謝永玉 （河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室 南京210098）

韓鴻勝 （交通運輸部天津水運工程科學(xué)研究所 天津300456）

泥沙水力特性是泥沙研究的重點，與泥沙運動形態(tài)、港口航道淤積和岸灘沖刷等都有非常直接的關(guān)系，因此進(jìn)行泥沙水力特性實驗非常必要。泥沙的起動關(guān)系著航道、港池和岸灘的淤積和沖刷，進(jìn)行泥沙起動實驗，工程意義重大。

江蘇如東岸外輻射沙洲屬廢棄河口潮流型細(xì)沙和粉砂質(zhì)海岸，[1-2]即岸灘為細(xì)沙，航道和港池為粉沙。由于細(xì)沙和粉沙水動力特性有較大不同，此海區(qū)的泥沙運移形態(tài)變化較大。泥沙淤積主要由港區(qū)和航道的粉砂引起，而岸灘沖刷的主要為細(xì)沙。因此需對航道泥沙和岸灘泥沙分別進(jìn)行波浪水槽實驗，研究泥沙起動和泥沙輸移特性，為如東地區(qū)港口的建設(shè)提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。本次實驗針對沙灘泥沙，為沙灘的沖刷和淤積研究提供理論參考。

目前，泥沙起動試驗普遍采用平床進(jìn)行試驗，確定泥沙起動狀態(tài)。但當(dāng)實際海床出現(xiàn)沙紋時，上述方法會出現(xiàn)一定的偏差。因此本文提出在沙紋床面進(jìn)行泥沙起動試驗，并定義其為輸沙起動，通過試驗，給出了輸沙起動的判定標(biāo)準(zhǔn)。

1 實驗?zāi)嗌程匦?/h2>

實驗用泥取自江蘇如東港擬建人工島的西太陽沙上，稱之為沙灘泥樣?，F(xiàn)場采用柱狀取樣器取泥，取樣深度為1.0 m。通過室內(nèi)泥沙顆粒實驗分析，得出3組泥沙粒級結(jié)果，如表1所示，顆分曲線見圖1。

表1 泥沙粒級實驗結(jié)果

圖1 如東港岸灘泥沙顆粒組成曲線

2 波、流作用下泥沙的起動實驗

2.1 實驗設(shè)備及方法

本實驗是在波、流水槽中進(jìn)行，該水槽尺寸長×寬×高=68.0 m×0.7 m×1.0 m。實驗段布置在水槽中部，槽底留有長3.0 m，高0.10 m的存泥槽。

鋪沙方法是首先將泥沙平鋪于水槽實驗段的存泥槽中，然后放入一定量的水，讓泥沙密實，待水槽內(nèi)泥沙密實到天然容重后再開始實驗。根據(jù)本實驗的結(jié)果，泥沙的密實時間一般在20 h左右。實驗時泥沙容重為1.907 g/cm3。

2.2 泥沙起動標(biāo)準(zhǔn)

由于泥沙起動標(biāo)準(zhǔn)較難掌握，并且對工程實際而言，只有在顆粒普遍起動，才有實際價值。但普遍起動只是一個概念，雖有文獻(xiàn)[3]對普遍起動進(jìn)行量化，但難于把握，為實驗標(biāo)準(zhǔn)化，需定義泥沙普遍起動。

在水流作用下，床面平整，在水流較小時，泥沙保持平靜狀態(tài)；隨著水流的增大，床面泥沙開始少量起動；隨著水流的再增大，床面開始普遍起動，形成沙紋，在形成沙紋的過程中，泥沙慢慢停止下來，不再運動；隨著水流的再增大，泥沙又開始起動，形成尺寸更明顯的沙紋，并開始懸揚；最后，當(dāng)水流達(dá)到一定程度時，沙紋開始消失，床面恢復(fù)平整狀態(tài)。由于普遍起動較難把握，推薦當(dāng)泥沙開始形成沙紋時，判定為普遍起動。

在波浪作用下，泥沙在沙紋上的起動分為幾個重要階段，在波浪較小時，沙紋上無起動，即床面上顆粒全部處于靜止?fàn)顟B(tài)；隨著波浪的增大，在沙紋波峰上輕微的泥沙起動；然后，泥沙起動的范圍慢慢向波谷方向推進(jìn)，同時，有少量泥沙開始懸揚，最后，沙紋上泥沙全部起動，開始產(chǎn)生大量懸移。為便于把握泥沙何時起動，應(yīng)進(jìn)行規(guī)范化，即推薦在床面形成沙紋后，當(dāng)沙紋波峰泥沙作小位移運動時，判定為普遍起動。

2.3 輸沙起動標(biāo)準(zhǔn)

對工程泥沙而言，相對于泥沙起動，泥沙何時開始輸沙的意義更為重大，即泥沙起動并不代表泥沙開始輸移，而泥沙何時開始輸沙關(guān)系著當(dāng)?shù)厥欠駴_淤。通過實驗觀察和研究，定義泥沙臨界輸沙起動，當(dāng)?shù)啬ψ枇魉俅笥谂R界輸沙起動摩阻流速時，當(dāng)?shù)赜袥_刷趨勢；當(dāng)?shù)啬ψ枇魉傩∮谂R界輸沙起動摩阻流速時，當(dāng)?shù)赜杏俜e趨勢。

通過實驗觀察，當(dāng)沙紋中軸線以上泥沙開始全部運動時，中軸線以上泥沙只進(jìn)行左右振蕩運動，并不產(chǎn)生泥沙輸移或輸移量極小，可忽略不計；當(dāng)波高繼續(xù)增大時，中軸線以下泥沙開始運動，且沙紋頂峰開始有部分懸沙運動，此時開始產(chǎn)生泥沙輸移。因此定義沙紋中軸線以上泥沙全部運動時，為輸沙臨界起動。當(dāng)?shù)啬ψ枇魉俅笥谳斏撑R界起動摩阻流速時，當(dāng)?shù)赜袥_刷趨勢；當(dāng)?shù)啬ψ枇魉傩∮谳斏撑R界起動摩阻流速時，當(dāng)?shù)赜杏俜e趨勢。

輸沙起動標(biāo)準(zhǔn)對工程意義重大，且在實驗中容易判別，減小人為誤差，為工程研究提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。

2.4 判別參數(shù)

本次實驗起動條件的確定采用摩阻流速、起動切應(yīng)力和Shield參數(shù)來表達(dá)，其中τcw和ψc的定義如下：

式中：τcw為起動切應(yīng)力，ρs為泥沙密度，ρ為水密度，g為重力加速度，d50為泥沙中值粒經(jīng)。

2.5 實驗結(jié)果

本次實驗分別進(jìn)行了水流、波浪和波流共同作用下的泥沙起動實驗，分述如下：

①水流作用下的泥沙起動：根據(jù)雅林流速對數(shù)分布公式，求解臨界起動時的摩阻流速，再應(yīng)用（1）式和（2）式計算臨界起動切應(yīng)力和臨界Shield參數(shù)，實驗結(jié)果見表2。

②波浪作用下的泥沙起動：根據(jù)文獻(xiàn)[4]中的波浪摩阻系數(shù)計算公式計算波浪摩阻系數(shù)，再應(yīng)用下式計算臨界摩阻流速：

其中，Ubm為底部最大軌跡速度，fw為波浪摩阻系數(shù)，U*為波浪摩阻流速，ρ為水的密度。并應(yīng)用（1）式和（2）式計算臨界起動切應(yīng)力和臨界Shield參數(shù)，實驗結(jié)果見表3。

③波浪和水流共同作用下的泥沙起動：應(yīng)用文獻(xiàn)[5]中推導(dǎo)的摩阻流速公式計算臨界起動摩阻流速，并應(yīng)用（1）式和（2）式計算臨界起動切應(yīng)力和臨界Shield參數(shù)，實驗結(jié)果見表4。

表3 波浪作用下起動流速實驗結(jié)果

表4 波、流共同作用下起動流速實驗結(jié)果

通過本次實驗可以得出：

①從實驗結(jié)果可以看出，由于泥沙較細(xì)，且沒有粘性，岸灘起動流速并不大。

②泥沙起動隨動力條件的改變而不同，從本實驗結(jié)果可以看出，泥沙在單純水流作用時起動摩阻流速最大，波、流共同作用時次之，單純波浪作用時泥沙起動摩阻流速最小，即呈U*w＜U*cw＜U*c的變化規(guī)律。

③對工程泥沙而言，相對于泥沙起動，泥沙何時開始輸沙的意義更為重大，因此在表3和表4同時給出了輸沙起動流速，為如東建港的研究論證提供參考意見。

3 結(jié)論

①采用波浪水槽實驗，了解泥沙的基本運移形態(tài)，為港口建設(shè)提供理論支持。

②本文明確了泥沙起動標(biāo)準(zhǔn)，在水流作用下，當(dāng)泥沙開始形成沙紋時，判定為普遍起動；在波浪和波流共同作用下，在沙紋形成后，沙紋峰頂泥沙作小位移運動時，判定為泥沙起動。

③本文提出了泥沙輸沙起動標(biāo)準(zhǔn)，即在沙紋形成后，沙紋中軸線以上泥沙全部處于運動時的摩阻流速，判定為輸沙起動摩阻流速。在實驗中，容易判別輸沙起動標(biāo)準(zhǔn)，減小人為誤差，為工程研究提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。且輸沙起動摩阻流速可用作工程泥沙沖淤的判定標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)?shù)啬ψ枇魉俅笥诖酥禃r，當(dāng)?shù)赜袥_刷趨勢；當(dāng)?shù)啬ψ枇魉傩∮诖酥禃r，當(dāng)?shù)赜杏俜e趨勢?！?/p>

[1]韓西軍，楊樹森，曹祖德．江蘇LNG項目橋墩周圍沖刷的實驗研究[J]．水道港口，2006，27（3）：152-156．

[2]錢寧，萬兆惠.泥沙運動力學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社，1983．

[3]張小峰，崔永章．泥沙起動判別條件和推移質(zhì)輸沙率[J]．泥沙研究，1996（2）：35-38．

[4]Josson,I.G.,Wave boundary layer and friction factors[C].Proceedings of the 10th international Conference on Coastal Engineering，ASCE，New York，1966：127-148.

[5]曹祖德，唐士芳，李蓓.波流共存時的剪切力[J]．水道港口，2001，22（2），56-60.