第二篇黏性泥沙淤积固结条件下的起动冲刷特性

第三章黏性泥沙淤积固结条件下的起动特性

第一节黏性泥沙起动概述

黏性泥沙起动时的运动形式与非黏性沙不同。当非黏性泥沙被水流冲动时，是以单个颗粒的形式运动，而黏性细颗粒泥沙具有成团起动的特点，许多试验研究［1-4］都曾揭示过这一现象。与粗颗粒的分散运动完全不同，黏性细颗粒泥沙淤积物以大小不等的颗粒集团或泥块为起动单元，床面冲刷常常是以局部“缺陷—扩展—崩溃”的形式出现。秦崇仁和张金凤［5］进一步指出黏性细颗粒泥沙从稳定状态到失稳是一个很短暂的过程，并且泥沙一旦起动，就会以悬移质形态输移。

黏性泥沙起动除了受水流动力条件和泥沙抗冲条件影响。影响水流动力条件主要有流量、流量的脉动强度、河道的比降、断面形态及近底水流结构等因素［6-8］，可以用水流切应力大小来表示。这类影响可以归结为水流对泥沙的剪切动力作用，这一点与非黏性沙一致。

黏性泥沙抗冲性影响因素非常复杂，各学者的观点相差较远。概括起来说，主要与黏性泥沙抗冲性泥沙物理化学性质和淤积固结条件有关。其中泥沙物理化学性质包括颗粒大小形状及级配、泥沙矿物组成、干密度、液塑性、抗剪强度等，淤积固结条件主要指淤积历时、温度、淤积环境、淤积层厚度等。

国内沙玉清、窦国仁、张瑞瑾、唐存本［9］、卢金友［10］等很早就开始研究黏性泥沙起动问题，认为黏性细颗粒泥沙与粗颗粒泥沙起动差别主要在于细颗粒泥沙受黏结力与薄膜水附加下压力的影响。他们通过对长江口淤泥、连云港海泥、天津塘沽新港淤泥等进行试验，建立了泥沙起动的公式，公式中主要包括重力、黏结力、薄膜水附加压力等项。这些公式在实际工作得到应用，促进了河流动力学和工程泥沙学科的发展，但他们所研究的对象主要是新淤黏性土，泥沙起动时仍然按单个泥沙颗粒来处理，其容重、含水量等物理指标与固结黏性土有较大差别。

王兆印［11］在做水库黏性淤积物泄空冲刷模型试验中，注意到黏性淤泥低流速时纹丝不动，逐步加大流量，当流速增大到一定值时，黏性淤泥先被冲起一小块，随后沿此缺口，一块一块的黏性淤泥迅速被水流剥落冲走。使其冲刷、剥落的最小流速记为临界冲刷流速U_c，它与黏性淤泥干密度γ_b成如下经验公式：

徐伦［12］在研究水库溯源冲刷时，根据黏性土的固结密实程度，将黏土分为新淤黏性土、低固结密实黏性土、高固结密实黏性土。他认为黏性土的固结密实度是影响黏性土起动的主要因素，并得出黄河花园口黏性土的临界切应力公式为：

式中：τ_c为临界起动切应力淤积物干密度；γ′为淤积物干密度。试验中干密度变化范围为0.646～0.979g/cm³。

韩其为^［1^，13^］提出黏性土成团起动的概念，并由此出发，再考虑黏着力及薄膜水附压力下分析了土块成团起动的临界条件，得到了成团起动的起动流速：

从上式中看出，除决定单颗泥沙起动流速的颗粒粒径d，颗粒比重γ_s，水深H外，公式中还采用了淤积物干密度，颗粒间的相对缝隙t/δ₁，当量直径D₀及形状系数λ，可见式（3-3）考虑的因素是颇为全面的，是比较符合黏性泥沙实际起动情况的，但公式的形式也是比较复杂的。

杨铁笙等［2］以电化学中微细颗粒相互作用理论为基础，研究了在水深条件下黏性淤积物的起动条件，指出其与干密度、水深关系密切，并建立了以水深H和干密度γ′为宏观参数的黏性细颗粒泥沙起动切应力公式。起动切应力公式为：

式中：τ_c为起动切应力；H为水深；d为泥沙中值粒径；γ′为淤积物干密度；γ′_m为淤积物稳定干密度；A_m、B_m分别为系数，可通过试验确定。

黄岁梁［14］通过和土力学中黏性土边坡滑动稳定分析类比，认为河流中黏性类土的起动分析可借鉴土力学中黏性土边坡稳定分析的研究成果。在此基础上，提出一种新的黏性类土起动分析模式：

式中：ρ_s为黏性土密度；α为河床纵坡；l为起动土体的弧长；C为系数。

该式表明，黏性类土的起动不仅和水流作用的切应力、土体的抗剪力有关，而且还和土体的重力作用（有效重量）有关。黄岁梁还指出对应于不同的固结程度（阶段），土体重力作用的相对重要性是不同的，不应该一律忽略。

洪大林［15］分析了黏性原状土起动机理，认为黏性微团起动过程中主要受微团水下重力W_s、水流上举力F_y、水平拖曳力F_x和微团间黏结力N作用。其中，洪大林引入土力学中土的抗剪强度概念，令黏结力，τ_f为土的抗剪强度指标，与凝聚力c及其摩擦角α之间的关系可以表示为τ_f=σtanφ+c。黏性土团受力分析情况如图3-1所示。

图3-1 黏性土团受力情况分析

由于黏性土团在起动瞬间服从力矩平衡原理，即满足：

则可推导得出黏性土起动切应力公式：

同时，洪大林还总结、分析了各河道黏性原状土的起动规律，发现由于各河道间的土质在形成条件、原因等方面存在差别，即使具有相近的物理力学特性，其起动临界条件也不尽相同。而对某一条河流而言，起动临界条件与物理力学指标之间则存在明显的规律性；即对淤泥质黏土，起动临界条件随抗剪强度的减小而增大，随含水量的增大而减小；粉质黏土的起动临界条件最小，与抗剪强度、含水量呈非线性关系；黏土起动临界条件则随抗剪强度、含水量的增大而增大。

Dune［16］曾在美国科罗拉多洲、内布拉斯加洲、怀俄明州的黏性渠道中测定了从沙到黏土的τ_c值。其试验装置包括一个水箱，水箱中有一个淹没在水中的喷水嘴，在喷嘴冲蚀的区域上进行流体力学测定。Dune用专门仪器测量了被跌冲水流冲刷过的试样冲刷坑深度，并由此来确定土的抗冲刷强度。根据试验研究，他得出结论认为，抗冲刷强度与粒径级配（粒度小于0.06mm的百分比含量）、塑性指数和土的抗剪强度之间存在关系，并提出“冲刷时黏性土的抗冲刷能力与内聚力存在关系”的观点。

Migniot^［17^，18^］曾对淤泥质的起动问题进行过详细的研究，图3-2为沉积物的浓度和起动摩阻流速之间的关系。由此可以看出，随着淤积物的密实和浓度的加大，起动摩阻流速显著增大。图中不同地点取得的样品之所以自成不同的曲线，是由于这些淤泥质的矿物组成有所差异而造成的。这样的淤泥已经属于宾汉体的范畴，在起动摩阻流速与宾汉极限剪切力之间有明显的相关性，如图3-3所示。在τ_B<15dyn/cm²时，淤泥质处于塑性状态，尚未完全固结，这时

当τ_B>15dyn/cm²时，淤泥质已固结，这时

Grissinger［19］进行了大量重塑土的冲刷试验，研究了在其他条件不变的情况下，体积密度、水温、黏土矿物的类型和定位以及黏土百分率对侵蚀的影响。他分析了自己的试验结果，得出如下几点结论：

（1）黏土颗粒相互间的排列组合对冲刷影响很大。

（2）在一般情况下，土壤中黏土含量的增加，将会加大土壤的抗冲刷能力。

（3）在试验以前土样的含水量与冲刷率关系很大。

（4）试验土样受压不受压，可以使冲刷率相差10倍。

（5）水温自20℃增加到35℃时，可以使冲刷率加大1倍。

J.William和Kerin［20］研究了加拿大西北地区Normal Welb的Macknize河黏性土，他们认为，起动切应力和土壤性质有关，图3-2、图3-3显示了切应力与土壤抗压强度、抗剪强度之间的关系，其试验土样黏性含量为60%。图3-4、图3-5显示了起动切应力和黏性土含量、固结强度的关系。