吳月勇，范力陽(yáng)，陳國(guó)平，張典典，徐宇航

(1.河海大學(xué) 港口海岸及近海工程學(xué)院 海岸災(zāi)害與防護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210098；2.中國(guó)電建集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，長(zhǎng)沙 410014)

細(xì)顆粒黏性原狀土的沖刷特性試驗(yàn)研究

吳月勇1，范力陽(yáng)2，陳國(guó)平1，張典典1，徐宇航1

(1.河海大學(xué) 港口海岸及近海工程學(xué)院 海岸災(zāi)害與防護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210098；
2.中國(guó)電建集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，長(zhǎng)沙 410014)

基于物理模型試驗(yàn)，根據(jù)實(shí)測(cè)的沖刷率和床面切應(yīng)力來(lái)分析細(xì)顆粒黏性原狀土的沖刷特性，考慮水壓力的大小和臨界起動(dòng)狀態(tài)的不同對(duì)沖刷率源項(xiàng)公式參數(shù)的影響。結(jié)果表明：在不同的水壓力下，粉沙和細(xì)沙的沖刷率都與相對(duì)剩余切應(yīng)力成相同的指數(shù)關(guān)系，中值粒徑較小的粉沙的能量指數(shù)取0.5，細(xì)沙的能量指數(shù)取1。以普遍連續(xù)起動(dòng)為起動(dòng)狀態(tài)的沖刷系數(shù)較以少量起動(dòng)狀態(tài)作為起動(dòng)狀態(tài)要略大，能量指數(shù)要略大。此外，粉沙的沖刷系數(shù)為(0.8～9.8)×10-2kg·m2·s-1，細(xì)沙的沖刷系數(shù)為(0.2～5.5)×10-2kg·m2·s-1，細(xì)沙的抗沖性能要略強(qiáng)于粉沙。

黏性原狀土；水壓力；臨界起動(dòng)狀態(tài)；沖刷率；能量指數(shù)；沖刷系數(shù)

原狀泥沙的沖刷特性研究對(duì)河口海岸及內(nèi)河地區(qū)的工程建設(shè)、開發(fā)與治理有重要意義。Owen[1]最早提出沖刷率與剩余水流切應(yīng)力的線性公式，此外，洪大林[2]、田琦[3]、曹叔尤[4]等認(rèn)為沖刷率與相對(duì)剩余切應(yīng)力成線性關(guān)系。與此同時(shí)，Mehta[5]，Partheniades[6]、雷文韜[7]，孫志林[8]，李華國(guó)[9]，張強(qiáng)[10]，萬(wàn)兆惠[11]等通過物理模型試驗(yàn)，認(rèn)為細(xì)顆粒泥沙沖刷率與相對(duì)剩余切應(yīng)力呈指數(shù)關(guān)系，且指數(shù)取值與泥沙和水流特性有關(guān)。其中，李華國(guó)[9]認(rèn)為沖刷率與相對(duì)剩余切應(yīng)力呈平方關(guān)系，且淤泥粒徑越小，沖刷系數(shù)越??；張強(qiáng)[10]通過人工填筑黏土的沖刷試驗(yàn)認(rèn)為沖刷率與相對(duì)剩余切應(yīng)力成1.067次關(guān)系；萬(wàn)兆惠[11]則認(rèn)為對(duì)于粒徑較粗的散顆粒泥沙，水壓力增大不會(huì)引起其起動(dòng)流速變化，即水壓力的改變不會(huì)影響散粗泥沙的沖刷率源項(xiàng)公式參數(shù)。吳月勇[12]在同一種起動(dòng)狀態(tài)和同一個(gè)水壓力下，對(duì)14組黏性原狀土進(jìn)行起動(dòng)、沖刷試驗(yàn)，并擬合出沖刷率公式。

盡管前人對(duì)黏性原狀土的沖刷特性做了很多研究，但是水壓力和泥沙臨界起動(dòng)狀態(tài)不同對(duì)沖刷率與剩余水流切應(yīng)力之間關(guān)系的影響程度還未知，此外黏性原狀土的沖刷率公式中的能量指數(shù)和沖刷系數(shù)的取值還存在爭(zhēng)議。本文對(duì)福建晉江圍頭灣的8個(gè)細(xì)顆粒黏性原狀土樣進(jìn)行封閉有壓矩形管槽的沖刷率物理模型試驗(yàn)。本文分析了水壓力和泥沙起動(dòng)狀態(tài)對(duì)粉沙和細(xì)沙的沖刷特性的影響，并對(duì)不同起動(dòng)狀態(tài)和水壓力作用下的細(xì)顆粒泥沙的沖刷率源項(xiàng)公式進(jìn)行分析。

1 試驗(yàn)概述

1.1試驗(yàn)裝置與方法

由于細(xì)顆粒黏性原狀土的起動(dòng)流速較大，本次試驗(yàn)采用封閉有壓的有機(jī)玻璃水槽進(jìn)行沖刷試驗(yàn)，該系統(tǒng)由上下游測(cè)壓管、方形水槽等幾部分組成，具體見圖1。試驗(yàn)所用泥沙取自晉江濱海新區(qū)圍頭灣，原狀土樣取樣嚴(yán)格按《水運(yùn)工程巖土勘察規(guī)范》要求執(zhí)行，分層采取以保證土樣不擾動(dòng)，滿足試驗(yàn)的需要。受試樣和試驗(yàn)條件限制，按中值粒徑的不同將試樣分別取4組粉沙試樣和4組細(xì)沙試樣進(jìn)行起動(dòng)、沖刷試驗(yàn)。經(jīng)過土體的顆粒分析試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，8個(gè)土樣都含有不同含量的黏性顆粒(粒徑小于0.005 mm的顆粒)，均為黏性非均勻原狀土。按土體粒徑分類可知，土粒粒徑在5～75 μm之間的為粉沙，介于75～250 μm之間的為細(xì)沙。根據(jù)土體中值粒徑試驗(yàn)可知，1～4號(hào)試樣為粉沙試樣，4～8號(hào)試樣為細(xì)沙試樣。各個(gè)土樣的黏土含量與中值粒徑大小見表1。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Experimental device

為了研究泥沙起動(dòng)狀態(tài)判別對(duì)原狀土沖刷率的影響，將泥沙起動(dòng)狀態(tài)分為兩種：把“芯樣表面出現(xiàn)許多小的局部破壞或撕裂并伴隨少量沖刷發(fā)生”定義為少量起動(dòng)。將“芯樣表面出現(xiàn)許多小淺坑，土樣近似普遍連續(xù)起動(dòng)”定義為普遍起動(dòng)。逐漸增大進(jìn)水口流量，使試樣從靜止?fàn)顟B(tài)到少量起動(dòng)狀態(tài)和普遍起動(dòng)狀態(tài)，流量采用超聲波流量?jī)x進(jìn)行測(cè)量，水頭則通過讀取上下游測(cè)壓管水柱高度得出。

繼續(xù)增大流量使試樣表面開始沖刷，沖刷試驗(yàn)通過水槽底部的土樣升降裝置來(lái)適時(shí)調(diào)整土樣上升高度，該裝置通過電腦程序控制電機(jī)行程，精度可達(dá)0.02 mm。根據(jù)沖刷時(shí)的流量大小，控制升降裝置上頂?shù)男谐碳皶r(shí)間，例如“3 mm，100 s”，若出現(xiàn)土樣表面有高出或者低于水槽底部則重新相應(yīng)的減小或者增大升降裝置上頂行程，直至土樣在裝置上頂時(shí)間段內(nèi)始終與水槽底部保持平齊，則說明沖刷速率和巖芯上移速率平衡，則該巖芯上移速度即為沖刷速率，升降裝置上頂?shù)男谐碳皶r(shí)間即為沖刷高度和沖刷歷時(shí)。

1.2起動(dòng)切應(yīng)力與沖刷率計(jì)算方法

試驗(yàn)中的起動(dòng)切應(yīng)力和沖刷率按下式1～3進(jìn)行計(jì)算，其中

床面切應(yīng)力τ與摩阻流速的關(guān)系

(1)

式中：τ為床面切應(yīng)力，Nm2；u*為摩阻流速，ms；γ為水的重度，N·m-3；p1-p2為上下游測(cè)壓管壓力差，R為水力半徑，m；Δz為上下游測(cè)壓管水頭差，m；l為兩測(cè)壓管間距，m；J為水力坡度。

試驗(yàn)中，根據(jù)土樣沖刷高度Δh(mm)及沖刷歷時(shí)Δt(s)，測(cè)得的沖刷率與單位時(shí)間沖刷高度關(guān)系如下

(2)

式中：E為原狀土沖刷率，kg.m-2.s-1；ρs為沉積密度，g.cm-3。

參考前人研究成果，擬定公式基本結(jié)構(gòu)為下式(3)

(3)

將式(3)改寫為對(duì)數(shù)形式得到式(4)。

(4)

2 試驗(yàn)結(jié)果

下表1為試驗(yàn)實(shí)測(cè)的原狀土樣的起動(dòng)、沖刷率的數(shù)據(jù)結(jié)果。值得注意的是表中所指的起動(dòng)切應(yīng)力τc特指土樣起動(dòng)時(shí)的臨界床面切應(yīng)力；在每組土樣完全起動(dòng)后，通過逐級(jí)增加流量的方法，根據(jù)土樣情況進(jìn)行3～4組不等的沖刷率試驗(yàn)，根據(jù)式(1)計(jì)算得到對(duì)應(yīng)的床面切應(yīng)力τb。

同一種起動(dòng)狀態(tài)判別下的土樣的起動(dòng)切應(yīng)力與中值粒徑d50沒有明顯的關(guān)系，原因是由于黏性原狀土的起動(dòng)現(xiàn)象以微團(tuán)為單位，并不是以顆粒起動(dòng)為特征，再加上原狀土的不均勻性，使得中值粒徑相差無(wú)幾的土樣起動(dòng)切應(yīng)力相差較大，這一點(diǎn)洪大林[2]等人的原狀土試驗(yàn)也有類似的結(jié)論。盡管中值粒徑相近土樣的起動(dòng)切應(yīng)力相差較大，但是相應(yīng)的使土樣達(dá)到?jīng)_刷條件的床面切應(yīng)力也較大，因此式(3)、(4)用基本上可以消除起動(dòng)切應(yīng)力的差異性的影響。

3 結(jié)果分析

3.1水壓力對(duì)沖刷率的影響

將8個(gè)土樣的沖刷率、相對(duì)剩余切應(yīng)力按式(4)繪制散點(diǎn)圖并進(jìn)行線性擬合，其中橫坐標(biāo)為相對(duì)剩余切應(yīng)力的自然對(duì)數(shù)形式，縱坐標(biāo)為沖刷率的自然對(duì)數(shù)形式。粉沙試樣(1～4號(hào)試樣)和細(xì)沙試樣(5～8號(hào)試樣)在起動(dòng)判別狀態(tài)分別為少量起動(dòng)和普遍起動(dòng)下的沖刷率和相對(duì)剩余切應(yīng)力的關(guān)系如圖2所示。

2-a 少量起動(dòng)

2-b 普遍起動(dòng)圖2 沖刷率與相對(duì)剩余切應(yīng)力關(guān)系Fig.2 Relation between scour rate and relative residual shear stress

同一種起動(dòng)狀態(tài)下，隨著水壓力的增加，粉沙和細(xì)沙試樣的臨界起動(dòng)切應(yīng)力有增大的趨勢(shì)，這一點(diǎn)與萬(wàn)兆惠[11]用散顆粒非原狀土得出的結(jié)論相佐證，同時(shí)這也說明了水壓力的增加是對(duì)沖刷率源項(xiàng)公式中的參數(shù)τc、τb是有影響的。此外，分析圖2可知，大部分土樣的點(diǎn)據(jù)都呈現(xiàn)出大水頭數(shù)據(jù)點(diǎn)位于小水頭數(shù)據(jù)點(diǎn)之下的規(guī)律，這是因?yàn)榇笏畨毫ο碌钠饎?dòng)切應(yīng)力較大造成的。

上圖的共同規(guī)律是水頭分別為35 cm和235 cm時(shí)，4個(gè)粉沙試樣與4個(gè)細(xì)沙試樣的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)點(diǎn)都近似成直線分布。對(duì)8個(gè)試樣在兩種水壓力下的測(cè)點(diǎn)分別進(jìn)行線性擬合得出沖刷率曲線，8個(gè)試樣的沖刷率曲線相關(guān)系數(shù)R2均在0.65～0.98之間，擬合性較好。由此可知，在不同的水壓力作用下，沖刷率與相對(duì)剩余切應(yīng)力始終成指數(shù)關(guān)系，即水壓力的改變對(duì)原狀土的沖刷率源項(xiàng)公式的基本結(jié)構(gòu)。

3.2起動(dòng)狀態(tài)對(duì)沖刷率的影響

考慮泥沙臨界起動(dòng)狀態(tài)對(duì)泥沙沖刷率公式參數(shù)的影響主要就是考慮臨界起動(dòng)切應(yīng)力對(duì)泥沙沖刷率公式參數(shù)的影響，比較分析圖2中1～8個(gè)試樣所擬合的沖刷率曲線的斜率和截距，分別計(jì)算能量指數(shù)n和沖刷系數(shù)M。表1為泥沙起動(dòng)狀態(tài)定義為少量起動(dòng)和普遍連續(xù)起動(dòng)時(shí)的能量指數(shù)與沖刷系數(shù)的誤差表。

表1 兩種起動(dòng)狀態(tài)下的能量指數(shù)和沖刷系數(shù)誤差表Tab.1 Energy index and scour coefficient error for two incipient conditions

能量指數(shù)：由表1可知，兩種起動(dòng)狀態(tài)下，無(wú)論是粉沙還是細(xì)沙，同一個(gè)試樣的能量指數(shù)和沖刷系數(shù)M均存在一定誤差。1～8號(hào)土樣中，除了4號(hào)試樣外，以普遍連續(xù)起動(dòng)作為起動(dòng)狀態(tài)的其他幾個(gè)試樣的能量指數(shù)較以少量起動(dòng)作為起動(dòng)狀態(tài)的要小，但相對(duì)誤差均在-3.89%～-38.04%之間，總體差距不大，4號(hào)試樣的n的相對(duì)誤差則為0.16%。由于黏性原狀土的不均勻性和組成成分的復(fù)雜性，上述能量指數(shù)的誤差并不算大，因此可以認(rèn)為起動(dòng)狀態(tài)的影響對(duì)能量指數(shù)影響較小。對(duì)于4個(gè)粉沙試樣，由于其能量指數(shù)相互之間差距較小，4組試樣的n值的平均值為0.538，因此可以認(rèn)為粉沙的沖刷率與相對(duì)剩余切應(yīng)力成0.5次方關(guān)系。對(duì)于4個(gè)細(xì)沙試樣，盡管不同起動(dòng)狀態(tài)下的能量指數(shù)變化較小，但同一種起動(dòng)狀態(tài)下，彼此之間的能量指數(shù)差距較粉沙要大，最小僅為0.652，最大則為1.847，由此可以認(rèn)為顆粒粒徑對(duì)能量指數(shù)也有影響，粒徑較大的細(xì)顆粒泥沙的能量指數(shù)變化要較粉沙敏感。細(xì)沙的能量指數(shù)變化幅度較粉沙略大，但n的平均值為1.08，因此取其平均值1.08為細(xì)沙的能量指數(shù)，即細(xì)沙的沖刷率與相對(duì)剩余切應(yīng)力近似成1次方關(guān)系。

沖刷系數(shù)：同樣的，由表1可知：兩種起動(dòng)狀態(tài)下，8個(gè)試樣的沖刷系數(shù)M的相對(duì)誤差均在26.14%～118.94%之間。由此說明，以普遍連續(xù)起動(dòng)作為起動(dòng)狀態(tài)所計(jì)算的沖刷系數(shù)略大于以少量起動(dòng)作為起動(dòng)狀態(tài)的沖刷系數(shù)，沖刷系數(shù)越大表明土樣的抗沖刷性越弱。因此，同一個(gè)原狀土試樣，采用不同的起動(dòng)狀態(tài)作為臨界起動(dòng)計(jì)算出的沖刷系數(shù)是不同的，最大差距可達(dá)一倍，這有可能高估或者低估泥沙的抗沖刷性。但是總體而言，由于黏性原狀土的不均勻性和組成成分的復(fù)雜性，以上所得的沖刷系數(shù)誤差并不算大，均不超過一個(gè)數(shù)量級(jí)。

3.3沖刷率源項(xiàng)公式的確定

由前文可知，粉沙和細(xì)沙的沖刷系數(shù)分布范圍相對(duì)較寬，粉沙的沖刷系數(shù)為(0.8-9.8)×10-2kg·m2·s-1，細(xì)沙的沖刷系數(shù)為(0.2-5.5)×10-2kg·m2·s-1，因此想用一個(gè)固定常數(shù)來(lái)表示沖刷系數(shù)是不合理的，且雖然粉沙的沖刷系數(shù)與細(xì)沙的沖刷系數(shù)之間有交集，但是總體可以看出：細(xì)沙的抗沖性較粉沙要略強(qiáng)。

綜上，根據(jù)沖刷率試驗(yàn)得出的沖刷率表達(dá)式為，當(dāng)(τb>τc)時(shí)有

吳月勇[12]對(duì)14組粉沙、細(xì)沙試樣進(jìn)行起動(dòng)沖刷試驗(yàn)，其粉沙、細(xì)沙的能量指數(shù)分別為0.5和1；粉沙、細(xì)沙的沖刷系數(shù)分別為3.34×10-2kg·m2·s-1、8.4×10-3kg·m2·s-1，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與本文結(jié)果十分相似。但值得注意的是，本文所擬合公式為黏性原狀粉沙、黏性原狀細(xì)沙在不同水壓力、不同起動(dòng)狀態(tài)下的擬合結(jié)果，且試驗(yàn)土樣與吳月勇[12]的前期研究雖來(lái)于同一個(gè)工程區(qū)域，卻是完全不同的另一批土樣。而吳月勇[12]的結(jié)果是基于同一種起動(dòng)狀態(tài)和同一個(gè)水壓力下的沖刷率試驗(yàn)。這兩個(gè)結(jié)果基本相同，說明了對(duì)于粉沙和細(xì)沙，水壓力和起動(dòng)狀態(tài)的改變基本不會(huì)影響其沖刷率公式的能量指數(shù)，只是對(duì)沖刷系數(shù)略有影響，但也在一個(gè)數(shù)量級(jí)以內(nèi)。

4 結(jié)論

通過對(duì)4個(gè)粉沙、4個(gè)細(xì)沙的黏性原狀土的起動(dòng)沖刷試驗(yàn)得到了如下結(jié)論：(1)細(xì)沙和粉沙沖刷率與相對(duì)剩余切應(yīng)力成指數(shù)關(guān)系，水壓力的改變只是會(huì)影響沖刷率源項(xiàng)公式的床面切應(yīng)力的大小，并不會(huì)改變能量指數(shù)與沖刷系數(shù)；(2)起動(dòng)狀態(tài)的不同即臨界起動(dòng)切應(yīng)力的大小對(duì)能量指數(shù)和沖刷系數(shù)影響較小?？傮w來(lái)說，以普遍連續(xù)起動(dòng)為起動(dòng)狀態(tài)的能量指數(shù)n較以少量起動(dòng)狀態(tài)作為起動(dòng)狀態(tài)要略小，沖刷系數(shù)M要略大；(3)中值粒徑的大小對(duì)沖刷率公式的參數(shù)也有影響，中值粒徑更小的粉沙的能量指數(shù)變化幅度較小，均在0.5左右；細(xì)沙的能量指數(shù)變化幅度較大，平均值在1.08左右。分別將粉沙、細(xì)沙的能量指數(shù)n取為0.5和1。此外，粉沙的沖刷系數(shù)為(0.8～9.8)×10-2kg·m2·s-1，細(xì)沙的沖刷系數(shù)為(0.2～5.5)×10-2kg·m2·s-1?？傮w來(lái)說，細(xì)沙的抗沖性較粉沙要略強(qiáng)。

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Experimental study on erosion characteristics of cohesive undisturbed fine soil

WUYue-yong1,FANLi-yang2,CHENGuo-ping1,ZHANGDian-dian1,XUYu-hang1

(1.KeyLaboratoryofCoastalDisasterandDefence,MinistryofEducation,CollegeofCoastal,HarborandOffshoreEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098,China;2.ZhongnanEngineeringCorporationLimited,Changshan410014,China)

Based on physical model test, according to the measured erosion rate and bed shear stress, erosion characteristics of cohesive undisturbed fine soil were analyzed，considering the influence of water pressure and critical incipient condition on the parameters of the source term for scour rate formula. The results show that in different water pressure and incipient condition, the relation between erosion rate and relative residual shear stress of silt and fine sand is changeless. The energy index of silt is at around 0.5, and the energy index of fine sand is at around 1. The scouring coefficient of a general continuous incipient condition is slightly bigger than that with a small amount of incipient motion as a starting state. In addition, the scope of silt scouring coefficient is (0.8～9.8)x10-2kg.m2.s-1,and the scope of the fine sand erosion coefficient is (0.2～5.5)x10-2kg.m2.s-1, The impact resistance of sand is slightly stronger than that of silt.

cohesive undisturbed soil; water pressure; critical incipient condition; erosion rate; energy index; erosion coefficient

2017-02-06；

2017-05-15

吳月勇(1992-)，男，江蘇南京人，碩士研究生，主要從事港口海岸水動(dòng)力、波浪與建筑相互作用方面研究。

Biography：WU Yue-yong(1992-),male, master student.

TV 143；O 242.1

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1005-8443(2017)05-0453-05