張 強(qiáng)，王 寅，陳春柏

(1.南昌工程學(xué)院水利與生態(tài)工程學(xué)院，江西 南昌 330099;2.江西省水文水資源與水環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330099)

關(guān)于泥沙的起動(dòng)和沖刷，目前已有了很多研究成果，近年來也有不少學(xué)者開始研究黏性土的起動(dòng)沖刷，但所涉及的研究對(duì)象多為黏性原狀土或是水庫、河床中淤積固結(jié)的黏性沙，對(duì)人工填筑黏性土的研究很少。人工填筑黏性土的起動(dòng)與散粒體泥沙的起動(dòng)有著明顯的不同，對(duì)散粒體泥沙來說，其起動(dòng)一般以單個(gè)顆粒散體形式為起動(dòng)單元，而對(duì)于人工填筑黏性土來說，由于顆粒間的黏結(jié)力作用，其起動(dòng)以成塊或成團(tuán)的形式進(jìn)行。到目前為止，還沒有提出比較統(tǒng)一的對(duì)起動(dòng)和沖刷機(jī)理的科學(xué)解釋，因此對(duì)人工填筑黏性土的起動(dòng)沖刷研究具有十分重要的理論意義。

為了研究人工填筑黏性土起動(dòng)沖刷特性，本文采用試驗(yàn)方法研究人工填筑黏性土的起動(dòng)沖刷特性，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析人工填筑黏性土起動(dòng)切應(yīng)力、沖刷率分別與各自影響因素之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，得出了無量綱的起動(dòng)切應(yīng)力和沖刷率的計(jì)算式。

1 試驗(yàn)裝置

以往對(duì)泥沙基本運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行試驗(yàn)研究時(shí)，運(yùn)用的試驗(yàn)裝置主要是普通明渠水槽和環(huán)形水槽［1-2］。在一般普通明渠水槽中控制試驗(yàn)條件比較困難，而且普通明渠水槽流速不大，對(duì)起動(dòng)切應(yīng)力較大的人工填筑黏性土無法適用。試驗(yàn)采用封閉有機(jī)玻璃管道水槽作為人工填筑黏性土起動(dòng)沖刷的試驗(yàn)裝置，水槽斷面為高3 cm、寬12 cm的矩形，長200 cm。試驗(yàn)時(shí)，試樣放置在內(nèi)徑為7 cm的土樣筒內(nèi)，在土樣筒的上下游各布置一個(gè)測(cè)壓管，上下游測(cè)壓管位置距土樣筒中心距離均為60 cm。土樣筒下方的頂土裝置為一橡膠活塞，在試驗(yàn)過程中，采用手動(dòng)升降螺桿來控制橡膠活塞以調(diào)整試樣在土樣筒內(nèi)的高度。流量由電磁流量計(jì)測(cè)出，管道最大平均流速為3 m/s。試樣裝置見圖1。

圖1 封閉有機(jī)玻璃管道水槽示意圖

2 起動(dòng)切應(yīng)力試驗(yàn)

試驗(yàn)選取的人工填筑黏性土為人工碾壓土，土樣為黃色，黏性顆粒(指粒徑小于0.005 mm的顆粒)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15.32%，中值粒徑為0.05 mm，不均勻系數(shù)為14.51，試驗(yàn)土樣顆粒級(jí)配曲線見圖2。試驗(yàn)中觀察土樣在水流作用下的起動(dòng)，并測(cè)量其相應(yīng)流量，利用河流動(dòng)力學(xué)、土力學(xué)等基本理論和方法對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析、歸納和總結(jié)。

圖2 試驗(yàn)土樣顆粒級(jí)配曲線

將土適當(dāng)曬干、碾碎后置于干凈的容器中，加入適量水?dāng)嚢杈鶆?，使土樣處于完全飽和狀態(tài)，靜置一段時(shí)間之后用質(zhì)量為32 kg的碾壓滾筒進(jìn)行分層均勻碾壓，并用試樣盒取樣。采用烘干法測(cè)量土樣干密度，利用頂土裝置將裝有試驗(yàn)土樣的試樣盒頂入土樣筒。先把土樣存放于土樣筒中，開動(dòng)水泵并調(diào)節(jié)閥門控制流量，待水流充滿整個(gè)玻璃水槽且矩形管道中流態(tài)穩(wěn)定后再將土樣推上使其表面暴露于矩形有壓流管道底面。緩慢調(diào)節(jié)閥門，使管道中流速緩慢增大，觀察試驗(yàn)土樣起動(dòng)情況。當(dāng)試驗(yàn)土樣達(dá)到起動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，記下管道中流量，即可通過計(jì)算得出該土樣的起動(dòng)切應(yīng)力。

人工碾壓條件下，土體的起動(dòng)切應(yīng)力隨著干密度的變化而變化。共完成10 組起動(dòng)切應(yīng)力試驗(yàn)，測(cè)得的數(shù)據(jù)為干密度、含水量、起動(dòng)流速等，如表1 所示。

表1 起動(dòng)切應(yīng)力試驗(yàn)結(jié)果

到目前為止，建立的泥沙起動(dòng)平衡條件主要有水平方向力的平衡、鉛直方向力的平衡和力矩的平衡3 類，而力的平衡作為滑動(dòng)平衡條件較合適，力矩的平衡作為滾動(dòng)平衡條件較合適。土體微團(tuán)的起動(dòng)有與散體泥沙起動(dòng)相類似的地方，故可以借鑒散體泥沙的起動(dòng)平衡條件。臨界起動(dòng)切應(yīng)力與干密度有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)公式［3-5］可表示為

式中:τc為土體起動(dòng)切應(yīng)力;ρd為土體的干密度;ε為系數(shù)，與黏結(jié)力系數(shù)、微團(tuán)尺寸及阻力系數(shù)有關(guān);n為指數(shù)。

式(1)中量綱不和諧，為了建立量綱和諧的計(jì)算公式，同時(shí)考慮散體泥沙起動(dòng)拖曳力公式形式［3］和人工填筑黏性土起動(dòng)主要影響因素，參照式(1)，提出以下計(jì)算公式:

式中:k為系數(shù);ρ為清水密度;g為重力加速度;R為水力半徑;m為指數(shù)。

對(duì)于計(jì)算公式中的系數(shù)和指數(shù)的求解，首先對(duì)公式(2)兩邊取對(duì)數(shù)，問題轉(zhuǎn)化為對(duì)n個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的數(shù)據(jù)擬合，然后利用SPSS 統(tǒng)計(jì)分析軟件求出回歸系數(shù)，最終得到人工填筑黏性土起動(dòng)切應(yīng)力計(jì)算公式為

3 沖刷率試驗(yàn)

沖刷率試驗(yàn)仍然在原起動(dòng)試驗(yàn)的水槽中進(jìn)行，所采用的試驗(yàn)土樣和起動(dòng)切應(yīng)力試驗(yàn)土樣一致。本研究忽略水流中的挾沙量，只討論清水時(shí)土體的沖刷率，重點(diǎn)分析沖刷率與水流指標(biāo)、土體物理指標(biāo)之間的關(guān)系。

將制備好的土樣放入裝置的土樣筒中，利用頂土裝置將其頂入。啟動(dòng)水泵，調(diào)節(jié)流量，觀察土體表面的起動(dòng)情況，待土體開始起動(dòng)之后固定流量進(jìn)行觀察，土樣隨水流的沖刷逐漸崩潰降低，當(dāng)土樣表面與水槽底部高差超過3 mm 時(shí)，通過手動(dòng)升降螺桿調(diào)整土樣高度使其表面基本與水槽底部齊平，使土樣筒所在斷面流速不發(fā)生較大變化，確保試驗(yàn)精度。利用土樣筒上的刻度讀取土樣沖刷高度Δh，并用秒表記錄沖刷時(shí)間Δt。讀取電磁流量計(jì)得到流量大小，除以矩形有壓流水槽的橫截面積即得流速，再根據(jù)有關(guān)公式即可算出水流切應(yīng)力。

不同組次具有不同含水量的土樣在不同流量條件下的沖刷率計(jì)算公式為

式中:E為沖刷率，m/s;Δh為沖刷高度，m;Δt為沖刷時(shí)間，s。

試驗(yàn)需測(cè)量的數(shù)據(jù)有含水量、干密度、流量、沖刷率，結(jié)果見表2。

表2 沖刷率試驗(yàn)結(jié)果

考慮到切應(yīng)力是影響土體沖刷的主要因素，許多研究者都通過現(xiàn)場(chǎng)或室內(nèi)試驗(yàn)來確定沖刷率與水流切應(yīng)力及臨界起動(dòng)切應(yīng)力的關(guān)系式［6-11］，這類公式形式為

式中:K為一個(gè)復(fù)雜的系數(shù)，表示土的抗沖性能;τ為水流切應(yīng)力;τ0為發(fā)生沖刷時(shí)的床面切應(yīng)力;p為指數(shù)。

式(5)將土的抗沖性能用一個(gè)復(fù)雜的系數(shù)來表示，未明確影響土的抗沖性能的主要參數(shù)。根據(jù)表2可知，隨著土樣的干密度逐漸增加，沖刷率迅速減小，因此在建立人工填筑黏性土沖刷率計(jì)算公式時(shí)必須考慮到干密度對(duì)沖刷率的影響。參照公式(5)，提出量綱和諧的計(jì)算公式:

式中:l為系數(shù);q，s為指數(shù)。

利用SPSS 統(tǒng)計(jì)分析軟件求出式(6)中的系數(shù)和指數(shù)，得到人工填筑黏性土沖刷率計(jì)算公式為)

4 人工填筑黏性土和自然淤積黏性泥沙起動(dòng)沖刷對(duì)比分析

人工填筑黏性土和黏性泥沙起動(dòng)沖刷有很大的差別，王軍等［5，12］曾做過黏性泥沙的起動(dòng)沖刷試驗(yàn)。圖3為文獻(xiàn)［5］試驗(yàn)采用的長江細(xì)顆粒泥沙沙樣級(jí)配曲線，中值粒徑為0.05 mm。

圖3 長江細(xì)顆粒泥沙沙樣級(jí)配曲線

表3為長江細(xì)顆粒泥沙淤積固結(jié)過程中起動(dòng)切應(yīng)力試驗(yàn)結(jié)果［5］和本文公式計(jì)算結(jié)果的比較。從表3可以看出，式(3)計(jì)算結(jié)果普遍比試驗(yàn)結(jié)果大，說明人工填筑黏性土的黏結(jié)力比淤積固結(jié)的黏性泥沙大得多，較難起動(dòng);隨著干密度的增大，人工填筑黏性土和黏性泥沙的起動(dòng)切應(yīng)力都增大。

表3 黏性泥沙起動(dòng)切應(yīng)力試驗(yàn)結(jié)果和本文公式計(jì)算結(jié)果的比較

人工填筑黏性土和黏性泥沙沖刷有很大的差別。表4為長江細(xì)顆粒泥沙淤積固結(jié)過程中黏性泥沙沖刷率試驗(yàn)結(jié)果［5］和本文公式計(jì)算結(jié)果的比較。從表4可以看出，干密度對(duì)黏性泥沙沖刷率影響比較明顯，在干密度一定的情況下，式(7)計(jì)算結(jié)果普遍比試驗(yàn)結(jié)果小，說明人工填筑黏性土較難沖刷，需要較大的水流切應(yīng)力;隨著干密度的增大，人工填筑黏性土和黏性泥沙的沖刷率都減小，兩者規(guī)律一致，但式(7)在不同密度下的計(jì)算結(jié)果差別不是很明顯。

表4 黏性泥沙沖刷率試驗(yàn)結(jié)果和本文公式計(jì)算結(jié)果的比較

5 結(jié) 論

a.確定了影響人工填筑黏性土起動(dòng)沖刷的主要因素，提出了量綱和諧的起動(dòng)切應(yīng)力和沖刷率的計(jì)算公式，運(yùn)用多元線性回歸方法確定了公式中的系數(shù)和指數(shù)。

b.人工填筑黏性土起動(dòng)切應(yīng)力隨著土體干密度增大而增大，人工填筑黏性土沖刷率隨著水流切應(yīng)力增大而增大，隨著干密度增大而減小。

c.人工填筑黏性土的黏結(jié)力比自然淤積固結(jié)的黏性泥沙大得多，較難起動(dòng)和沖刷，需要較大的水流切應(yīng)力。干密度對(duì)自然淤積黏性泥沙沖刷率的影響比對(duì)人工填筑黏性土要大。

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