長江口航道黏性原狀土沖刷特性試驗

黃健鈞，陳國平，馬洪蛟

(1.河海大學 港口海岸與近海工程學院，江蘇 南京 210098；2.河海大學 海岸災害及防護教育部重點實驗室，江蘇 南京 210098)

近年來，隨著我國海洋經濟和水運經濟的不斷開發，越來越多的工程在施工過程中遇到與細顆粒泥沙起動特性有關的問題。以往對泥沙基本運動規律進行研究時，一般采用普通明渠水槽和環形水槽[1-2]來做室內物理模型試驗。然而對于細顆粒泥沙往往帶有黏性，臨界起動的水動力條件很強，普通明渠水槽和環形水槽中無法達到試驗所需的起動流速和起動切應力，學者們提出了采用有壓矩形管試驗對原狀泥沙的沖刷特性進行分析。目前來說，學者們普遍認為泥沙的沖刷性質取決于泥沙自身的條件及水流動力條件。2005年，洪大林等[3]總結了國內外學者在泥沙起動研究和黏性土的起動模式、影響因素等方面的研究成果，提出影響黏性土起動的因素主要有土的物理因素、土力學參數、化學特性等，并且認為今后的研究重點應放在黏性原狀土上，在此基礎上再進行重塑土試驗。2006年，時連強等[4]以黃河三角洲的沉積物為例，通過測定沉積物的結構、顆粒組成、密度和含水率，進行了分層沉積物的沖刷試驗，發現沉積物臨界起動切應力與含水率、中值粒徑成一定的負相關關系，與黏土含量呈顯著正相關關系。2011年，孫志林等[5]對錢塘江河口河床獲取的28個巖芯進行起動和沖刷水槽試驗，根據沖刷試驗結果確定了沖刷率公式的指數和沖刷常數，發現未充分固結的淤泥沖刷率與相對剩余切應力的二次方成正比，而固結已久的淤泥沖刷率與相對剩余切應力呈線性關系。2013年，雷文韜等[6]為研究黏性泥沙的沖刷規律，引入床沙相對干密度以反映沖刷源項與床沙干密度的關系，提出分別適用于弱固結和強固結河床的沖刷源項公式，并采用室內黏性泥沙的沖刷試驗資料確定公式中各系數。2016年，吳月勇等[7]通過物理模型試驗，對福建晉江圍海工程的6組粉沙、8組細沙、7組中粗沙原狀土樣進行沖刷率試驗，考慮中值粒徑對沖刷率表達式的影響，分別得出了粉沙、細沙、中粗沙的沖刷率表達式中的能量指數和沖刷系數。

自長江口12.5 m深水航道工程開辟以來[8]，關于航道泥沙回淤的問題已經開展了大量的研究[9-11]，但是關于長江口航道底床回淤原狀土的沖刷特性卻鮮有研究。因此，本文對長江口航道的底質淤泥質粉沙原狀土樣進行封閉有壓矩形管槽的沖刷物理模型試驗，分析淤泥質粉沙原狀土的起動特性和沖刷特性，以及隨土樣深度的變化趨勢，給長江口航道工程提供相關的科學依據。

1 物理模型試驗

1.1 試驗裝置與土樣

由于黏性原狀土的土顆粒之間黏結力較大，導致泥沙的起動流速也較大，一般的水槽裝置難以產生足以讓黏性土起動以及沖刷的水流流速。因此，本次試驗采用封閉有壓的有機玻璃水槽來研究長江口航道黏性原狀土的沖刷特性。該水槽系統一般包括矩形有機玻璃水槽、測量管、土樣桶和上下游的聚氯乙烯(PVC)管，如圖1所示。其中矩形有機玻璃水槽長200 cm，土體試樣放置在圓形土樣筒內如圖2所示，在土樣筒的上下游各布置1個測壓管，測壓管間距設置為130 cm。土樣筒與升降裝置連接，通過控制電壓調節升降裝置的上下移動速度，該水槽的最大流量可達30 Ls，此時產生的最大流速為6.67 ms。在本次試驗中，通過直讀式電磁流量計直接讀出水槽里面的瞬時流量，從而得出瞬時水流流速。

圖1 封閉有壓的有機玻璃水槽

圖2 土樣筒里的黏性原狀土試樣

在本次試驗中，原狀土取自長江口航道南港水域，取樣時間為2019年5月。原狀土樣采樣嚴格按JTS 133—2013《水運工程巖土勘察規范》要求執行，通過分層采樣，同時保證土樣沒有過大擾動，使原狀土樣滿足試驗的需求。本文分別對S1、S2和S3鉆孔共21個土樣進行沖刷試驗，每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)，每個試樣的取樣深度和中值粒徑見表1。

表1 原狀土取樣深度和中值粒徑

1.2 試驗方法

根據以往的研究，將“芯樣表面出現許多小的局部破壞或撕裂并伴隨少量沖刷發生”定義為泥沙的“臨界起動”，如圖3所示。試驗開始時，將原狀土緩慢裝進土樣筒，并且確保土樣沒有過大的擾動，通過控制電壓使升降裝置上升，從而帶動土樣筒上升至與水槽齊平。接著，逐步加大矩形水槽里面的水流流量，一邊調節流量，一邊仔細觀察原狀土試樣表面的泥沙起動狀況。當原狀土試樣出現如圖3所示的現象時，維持水槽流量不變，記錄瞬時水槽水流流速為泥沙起動流速。然后，繼續加大水槽流量的同時，控制升降裝置從而調節原狀土試樣上升速率，當土樣在該時間段內高度變化較小且始終與水槽底部保持平齊，則說明沖刷速率和土樣上升速率平衡，此時該土樣上升速度即為沖刷速率。由于泥沙起動和沖刷的判斷較為主觀，因此試驗中隨機性和誤差相對較大，為保證試驗的準確性，需要重復進行起動和沖刷試驗，當相臨3次試驗結果誤差在5%以內時，取3次試驗數據的平均值作為最后的試驗結果。

圖3 土樣臨界起動狀態

1.3 起動切應力與沖刷率計算公式

為了能夠定量研究黏性原狀土的沖刷特性，需要對土樣起動切應力和沖刷率進行計算，計算方法如下：

1)床面切應力與摩阻流速的關系為：

(1)

(2)

式中：τ為床面切應力(Nm2)；v*為摩阻流速(ms)；ρ為水的密度，為1 tm3；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。

2)根據土樣沖刷高度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系為：

(3)

式中：qw為原狀土沖刷率(kg·m-2·s-1)；ρ1為沉積密度(tm3)。

3)原狀土的沖刷系數，其表達式為：

(4)

式中：M為沖刷系數，是土壤抗沖性的一個重要指標；qw為沖刷率；τb為床面切應力(Nm2)；τc為床面臨界起動切應力(Nm2)。

2 試驗結果與分析

通過封閉有壓矩形管槽沖刷試驗，根據每個原狀土樣本的試驗結果(表2)，分別從土樣密度、臨界起動切應力、沖刷率和沖刷系數的角度對試驗結果進行討論。

表2 原狀土試驗結果

2.1 土樣沖刷前后沉積密度

試驗原狀土樣沖刷前和沖刷后的沉積密度見圖4。可以看出，取樣于長江口航道上海崇明段的底質泥沙的沉積密度在1.6～2.0 tm3，低于常見的礦質土壤密度2.7 tm3，屬于一般性黏土的范圍。此外土樣沉積密度在沖刷前后的變化程度不大，沖刷后的密度略小于沖刷前的密度。這是由于本次試驗的土樣大多數屬于淤泥質粉沙土，有一定的含沙量并夾雜著部分淤泥。在水流的沖刷下，由于沙土沒有黏聚力被最先沖刷剝離，而淤泥質土具有黏聚力不易被水流沖刷侵蝕，因此導致沖刷后的土樣含沙量會減小，宏觀上表現出土樣的沉積密度降低。

圖4 土樣沖刷前后的沉積密度

2.2 臨界起動流速對臨界起動切應力的影響

圖5 臨界起動切應力與臨界起動流速關系

2.3 沖刷率隨土樣深度的變化

試驗土樣沖刷率隨土樣深度的變化情況見圖6。可以看出，土樣沖刷率在0.1～0.4 kg(m2·s)，隨著土樣深度的加大，沖刷率逐漸減小。這是由于天然土樣在自然條件下會發生沉降固結，越往地底下的土層受到的固結應力越大。特別像位于長江口航道的底質淤泥黏土，在河床表面深度較淺的土層，受到水流的長期沖刷擾動作用，土的骨架結構較為疏松，因此容易受到水流侵蝕作用。而隨著深度增大，土層的擾動較小，并且具有較高的固結應力，從而黏聚力和摩擦角均較大，導致其抗沖刷能力也較強，在相同條件下其沖刷率小于表層土樣。

圖6 不同土樣深度對土樣沖刷率的影響

2.4 沖刷系數隨土樣深度的變化

試驗土樣沖刷系數隨土樣深度的變化情況見圖7。可以看出，試驗土樣沖刷系數在0～0.15 kg(m2·s)的范圍內，隨著土樣深度的加大，沖刷系數逐漸減小，表現出2.3中沖刷率隨土樣深度的變化情況。一般來說土樣的沖刷系數是土樣本身特性的體現，能夠保持在一個穩定的數值，不會隨著外界的物理作用而變化。本次試驗中隨著深度的增加，土樣的沖刷系數減小，表明位于長江口航道上海崇明段的底質泥沙隨著深度分布不均勻，深度越大的泥沙抗沖刷能力越強，深度越淺的泥沙顆粒組成越不穩定，容易被擾動沖刷。

圖7 不同土樣深度對土樣沖刷系數的影響

3 結論

1)本次試驗的土樣屬于一般性黏土，有一定含沙量并夾雜著部分淤泥，沖刷前后的泥沙沉積密度相當，其中沖刷后的土樣含沙量較小，沉積密度略小于沖刷前。

3)隨著土樣深度增加，土樣的沖刷率和沖刷系數均減小，這表明位于長江口航道上海崇明段的底質泥沙隨著深度分布不均勻，深度越大的泥沙抗沖刷能力越強，深度越淺的泥沙顆粒組成越不穩定，容易被擾動沖刷。