第四章 黏性泥沙淤积固结条件下的冲刷基本特性

第一节 黏性泥沙冲刷概述

一、黏性泥沙起动冲刷的影响因素

黏性泥沙起动冲刷的影响因素主要有两方面：一方面是对水流动力条件的影响因素，另一方面是对泥沙抗冲条件的影响因素。而在淤积固结条件下，黏性泥沙一般表现较强的抗冲性。

影响水流动力条件主要有流量、流量的脉动强度［1］、河道的比降、断面形态及近底水流结构等因素，可以用水流切应力大小来表示［2］，这类影响可以归结为水流对泥沙的剪切动力作用，这一点与非黏性沙无区别。除此之外，张兰丁［3］认为影响黏性泥沙运动的主要因素为水流产生的脉动应力，在该力的作用下，胶团或团聚体间的结合逐渐松弛，从而浮起被水流带走。秦崇仁^［4^，5^］等认为在水流单独作用下淤泥难以起动，而在波浪的振动作用下淤泥容易起动和悬扬，所以水波共同作用下的淤泥冲刷强度比水流单独作用更为强烈。这一类影响可以归结为水流对泥沙悬扬的动力作用，同时也应包括水流的紊动扩散对黏性泥沙的动力作用。Charlotte Thompson和Carl Amogs［6］研究了水中泥沙颗粒与床面上固结泥沙碰撞产生的能量交换对河床冲刷的影响，指出一定条件下增加上游来沙会提高固结河床的冲刷强度。所以对黏性泥沙而言，水流含沙量增加不但增加水流黏滞力和水流挟沙能力，也增强了水中泥沙颗粒对淤积床面的碰撞作用，提高了能量交换作用。

影响黏性泥沙抗冲条件的因素主要与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。淤积固结条件下，黏性泥沙的抗冲能力受淤积历时、温度、淤积环境、淤积层厚度影响较大［7］。而淤积固结条件又会对泥沙自身物理化学性质有所影响［8］。

洪大林［9］还指出，由于黏性原状土成因和物质组成等的复杂性，它的起动或冲刷不仅是复杂的物理、力学现象，而且还与其结构特点、化学特性（如pH值）、温度、矿物组成等密切相关，甚至在其他指标相近的情况下，土的成因、形成年代等对其抗冲性能起着决定作用。事实上由于天然原状土是河道自然演变、沉积的结果，是各种水流条件下的综合，从而使原状土不可能均匀分布，而是呈各向异性，这也对起动冲刷产生重要的作用。一般而言，含铁、锰离子的黏性土，其抗冲刷强度明显加强，起动流速明显增大。土的成因、形成年代、淤泥夹沙（不均匀性）、含铁锰结核等这些不可定量描述的因素，也是影响其冲刷的因素之一，但这些因素的影响却不能用数量来表达。

因此，黏性土起动的影响因素非常复杂，且各学者的观点相差甚远，洪大林［9］、Berlamont［10］等分别对这些影响因素进行了总结，这些因素可综合表述如下：

（1）物理指标——容重（密度）、含水量、液塑性、颗粒级配及其不均匀性、黏性含量对起动起着重要作用。

（2）抗剪强度——凝聚力（黏结力）与摩擦力的综合作用结果是黏性土起动的重要影响因素。

（3）土质成因对起动也起着非常重要的作用，同样特性的黏性土，其成因不同，所形成的土质微观结构形式也不同，造成的结果也不会相同。

（4）化学特性、矿物组成和所处的环境（如温度等）对起动的影响也是不可忽略的。

一般不同河道间的黏性土抗冲条件不尽相同，但是对于同一条河流而言，抗冲条件与物理力学指标之间存在明显的规律性，如起动临界条件随抗剪强度的减小而增大，随含水量增大而减小。

除上述影响因素外，冻融、渗流、管涌、植被等均会对黏性泥沙的抗冲条件有一定的影响。为了到达工程清淤的目的，采用射流、挖泥等人工措施也可以降低黏性淤积物质的抗冲条件，增加河床冲刷量［11-16］。

二、黏性泥沙冲刷率的计算研究

为了对河床冲淤变化进行评价，需要了解河床冲刷率。通常将河床冲刷率定义为水流在单位时间内从单位面积河床上冲刷带走的泥沙重量。Partheniads［17-19］的试验表明，黏性泥沙的冲刷是由底部的切应力决定的，所有黏性泥沙沉积的切向应力小于最小的冲刷切向应力。同时Partheniads认为黏性泥沙淤积固结后个别土块和团粒的尺寸起着很重要的作用，而没有揭示出在切应力与冲刷性之间有明确的关系。考虑到切应力是影响泥沙运动的主要因素，许多研究者都通过现场或室内试验来确定淤积固结条件下黏性泥沙的冲刷率与水流切应力及临界起动切应力之间的经验关系式。

1.水槽方法

在冲刷水槽试验中，普通明渠水槽、环形水槽、各种侵蚀冲刷水槽均被广泛使用［20-24］。如曹叔尤［25］利用环形水槽进行了不同孔隙率和干密度淤积物冲刷试验，并将冲刷率试验结果用下述公式来表示：

上式中的τ为水流切应力。K是一个复杂参数，而曹叔尤认为自由孔隙比e_r除反映了淤积物粒径及级配外，还反映了淤积物的密实程度，并由试验资料得出K的计算式：

Osman和Thorne［26］提出了黏性河岸横向冲刷公式：

式中：ΔB为Δt时间内河岸因水流横向冲刷而后退的距离，m；γ_s为干密度；C_l为横向冲刷系数，与河岸土体的物理化学特性有关。Osman根据室内试验结果得到C_l=3.64×10^-4。同样Kandiah［27］和李华国［28］也得出与式（4-1）类似的公式。这类公式也可统一成如下形式：

式（4-4）中K的可定义为冲刷系数，表示淤积物抗冲性能，所以K，n并非常数，而是淤积固结特性的函数。

Robert［29］同时考虑了粒径和干密度对细颗粒石英沙冲刷率的影响，提出以下公式：

并根据大量冲刷试验数据，求出公式中相应的系数A、n、m，认为系数A、n、m与颗粒中值粒径有关，当中值粒径增加时，n增大而m减小，特别当中值粒径大于0.22mm时，冲刷率与干密度没有关系，m可取为零。

根据Robert的试验结果，Krone［30］将干密度对冲刷率的影响分为两个不同的阶段，在相同水流条件下，不同阶段的淤积物干密度ρ_b对冲刷率的影响呈现明显的强弱区别，并以此为基础建立了冲刷率公式：

式（4-6）中E，τ分别以g/（cm²·s），N/cm²记，ρ_max为不同细颗粒石英沙最终能达到的最大干密度。而Robert提出对细颗粒黏性泥沙而言，不同淤积固结阶段淤积物最终能达到的最大干密度显然也是有所区别的，冲刷率随水流切应力的变化关系将更为复杂，试验方法也需要针对淤积初始密度更小的天然黏性泥沙。

在上述这些公式中并没有考虑冲刷率随冲刷时间的变化关系，所以这类公式适用在淤积物淤积固结特性不随冲刷深度变化，冲刷过程比较恒定缓慢的情况。而在实际中冲刷率随冲刷时间、冲刷深度都会有所变化［31］，在此基础上Sanford和Mehta［32］提出了下述公式来计算不同冲刷过程的冲刷率：

公式中γ=dτ_c/dz，即起动切应力随冲刷深度的变化率，ρ_d（z）是不同深度淤积物干密度，t是时间，β是常数，τ_c0是某一冲刷阶段t₀时刻的起动切应力。Aberle［31］利用Avon River和Raglan Harbour等实测资料介绍了确定式（4-7）参数的方法。但实际中淤积物的固结特性随淤积厚度变化情况尚不是很清楚，所以式（4-7）的运用受到了很大的限制。

洪大林运用封闭矩形有压管道水槽研究了原状土冲刷特性，并比较了有压水槽与开敞无压水槽试验结果，认为矩形封闭有压水槽的试验结果完全可以代表开敞无压水槽试验结果，这为研究黏性泥沙冲刷特性提供了可靠的方法。遗憾的是由于受原状土土样的复杂性的影响，在天然情况下几乎找不到两个完全一致的土样，在这样的情况下，难以得出比较有规律性的成果是可想而知的。因此必须将复杂问题简单化，从重塑土入手，研究其冲刷机理。

2.其他方法

对黏性土的冲刷研究，还有一种分析方法，即将速率论（the Rate Process Theory）的方法从土力学的蠕变引申到黏性土的冲刷。目前的研究水平在于确定与土体物理性质有关的参数［25^{，33，34］}，如对于试验活化能（experiment activation energy）和流动体积（flow volumes），其表达式分别为：

式中：K为玻尔兹曼常数；T为试验温度；R为通用气体常数；E₁，E₂分别为切应力τ₁，τ₂时的冲刷率。如当确定流动体积后，冲刷率可记为：

在已知一个切应力对应的冲刷率之后，便可求出其余各种切应力下的冲刷率。