以普遍連續(xù)起動作為起動狀態(tài)的其他幾個試樣的能量指數(shù)較以少量起動作為起動狀態(tài)的要小，但相對誤差均在-3.89%～-38.04%之間，總體差距不大，4號試樣的n的相對誤差則為0.16%。由于黏性原狀土的不均勻性和組成成分的復(fù)雜性，上述能量指數(shù)的誤差并不算大，因此可以認為起動狀態(tài)的影響對能量指數(shù)影響較小。對于4個粉沙試樣，由于其能量指數(shù)相互之間差距較小，4組試樣的n值的平均值為0.538，因此可以認為粉沙的沖刷率與相對剩余切應(yīng)力成0.5次方關(guān)系。對于4個細沙試樣，盡管不同起動狀態(tài)下的能量指數(shù)變化較小，但同一種起動狀態(tài)下，彼此之間的能量指數(shù)差距較粉沙要大，最小僅為0.652，最大則為1.847，由此可以認為顆粒粒徑對能量指數(shù)也有影響，粒徑較大的細顆粒泥沙的能量指數(shù)變化要較粉沙敏感。細沙的能量指數(shù)變化幅度較粉沙略大，但n的平均值為1.08，因此取其平均值1.08為細沙的能量指數(shù)，即細沙的沖刷率與相對剩余切應(yīng)力近似成1次方關(guān)系。

沖刷系數(shù)：同樣的，由表1可知：兩種起動狀態(tài)下，8個試樣的沖刷系數(shù)M的相對誤差均在26.14%～118.94%之間。由此說明，以普遍連續(xù)起動作為起動狀態(tài)所計算的沖刷系數(shù)略大于以少量起動作為起動狀態(tài)的沖刷系數(shù)，沖刷系數(shù)越大表明土樣的抗沖刷性越弱。因此，同一個原狀土試樣，采用不同的起動狀態(tài)作為臨界起動計算出的沖刷系數(shù)是不同的，最大差距可達一倍，這有可能高估或者低估泥沙的抗沖刷性。但是總體而言，由于黏性原狀土的不均勻性和組成成分的復(fù)雜性，以上所得的沖刷系數(shù)誤差并不算大，均不超過一個數(shù)量級。

3.3沖刷率源項公式的確定

由前文可知，粉沙和細沙的沖刷系數(shù)分布范圍相對較寬，粉沙的沖刷系數(shù)為(0.8-9.8)×10-2kg·m2·s-1，細沙的沖刷系數(shù)為(0.2-5.5)×10-2kg·m2·s-1，因此想用一個固定常數(shù)來表示沖刷系數(shù)是不合理的，且雖然粉沙的沖刷系數(shù)與細沙的沖刷系數(shù)之間有交集，但是總體可以看出：細沙的抗沖性較粉沙要略強。

綜上，根據(jù)沖刷率試驗得出的沖刷率表達式為，當(dāng)(τb>τc)時有

吳月勇[12]對14組粉沙、細沙試樣進行起動沖刷試驗，其粉沙、細沙的能量指數(shù)分別為0.5和1；粉沙、細沙的沖刷系數(shù)分別為3.34×10-2kg·m2·s-1、8.4×10-3kg·m2·s-1，實驗結(jié)果與本文結(jié)果十分相似。但值得注意的是，本文所擬合公式為黏性原狀粉沙、黏性原狀細沙在不同水壓力、不同起動狀態(tài)下的擬合結(jié)果，且試驗土樣與吳月勇[12]的前期研究雖來于同一個工程區(qū)域，卻是完全不同的另一批土樣。而吳月勇[12]的結(jié)果是基于同一種起動狀態(tài)和同一個水壓力下的沖刷率試驗。這兩個結(jié)果基本相同，說明了對于粉沙和細沙，水壓力和起動狀態(tài)的改變基本不會影響其沖刷率公式的能量指數(shù)，只是對沖刷系數(shù)略有影響，但也在一個數(shù)量級以內(nèi)。

4 結(jié)論

通過對4個粉沙、4個細沙的黏性原狀土的起動沖刷試驗得到了如下結(jié)論：(1)細沙和粉沙沖刷率與相對剩余切應(yīng)力成指數(shù)關(guān)系，水壓力的改變只是會影響沖刷率源項公式的床面切應(yīng)力的大小，并不會改變能量指數(shù)與沖刷系數(shù)；(2)起動狀態(tài)的不同即臨界起動切應(yīng)力的大小對能量指數(shù)和沖刷系數(shù)影響較小。總體來說，以普遍連續(xù)起動為起動狀態(tài)的能量指數(shù)n較以少量起動狀態(tài)作為起動狀態(tài)要略小，沖刷系數(shù)M要略大；(3)中值粒徑的大小對沖刷率公式的參數(shù)也有影響，中值粒徑更小的粉沙的能量指數(shù)變化幅度較小，均在0.5左右；細沙的能量指數(shù)變化幅度較大，平均值在1.08左右。分別將粉沙、細沙的能量指數(shù)n取為0.5和1。此外，粉沙的沖刷系數(shù)為(0.8～9.8)×10-2kg·m2·s-1，細沙的沖刷系數(shù)為(0.2～5.5)×10-2kg·m2·s-1。總體來說，細沙的抗沖性較粉沙要略強。

[1]Owen M W . Erosion of Avonmouth mud[R]. Wallingford： Hydraulics Research Station, 1975.

[2]洪大林. 黏性原狀土沖刷特性研究 [D]. 南京：河海大學(xué), 2005．

[3]田琦, 白玉川. 河口淤泥的起動及沖刷規(guī)律 [J]. 哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報, 2011, 32(3): 276-281．

TIAN Q, BAI Y C. Research on the properties and motion of mud in an estuary [J]. Journal of Harbin Engineering University,2011, 32(3): 276-281．

[4]曹叔尤, 杜國翰. 粘性土沖淤的試驗研究 [J]. 泥沙研究, 1986 (4): 73-82.

CAO S Y, DU G H. Experimental study of cohesive soil erosion [J]. Journal of Sediment Research, 1986(4): 73-82.

[5]Mehta A J , Partheniades E A . Resuspension of deposited cohesive sediment beds[C]ASCE .Proceedings of the 18th International Conference on Coastal Engineering. Cape Town: ASCE, 1982．

[6]Partheniades E. Erosion and deposition of cohesive soil [J]. Journal of Hydraulic Division, ASCE, 1965, 91(1): 105-138．

[7]雷文韜, 夏軍強, 談廣鳴. 黏性泥沙沖刷源項公式的改進 [J]. 泥沙研究, 2013 (5): 35-40．

LEI W T, XIA J Q, TAN G M. Refining calculation of erosion source term of cohesive sediment[J]. Journal of Sediment Research, 2013 (5): 35-40．

[8]孫志林, 張翀超, 黃賽花, 等. 黏性非均勻沙的沖刷 [J]. 泥沙研究, 2011 (3): 44-48．

SUN Z L, ZHANG C C, HUANG S H, et al. Scour of cohesive nonuniform sediment[J]. Journal of Sediment Research, 2011 (3): 44-48．

[9]李華國, 袁美琦, 張秀芹. 淤泥臨界起動條件及沖刷率試驗研究 [J]. 水道港口, 1995, 6(9): 20-26．

LI H G, YUAN M Q, ZHANG X Q. Study of Critical Motion and Erosion of Cohesive Sediment[J]. Journal of Waterway and Harbor, 1995, 6(9): 20-26．

[10]張強, 王寅, 陳春柏. 人工填筑黏性土起動沖刷特性試驗[J]. 水利水電科技進展, 2012(6):75-78.

ZHANG Q, WANG Y , CHEN C B. Experiment on incipient motion and scour features of artificial filling clay[J]. Advances in Science and Technology of Water Resources, 2012(6):75-78.

[11]萬兆惠,宋天成,何青. 水壓力對細顆粒泥沙起動流速影響的試驗研究[J]. 泥沙研究, 1990(4): 62-69.

WAN Z H, SONG T C, HE Q. Experimental Study on the Effect of Water Pressure on the incipient velocity of Fine Sediment [J]. Journal of Sediment Research, 1990(4): 62-69.

[12]吳月勇,陳國平,嚴士常,等. 晉江圍海工程黏性原狀土沖刷率試驗研究[J]. 水道港口,2016(6):635-640.

WU Y Y, CHEN G P, YAN S C, et al. Scour rate experimental research on cohesive undisturbed soil from the reclamation project in Jinjiang [J]. Journal of Waterway and Harbor, 2016 (6): 635-640.

Experimental study on erosion characteristics of cohesive undisturbed fine soil

WUYue-yong1,FANLi-yang2,CHENGuo-ping1,ZHANGDian-dian1,XUYu-hang1

(1.KeyLaboratoryofCoastalDisasterandDefence,MinistryofEducation,CollegeofCoastal,HarborandOffshoreEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098,China;2.ZhongnanEngineeringCorporationLimited,Changshan410014,China)

Based on physical model test, according to the measured erosion rate and bed shear stress, erosion characteristics of cohesive undisturbed fine soil were analyzed，considering the influence of water pressure and critical incipient condition on the parameters of the source term for scour rate formula. The results show that in different water pressure and incipient condition, the relation between erosion rate and relative residual shear stress of silt and fine sand is changeless. The energy index of silt is at around 0.5, and the energy index of fine sand is at around 1. The scouring coefficient of a general continuous incipient condition is slightly bigger than that with a small amount of incipient motion as a starting state. In addition, the scope of silt scouring coefficient is (0.8～9.8)x10-2kg.m2.s-1,and the scope of the fine sand erosion coefficient is (0.2～5.5)x10-2kg.m2.s-1, The impact resistance of sand is slightly stronger than that of silt.

cohesive undisturbed soil; water pressure; critical incipient condition; erosion rate; energy index; erosion coefficient

2017-02-06；

2017-05-15

吳月勇(1992-)，男，江蘇南京人，碩士研究生，主要從事港口海岸水動力、波浪與建筑相互作用方面研究。

Biography：WU Yue-yong(1992-),male, master student.

TV 143；O 242.1

A

1005-8443(2017)05-0453-05