不同鹽度固結(jié)黏性泥沙的沖刷試驗(yàn)研究

張曉雷, 畢崢崢, 劉書瑜, 吳浩然

(1.華北水利水電大學(xué) 水利學(xué)院,河南 鄭州 450046; 2.黃河河口管理局 利津黃河河務(wù)局,山東 東營(yíng) 257400)

黏性泥沙廣泛存在于河流、湖泊及近海中,并大量淤積固結(jié)于河、湖、海床及其岸坡中。泥沙的沖刷影響岸坡穩(wěn)定及河、湖、海床的演變。因此,研究固結(jié)泥沙的沖刷問(wèn)題,在水庫(kù)淤后沖刷、河道和航道整治、河流邊坡和海岸防護(hù)等方面具有重要意義。

近些年來(lái),眾多學(xué)者在黏性泥沙起動(dòng)[1-3]、沖刷[4-5]以及淤積[6-9]方面做了大量的研究,普遍認(rèn)為影響?zhàn)ば阅嗌硾_刷的主要因素有兩個(gè)方面:一是水流水動(dòng)力條件的影響,二是泥塊本身物理屬性的影響。饒慶元[10]在進(jìn)行長(zhǎng)江河床黏性土抗沖試驗(yàn)時(shí),通過(guò)對(duì)黏性團(tuán)粒的研究分析,得到了黏性土抗沖流速的經(jīng)驗(yàn)公式。王軍等[11]通過(guò)矩形水槽裝置,對(duì)6組不同粒徑的泥沙開(kāi)展了臨界切應(yīng)力沖刷試驗(yàn),指出了起動(dòng)切應(yīng)力與粒徑及固結(jié)程度的關(guān)系。吳月勇等[12]通過(guò)有壓水槽,對(duì)來(lái)自晉江濱海新區(qū)圍海造陸工程的21個(gè)不同級(jí)配的原狀泥沙樣本進(jìn)行了沖刷試驗(yàn),分析了在不同的水壓力下泥沙級(jí)配和黏粒含量對(duì)沖刷系數(shù)的影響。許琳娟等[13]通過(guò)有壓水槽試驗(yàn),研究并分析了固結(jié)泥塊物理屬性與起動(dòng)流速的關(guān)系,并給出了兩者之間的經(jīng)驗(yàn)公式。洪大林等[14]通過(guò)矩形有壓水槽對(duì)淮河入海水道中的原狀土體進(jìn)行了沖刷試驗(yàn),建立了起動(dòng)切應(yīng)力與抗剪強(qiáng)度的關(guān)系。以上成果主要是通過(guò)試驗(yàn)研究探討?zhàn)ば阅嗌吃谇逅虿豢紤]鹽度影響下的沖刷特性,研究結(jié)果豐富了對(duì)泥沙沖刷的認(rèn)識(shí),并已在部分實(shí)際工程中得到了良好的應(yīng)用。但是對(duì)于近海岸和河流入?？趤?lái)說(shuō),這種特定的區(qū)域是海水和河水的過(guò)渡地帶,時(shí)常發(fā)生海水倒灌入侵的現(xiàn)象,導(dǎo)致該區(qū)域內(nèi)既有海水來(lái)沙也有河水來(lái)沙,泥沙的鹽度條件十分復(fù)雜。鹽度作為黏性泥沙固結(jié)沖刷的眾多重要影響因素之一,會(huì)增強(qiáng)黏性泥沙的絮凝、團(tuán)聚效應(yīng)。既有研究在鹽度對(duì)泥沙沖刷影響方面的認(rèn)識(shí)仍存在不足。

基于此,本文針對(duì)兩種級(jí)配的黏性泥沙分別制備了不同鹽度的固結(jié)泥塊,并在矩形封閉水槽內(nèi)開(kāi)展沖刷試驗(yàn),分析鹽度對(duì)固結(jié)泥塊物理性質(zhì)的影響、固結(jié)泥塊物理指標(biāo)與沖刷系數(shù)之間的定量關(guān)系,得到鹽度對(duì)固結(jié)泥塊沖刷影響的定量表達(dá)式。

1 模型設(shè)計(jì)

以往在進(jìn)行泥沙沖刷試驗(yàn)研究時(shí),試驗(yàn)裝置常采用明渠水槽和封閉水槽?？紤]到常規(guī)的明渠水槽難以滿足較強(qiáng)的起動(dòng)條件,且控制試驗(yàn)條件困難,已經(jīng)有試驗(yàn)者使用封閉的玻璃水槽完成了泥沙的沖刷試驗(yàn),得了良好的試驗(yàn)效果,故本試驗(yàn)選用封閉的有機(jī)玻璃水槽。

水槽的斷面形式為矩形,其斷面尺寸為50 mm×110 mm,矩形水槽有效長(zhǎng)度為5 000 mm,試驗(yàn)時(shí)利用千斤頂將泥塊通過(guò)斷面形式為矩形、斷面尺寸為50 mm×200 mm的土樣槽推入水槽內(nèi)部,泥塊受沖面的幾何中心與水槽進(jìn)口處的間距為1 000 mm,土樣槽后均勻設(shè)置3個(gè)斷面形式為矩形、斷面尺寸為50 mm×100 mm的沉泥斗。整個(gè)水槽通過(guò)一臺(tái)流量為40 m3/h、揚(yáng)程為15 m的潛水泵提供清水,在潛水泵后的進(jìn)水管段依次設(shè)置閥門及流量計(jì),流量計(jì)的進(jìn)、出口前后均設(shè)置500 mm長(zhǎng)的平直圓管以保證流量計(jì)讀數(shù)的準(zhǔn)確性。試驗(yàn)時(shí)將泥塊通過(guò)土樣槽從下方推入水槽內(nèi),保證泥塊上表面與水槽下底面重合。當(dāng)泥塊上表面發(fā)生沖刷時(shí),通過(guò)調(diào)節(jié)千斤頂保持上述狀態(tài)。具體的試驗(yàn)水槽裝置如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)矩形水槽

2 方案設(shè)計(jì)

2.1 泥沙粒徑

相比中下游河段,河口段擁有更復(fù)雜的鹽度條件。為了更好地研究鹽度對(duì)固結(jié)泥塊沖刷的影響,本試驗(yàn)選取以上兩種泥沙樣本作為對(duì)比。泥沙樣本1來(lái)自黃河花園口,是典型的河流中下游段淡水泥沙;泥沙樣本2來(lái)自廣東珠江口,是典型的河口段含鹽泥沙。利用激光粒度分析儀(BT-9300ST)分析兩種泥沙樣本。泥沙樣本1的中值粒徑d50=9.392 μm,黏粒(d<0.05 mm)含量為32.48%;泥沙樣本2的中值粒徑d50=85.360 μm,黏粒含量為9.90%。所取泥沙的顆粒級(jí)配曲線如圖2所示。

圖2 泥沙顆粒級(jí)配曲線

2.2 泥塊制備

通常情況下,自然界中的黏性泥沙在水中的淤積固結(jié)主要分為兩個(gè)過(guò)程:首先,懸浮在水體中的泥沙顆粒沉降在河床底部;然后,隨著時(shí)間的推移,沉降下來(lái)的泥沙顆粒在河床底部固結(jié)密實(shí)為泥塊。為了使試驗(yàn)所用的固結(jié)泥塊與天然河道中的一致,需要在實(shí)驗(yàn)室中對(duì)前文提到的兩種沙樣進(jìn)行密實(shí)固結(jié)處理。

本次試驗(yàn)得到的泥沙樣本基本以塊狀的形式存在,因此為了配制不同鹽度的固結(jié)泥塊,首先需要對(duì)泥沙樣品進(jìn)行破碎處理,然后再將兩種泥沙樣品分別用配制好的不同濃度的鹽水?dāng)嚢杈鶆?得到鹽度分別為0‰、5‰、10‰、20‰、30‰、40‰的鹽泥。鹽泥在經(jīng)歷90 d的密實(shí)固結(jié)后,含水率、干密度等物理性質(zhì)的指標(biāo)變化已趨于穩(wěn)定[15]。利用電子鹽度計(jì)(WS-31)測(cè)定鹽泥的鹽度,待鹽泥的鹽度符合要求時(shí),再將鹽泥放入預(yù)先準(zhǔn)備好的模具中靜置90 d,模擬天然條件下黏性泥沙固結(jié)密實(shí)的過(guò)程。制備的泥塊如圖3所示。

圖3 固結(jié)泥塊制備

2.3 試驗(yàn)方案

對(duì)于利用泥沙樣本1和樣本2制備的泥塊1和泥塊2,首先分析不同鹽度對(duì)鹽泥固結(jié)成泥塊的影響,測(cè)量泥塊的含水率、干密度等物理屬性。其次,為了解在清水條件下不同鹽度泥塊的沖刷規(guī)律,根據(jù)土樣槽的尺寸(50 mm×200 mm × 200 mm)切分泥塊,將完整無(wú)裂縫的泥塊放入試驗(yàn)水槽內(nèi)的土樣槽中,觀察沖刷現(xiàn)象,記錄泥塊沖刷的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

測(cè)量不同鹽度對(duì)固結(jié)泥塊物理屬性的影響時(shí),首先在密實(shí)固結(jié)90 d的泥塊的四角及幾何中心按“五點(diǎn)式”取樣法取樣測(cè)量,然后將測(cè)得的鹽度、干密度數(shù)據(jù)取均值。為便于計(jì)算及試驗(yàn)操作,矩形試驗(yàn)水槽內(nèi)的流速根據(jù)水槽斷面面積和流量計(jì)算得到。泥塊的沖刷速率通過(guò)計(jì)算一定時(shí)間內(nèi)固結(jié)泥塊上表面幾何中心的“上推高度”(土樣槽旁貼有標(biāo)尺)得到。這樣,可以得到試驗(yàn)所需的固結(jié)泥塊的鹽度、含水率、干密度、沖刷速率等數(shù)據(jù)。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 鹽度對(duì)泥塊物理屬性的影響

為了解鹽度對(duì)固結(jié)泥塊干密度的影響,測(cè)量了固結(jié)泥塊的干密度、含水率等數(shù)據(jù)。圖4點(diǎn)繪了固結(jié)泥塊含水率(y)與鹽度(x)、干密度(ρd)與鹽度(x)的擬合關(guān)系,相關(guān)系數(shù)均超過(guò)0.91;表1、表2分別給出了其關(guān)系擬合曲線方程。

表1 含水率與鹽度擬合關(guān)系

表2 干密度與鹽度擬合關(guān)系

圖4 固結(jié)泥塊物理特性與鹽度關(guān)系

從圖4中可以看出,兩種固結(jié)泥塊的含水率均隨著鹽度的增大而減小,干密度隨著鹽度的增大而增大。這表明,在一定范圍內(nèi)鹽度越高,固結(jié)泥塊的含水率越低、干密度越大。

3.2 泥沙起動(dòng)

黏性泥沙在密實(shí)固結(jié)條件下,泥塊內(nèi)部由于泥沙顆粒間擁有很強(qiáng)的黏結(jié)力,導(dǎo)致在沖刷試驗(yàn)中固結(jié)泥塊以顆粒狀、塊狀、片狀的形式起動(dòng)[16]。根據(jù)觀察到的試驗(yàn)現(xiàn)象將固結(jié)泥塊的沖刷起動(dòng)分為兩種臨界狀態(tài):一是少量起動(dòng)(固結(jié)泥塊的剝蝕面上方出現(xiàn)肉眼可見(jiàn)的間歇性的微小變化,例如剝蝕面上方出現(xiàn)渾濁物、絮狀物,或是剝蝕面上出現(xiàn)麻坑,如圖5(a)所示);二是普遍起動(dòng)(固結(jié)泥塊的剝蝕面出現(xiàn)持續(xù)的明顯變化,如剝蝕面上方出現(xiàn)大量的渾濁物、絮狀物,或是固結(jié)泥塊以微團(tuán)、塊狀、片狀的形式大量脫落,如圖5(b)所示)。這兩種狀態(tài)可視為試驗(yàn)?zāi)鄩K沖刷時(shí)臨界起動(dòng)狀態(tài)的上限和下限,下文在分析時(shí)均采用少量起動(dòng)狀態(tài)時(shí)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖5 試驗(yàn)中泥沙起動(dòng)照片

固結(jié)泥塊的起動(dòng)主要受泥沙顆粒間的黏結(jié)力、水流的上舉力、拖曳力、重力等的影響。與此同時(shí),上述的黏結(jié)力與固結(jié)泥塊的干密度關(guān)系密切。圖6(a)點(diǎn)繪出了兩種固結(jié)泥塊的起動(dòng)切應(yīng)力τc與干密度ρd之間的關(guān)系。從圖6(a)中可以看出,固結(jié)泥塊的起動(dòng)切應(yīng)力τc隨著干密度ρd的增大而增大,即泥沙顆粒間的黏結(jié)力隨著干密度的增大而增大。固結(jié)泥塊的干密度越大,意味著相同體積下容納的泥沙顆粒越多,顆粒的間距越小,黏結(jié)力越大,對(duì)應(yīng)的固結(jié)泥塊的起動(dòng)切應(yīng)力τc越大。表3給出了兩種泥塊的起動(dòng)切應(yīng)力τc與干密度ρd的擬合關(guān)系,相關(guān)系數(shù)均超過(guò)0.93?？紤]到本試驗(yàn)所用的泥沙樣本1與文獻(xiàn)[16]中所使用的泥沙級(jí)配相當(dāng),擁有相似的力學(xué)性質(zhì),故在圖6(b)中繪制了本文和文獻(xiàn)[16]的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。由圖6(b)可知,二者的起動(dòng)切應(yīng)力τc均隨干密度ρd的增大而增大,試驗(yàn)結(jié)果的變化規(guī)律總體一致。

表3 起動(dòng)切應(yīng)力τc與干密度ρd擬合關(guān)系

圖6 起動(dòng)切應(yīng)力τc與干密度ρd擬合關(guān)系曲線

3.3 泥沙沖刷

固結(jié)泥塊的沖刷起動(dòng),在微觀上表現(xiàn)為單個(gè)泥沙顆粒在黏結(jié)力、拖曳力、重力等的共同作用下運(yùn)動(dòng)狀態(tài)由靜止轉(zhuǎn)變?yōu)檫\(yùn)動(dòng),進(jìn)而脫離主體;宏觀上表現(xiàn)為黏性泥層被水流剝蝕,并以顆粒團(tuán)的形式被水流沖走。固結(jié)泥塊的沖刷速率主要由水流切應(yīng)力和固結(jié)泥塊的抗沖刷作用共同決定,其中固結(jié)泥塊的抗沖刷作用由泥塊起動(dòng)切應(yīng)力和沖刷系數(shù)決定。水流對(duì)固結(jié)泥塊的剝蝕高度H可表示為[17]:

H=kd(τf-τc)Δt。

(1)

式中:H為固結(jié)泥塊的剝蝕高度,m;kd為土體的沖刷系數(shù),m3/(N·s);Δt為沖刷時(shí)間,s;τf為水流的平均切應(yīng)力,N/m2;τc為土體起動(dòng)切應(yīng)力,N/m2。當(dāng)且僅當(dāng)水流切應(yīng)力大于土體的起動(dòng)切應(yīng)力時(shí),土體才會(huì)被水流沖刷,對(duì)應(yīng)沖刷速率ε可表示為:

ε=kd(τf-τc)。

(2)

式中ε為沖刷速率,m/s。

由式(1)和式(2)可知,固結(jié)泥塊的沖刷速率ε除了受到水流切應(yīng)力影響外,還與固結(jié)泥塊的沖刷系數(shù)及起動(dòng)切應(yīng)力有關(guān),且沖刷系數(shù)是影響泥塊侵蝕量的主要參數(shù)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,得到不同鹽度的固結(jié)泥塊在不同水流切應(yīng)力下的沖刷速率,結(jié)合式(1)與式(2)點(diǎn)繪出沖刷系數(shù)kd與起動(dòng)切應(yīng)力τc的關(guān)系,具體見(jiàn)圖7(a)和圖7(b)。根據(jù)本文試驗(yàn)結(jié)果擬合出兩個(gè)泥塊樣本的沖刷系數(shù)kd與起動(dòng)切應(yīng)力τc之間的關(guān)系,結(jié)果見(jiàn)表4。將本文結(jié)果與宗全利等[16]、HANSON G J等[17]、WYNN T M等[18]、KARMAKER T等[19]的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,擬合關(guān)系曲線如圖7(c)所示,擬合曲線方程對(duì)比見(jiàn)表5。

表4 沖刷系數(shù)與起動(dòng)切應(yīng)力擬合關(guān)系

表5 沖刷系數(shù)kd與起動(dòng)切應(yīng)力τc擬合關(guān)系對(duì)比

圖7 沖刷系數(shù)kd與起動(dòng)切應(yīng)力τc的關(guān)系

由圖7(c)可知,本文及文獻(xiàn)[16-19]的試驗(yàn)結(jié)果均表明,沖刷系數(shù)kd隨起動(dòng)切應(yīng)力τc的增大而減小。將本文兩種泥塊的試驗(yàn)結(jié)果與文獻(xiàn)[16]的擬合結(jié)果對(duì)比可以看出:在起動(dòng)切應(yīng)力相同的情況下,泥塊1的沖刷系數(shù)小于文獻(xiàn)[16]中泥塊的沖刷系數(shù);泥塊2的沖刷系數(shù)大于文獻(xiàn)[16]中泥塊的沖刷系數(shù)。此外,泥塊1、泥塊2和文獻(xiàn)[16]中泥塊的沖刷系數(shù)均大于文獻(xiàn)[17-19]的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。這主要與試驗(yàn)?zāi)鄩K的黏粒含量有關(guān),泥塊1的黏粒含量為32.48%;泥塊2的黏粒含量為9.90%;文獻(xiàn)[16]泥塊的黏粒含量為24.6%;文獻(xiàn)[17-19]泥塊的黏粒含量均超過(guò)50%。黏粒含量越高,固結(jié)成的泥塊黏性越大,越不容易被沖刷,故沖刷系數(shù)越小。

圖8 沖刷系數(shù)kd與鹽度x的關(guān)系

kd=- 0.014 1x1.883-0.237 6x1.115+78.901 7。

(3)

應(yīng)當(dāng)指出,以泥塊1為例,鹽度為0‰的固結(jié)泥塊的干密度ρd=1.48 g/cm3、含水率y=30.40%;原狀土的干密度ρd=1.54 g/cm3、含水率y=32.98%。本試驗(yàn)為了引入“鹽度”這一變量,將原狀土經(jīng)過(guò)“粉碎—加水?dāng)嚢琛探Y(jié)密實(shí)”的步驟配制成了不同鹽度的固結(jié)泥塊,與原狀土相比,兩者在干密度和含水率等物理性質(zhì)指標(biāo)上基本一致。因此,本文得到的沖刷系數(shù)與鹽度的關(guān)系是可信的,但是要想更為精確地指出兩者之間的關(guān)系,還需要進(jìn)一步的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證。

4 結(jié)論

本文采用矩形封閉水槽開(kāi)展了不同鹽度的固結(jié)黏性泥沙沖刷試驗(yàn)研究,得到了如下結(jié)論:

1)相同固結(jié)歷時(shí)、相同顆粒級(jí)配的試驗(yàn)?zāi)鄩K的干密度隨鹽度增大而增大、含水率隨鹽度增大而減小;相同鹽度下,泥沙的粒徑越大,其固結(jié)泥塊的含水率越小,干密度越小。

2)根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分別擬合出了兩種顆粒級(jí)配下起動(dòng)切應(yīng)力與干密度的公式,相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.93以上,兩者均呈現(xiàn)出起動(dòng)切應(yīng)力隨干密度增大而增大的變化規(guī)律。

3)根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)擬合了沖刷系數(shù)與起動(dòng)切應(yīng)力的公式,相關(guān)系數(shù)為0.90;分析可知,沖刷系數(shù)隨起動(dòng)切應(yīng)力的增大而減小。

4)結(jié)合沖刷系數(shù)與起動(dòng)切應(yīng)力、起動(dòng)切應(yīng)力與干密度、干密度與鹽度之間的關(guān)系,擬合得到了沖刷系數(shù)(kd)與鹽度(x)的關(guān)系。分析表明:在0‰～40‰的鹽度范圍內(nèi),鹽度越大,沖刷系數(shù)越小,且兩者存在kd=- 0.014 1x1.883-0.237 6x1.115+78.901 7的關(guān)系。