孔令雙，徐 斌，陸 佳，賈 曉

(1. 上海河口海岸科學(xué)研究中心，上海 201201; 2. 上海河口海岸工程勘測設(shè)計有限公司，上海 201201)

長江口北槽中下段床面泥沙以粉砂和極細(xì)砂為主。2014年北槽河床質(zhì)采樣分析結(jié)果表明[1]，北槽中下段南側(cè)邊灘床沙以砂為主，砂的含量≥50%，粉砂的含量為10%～40%，黏土的含量≤10%；北側(cè)邊灘床沙的粉砂含量為50%～70%，砂的含量≤20%，黏土含量為10%～30%。北槽中下段灘面平均中值粒徑在0.035～0.070 mm之間(不同季節(jié))，此種泥沙在波浪作用下極易起動。長江口7月～9月是大風(fēng)/臺風(fēng)的多發(fā)季節(jié)，占全年的80%左右。臺風(fēng)浪的能量大，水下灘面細(xì)顆粒泥沙被風(fēng)浪掀起，成為航槽驟淤的主要泥沙來源，現(xiàn)場觀測到的長江口大風(fēng)天后的底部含沙量可達(dá)幾十千克每立方米[2]。

波浪作用下的泥沙起動問題，是河口海岸動力學(xué)中的基礎(chǔ)問題，也是泥沙研究中的重要課題。對于波浪作用下的泥沙起動問題，已有很多重要研究成果。從研究方法來看，大體可分為2類。第一類方法是將理論分析與水槽試驗相結(jié)合，建立比較通用的波浪作用下泥沙的起動公式。如竇國仁等[3]在全面分析泥沙粒徑的受力情況下，通過對顆粒間的粘結(jié)力、薄膜水固體性質(zhì)導(dǎo)致的附加靜水壓力和波浪慣性力的考慮，導(dǎo)出了適用于粗、細(xì)顆粒泥沙起動的統(tǒng)一公式；曹祖德等[4]從邊界層理論出發(fā)，得出波、流共同作用下的床面剪切力，進(jìn)而通過大量泥沙起動試驗，繪制了波、流共同作用下的泥沙起動Shields曲線，進(jìn)一步建立了層流和紊流階段的泥沙起動公式；劉家駒[5]根據(jù)波浪作用下沙粒在重力、水平推力、繞流上舉力及黏著力的滾動力矩極限平衡條件下得到了泥沙的起動波高；趙子丹[6]在Madsen和Grant[7]研究的基礎(chǔ)上，對波浪作用下的床面剪切力進(jìn)行了修正，進(jìn)而對波浪作用下泥沙起動公式進(jìn)行了修正，并利用大量的實測數(shù)據(jù)驗證了公式的有效性；周益人和尹昌安[8]在通過理論分析，提出波浪邊界層泥沙起動概念，借助水流泥沙起動研究方法，得到波浪作用下泥沙起動標(biāo)準(zhǔn)曲線并給出相應(yīng)的計算公式，并用大量試驗資料進(jìn)行了驗證；李壽千等[9]基于波浪邊界層理論及單向流泥沙起動Shields曲線，推證出了波浪泥沙起動Shields曲線。第二類方法是經(jīng)驗類，其中有些采用水槽試驗，對某些特定泥沙的起動特性或者起動臨界條件進(jìn)行了研究[10-13]。

采用長江口北槽中下段的灘面泥沙，利用波浪長直水槽進(jìn)行了不同水深、不同波周期條件下的泥沙起動試驗研究，得到長江口北槽中下段灘面泥沙的起動特性，為長江口大風(fēng)天航道驟淤研究提供支撐。

1 試驗概況

1.1 試驗設(shè)備

波浪作用下泥沙起動試驗在波浪水槽中進(jìn)行，水槽尺寸為135 m×1.0 m×1.2 m(長×寬×高)，水槽尾部設(shè)有人字形消波器及消浪斜坡。試驗段前后端布置波高儀，測量波浪要素；含沙量采用分層取樣、過濾稱重法和OBS濁度儀相結(jié)合的方法測量，其中OBS濁度儀試驗前通過標(biāo)定，建立水體濁度與泥沙濃度的相關(guān)關(guān)系，從而得到泥沙含量。OBS濁度儀的標(biāo)定結(jié)果見圖1。

圖1 OBS濁度儀的標(biāo)定結(jié)果Fig. 1 Calibration of OBS

1.2 試驗布置

在水槽中段開設(shè)一段長3.0 m，高0.08 m的貯泥槽，試驗時泥沙鋪設(shè)其中(圖2)。試驗段開始和結(jié)尾處各布波高儀1臺，用以測量試驗波高；試驗段中部布置流速儀1臺，用以測量近底流速；鋪沙后段共布置3個OBS濁度儀，用以測量不同水深位置的含沙量。在鋪沙中點略靠后側(cè)布置了1臺濁度儀和取水樣裝置，二者布置在一套可自動升降的裝置上，此臺濁度儀和所取水樣點位一致。

圖2 試驗布置示意Fig. 2 The test layout

1.3 試驗?zāi)嗌?/h3>

試驗沙樣取自北槽中下段灘面泥沙，采用激光粒度儀對現(xiàn)場采集的沙樣進(jìn)行顆分測量。首先取出適量沙樣在燒杯中稀釋并加入適量雙氧水和分散劑，靜置一天后攪拌均勻，經(jīng)超聲波振蕩后，全部倒入激光粒度儀進(jìn)行顆分測量，然后整理沙樣顆分結(jié)果，繪制級配曲線圖(見圖3)。

圖3 試驗?zāi)嗌臣壟淝€Fig. 3 Test sediment grading curve

本次試驗?zāi)嗌骋源址凵昂蜆O細(xì)沙為主，泥沙中值粒徑為0.063 mm，黏土含量約10%。

1.4 試驗組次

本次試驗進(jìn)行了不同水深(30 cm、35 cm、40 cm)、不同波周期(1.0 s、1.5 s、2.0 s)條件下的泥沙起動試驗，試驗組次見表1。本次試驗?zāi)康闹皇峭ㄟ^試驗獲取北槽灘面泥沙的起動條件；其二是了解不同水深和波浪周期對長江口北槽床面泥沙起動規(guī)律的影響。通過試驗分析得到的臨界起動切應(yīng)力，可以反推得到現(xiàn)場不同水深、不同波周期條件下，床面泥沙的起動波高。對于分析長江口波浪作用下泥沙起動特性進(jìn)而分析長江口航道回淤提供技術(shù)支撐。

試驗開始前，將試驗?zāi)嗌尺M(jìn)行了充分?jǐn)嚢?，取適量泥沙浸水并自然密實1天，測定其容重為1.75 g/cm3，該值和北槽原狀土的容重相近。因試驗中鋪好的泥沙無法取出測其容重，所以待泥沙自然密實1天后開始試驗，認(rèn)為試驗?zāi)嗌吵跏既葜貫?.75 g/cm3。本次試驗未對不同密實時間(不同初始容重)的泥沙進(jìn)行試驗。

1.5 試驗過程

試驗前先將浸泡并攪拌好的泥沙均勻鋪在水槽的貯泥槽中，并將泥沙床面抹平，之后緩慢注入自來水至試驗水深，待泥沙自然密實1天后開始試驗。每組試驗前均重新攪拌鋪沙、自然密實1天。試驗時，波高先從小波開始，然后逐漸增大。波浪作用是逐次進(jìn)行的，在小波作用下，觀察到底沙沒有起動，停止造波，等床面泥沙完全靜止穩(wěn)定后，再進(jìn)行下一個波高的試驗。試驗人員在鋪沙段觀察水體顏色、泥面的變化情況，同時通過OBS濁度儀監(jiān)測水體中濁度值的變化。本次試驗?zāi)嗌碁榧?xì)顆粒泥沙，泥沙起動以底沙的卷起、懸揚為主，同時又有部分底泥的輸移[9]。試驗過程中，根據(jù)直接觀察和含沙量變化過程分析，以床面泥沙“大量懸揚”作為泥沙起動的判別標(biāo)準(zhǔn)。

在小波浪作用下，床面表層泥沙有輕微的蕩漾、蠕動，但泥沙并無卷起現(xiàn)象；波高加大時，參與晃動的泥沙增多，在床面薄弱的地方有小團(tuán)的泥沙卷起、懸揚；當(dāng)波高增加到一定強(qiáng)度時，大量泥沙參與運動，近底形成高濃度的含沙水體，在波浪的持續(xù)作用下，部分泥沙懸揚至上部水體，水體逐漸變得渾濁，此時，濁度計的信號也明顯變大。本次起動試驗以底沙大量起動即床面漩渦遍布、泥沙以濃煙形式從床面多個位置上懸起、部分顆粒發(fā)生躍動以及濁度計信號明顯增加等多個現(xiàn)象同時發(fā)生時作為起動的判別標(biāo)準(zhǔn)。

1.6 關(guān)于泥沙起動和揚動的區(qū)別

1) 從概念(現(xiàn)象)描述來看，泥沙起動是指當(dāng)水流逐步加強(qiáng)到超過一定限度以后，床面的泥沙顆粒開始脫離靜止?fàn)顟B(tài)而進(jìn)入運動。泥沙揚動是指當(dāng)床面泥沙起動以后，隨著流速的繼續(xù)增加，泥沙躍起的高度和距離也隨著增加，當(dāng)流速大到某一程度，泥沙脫離床面懸移。

2) 從泥沙屬性來看，泥沙起動是指泥沙由靜止到運動，這個運動可能是滑動、滾動或躍移，一般情況下泥沙起動臨界條件研究的主要對象是推移質(zhì)(也有細(xì)顆粒的泥沙由于床面上的紊動猝發(fā)而由低流速水團(tuán)挾帶進(jìn)入主流區(qū)，或者由不平整床面上局部的水流分流卷揚而起進(jìn)入主流區(qū)，這兩種形式均有可能使床面泥沙由靜止直接進(jìn)入懸浮狀態(tài))；泥沙揚動是關(guān)于泥沙什么時候開始進(jìn)入懸移質(zhì)運動的臨界條件，也就是說揚動臨界條件研究的對象是懸移質(zhì)。

3) 從運動形式及過程來看[14]，一般情況下，泥沙顆粒運動過程可概括為：起動→滾動(間或滑動)→滾動和躍移相間→連續(xù)躍移→躍移和懸移相間→懸移，泥沙顆粒由推移運動進(jìn)入懸移運動一般都要經(jīng)過躍移運動過程。但實際情況還有2種轉(zhuǎn)化的過程和形式，一種是由于床面附近的紊動猝發(fā)過程，即由于床面上的紊動“猝發(fā)”作用，低流速水團(tuán)可以直接挾帶一部分泥沙上升到主流區(qū)，使其呈懸浮狀態(tài)；另一種形式主要是對于較顯著的不平整床面，產(chǎn)生局部的水流分離，從而將床面上的泥沙卷揚起來送入到主流區(qū)；這兩種形式通常可以使床面泥沙不經(jīng)過躍移，甚至直接由靜止進(jìn)入懸浮狀態(tài)。一般情況下，懸移質(zhì)主要是和推移質(zhì)進(jìn)行交換，而不是直接和床沙進(jìn)行交換。

4) 從波浪水槽試驗現(xiàn)象來看，在一定強(qiáng)度的波浪振蕩作用下，床面表層泥沙有輕微的蕩漾、蠕動，但泥沙并無卷起現(xiàn)象；波高加大時，參與晃動的泥沙增多，在床面薄弱的地方有小團(tuán)的泥沙卷起、懸揚；當(dāng)波高增加到一定強(qiáng)度時，大量泥沙參與運動，在波浪的持續(xù)作用下，部分泥沙懸揚至上部水體，水體逐漸變得渾濁。在相同動力條件下，床面有的泥沙顆粒起動并以推移質(zhì)形式輸移，而有的泥沙顆粒已達(dá)到揚動條件而懸浮。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 本次試驗結(jié)果分析

圖4為試驗過程中隨著波高變化，含沙量的變化過程(此處含沙量為距底5 cm處的值)。從圖中可以看出，在波浪作用下，近底的含沙量有一個突然增大的時刻，這個時刻代表床面泥沙達(dá)到起動條件，泥沙起動進(jìn)入水體。試驗過程中波高逐次增加，在較小波高的波浪作用下，床面泥沙有少量起動，近底含沙量略有增加。待波高增加到一定數(shù)值后，床面上較多或成群的泥沙開始運動，此次試驗是以底沙大量起動為判別標(biāo)準(zhǔn)。

圖4 含沙量變化過程Fig. 4 The change process of sediment concentration

波浪作用下泥沙起動試驗直接得到的參數(shù)是相應(yīng)水深的波周期及起動波高，為了綜合表達(dá)波浪作用下泥沙的起動特性，并更加便于實際應(yīng)用，將泥沙起動條件進(jìn)一步整理為近底的起動流速和起動剪切力。

波浪作用下的床面最大剪切力一般可表示為

(1)

式中：u*為波浪摩阻速度；fw為波浪底摩阻系數(shù)；ρ為水體密度。Ubm為波浪水質(zhì)點近底最大速度，一般采用微幅波理論得到：

(2)

波浪底摩阻系數(shù)的確定，不同的流態(tài)計算方法不同。很多學(xué)者進(jìn)行了研究，得到了不同的經(jīng)驗公式[15-16]。文中摩阻系數(shù)的確定采用Jonsson的研究成果。

層流：

(3)

光滑紊流：

(4)

粗糙紊流：

(5)

當(dāng)波浪邊界層位于過渡區(qū)時，以上公式無法計算摩阻系數(shù)。根據(jù)張慶河等[17]的研究成果，采用以下摩阻系數(shù)的表達(dá)式：

fw=f2[f1fwL+(1-f1)fws+(1-f2)fwR]

(6)

式中：fwL為層流邊界層條件下的摩阻系數(shù)；fws為光滑紊流邊界層的摩阻系數(shù)；fwR為粗糙紊流邊界層的摩阻系數(shù)；f1，f2為加權(quán)系數(shù)。其計算式：

其中，Re1=2.5×105；Re3=24.98(am/ks)1.15。

波浪起動試驗結(jié)果見表1，其中起動波高是波高儀測量結(jié)果，流速Ubm是根據(jù)式(2)計算得到，摩阻流速根據(jù)式(1)計算得到，起動切應(yīng)力根據(jù)式(1)計算得到。從表中可以看出，相同水深條件下，波浪周期越長，泥沙的起動波高越??；相同波浪周期條件下，水深越大，泥沙起動波高越大；對于自然密實1天的長江口現(xiàn)場泥沙(中值粒徑0.063 mm)，波浪作用下泥沙的起動臨界剪切力平均約為0.325 N/m2。

表1 波浪作用下泥沙起動試驗結(jié)果Tab. 1 Test results of sediment incipient motion under wave action

2.2 本次試驗結(jié)果與已有成果對比分析

2.2.1 和已有公式計算結(jié)果比較

竇國仁等[3]根據(jù)泥沙顆粒的受力情況，導(dǎo)出了適用于粗、細(xì)顆粒泥沙的波浪作用下泥沙起動的統(tǒng)一式(7)。

(7)

根據(jù)起動波高計算式(7)，計算本文試驗條件下的起動結(jié)果見表2，其中系數(shù)a根據(jù)少量動和普遍動取值分別為0.051和0.079[3]。

表2 波浪作用下泥沙起動計算結(jié)果Tab. 2 Calculated results of sediment incipient motion

泥沙的起動判別標(biāo)準(zhǔn)分為少量動、大量動和普遍動。當(dāng)床面上個別或少量泥沙來回晃動時為少量動；當(dāng)床面上較多或成群的泥沙開始運動時為大量動；當(dāng)床面上泥沙普遍發(fā)生運動且可以觀察到成層輸移時為普遍動[9]。

對比泥沙起動的計算結(jié)果和試驗結(jié)果，試驗起動波高較少量動計算的起動波高大，較普遍動計算的起動波高小。本文的試驗是以泥沙大量動作為起動標(biāo)準(zhǔn)，起動波高介于二者之間是合理的，試驗結(jié)果與計算結(jié)果比較一致。

2.2.2 和已有試驗成果比較

肖輝等[10]針對浙江蒼南電廠工程附近海域的泥沙，進(jìn)行了波浪作用下泥沙的起動試驗。試驗?zāi)鄻又兄盗綖?.008 4 mm，黏土含量大于40%，屬于淤泥質(zhì)細(xì)粉砂，待試驗?zāi)鄻幼匀幻軐?天后進(jìn)行起動試驗，試驗結(jié)果見表3。本文試驗的泥沙中值粒徑為0.063 mm，較文獻(xiàn)[10]的粗；黏土含量約為10%，較文獻(xiàn)[10]黏土含量低。從本文和文獻(xiàn)[10]的波浪作用下泥沙起動的試驗結(jié)果看，本文的泥沙起動剪切力較文獻(xiàn)[10]小，是因為本文的泥沙粒徑較粗，含泥量較低，較易于起動。本文試驗結(jié)果和文獻(xiàn)[10]比較一致。

表3 波浪作用下泥沙起動試驗結(jié)果Tab. 3 Test results of sediment incipient motion under wave action

文獻(xiàn)[9]中也在波流水槽中開展了波浪泥沙起動試驗，試驗?zāi)嗌沉綖?.068 mm，試驗結(jié)果見表4。文獻(xiàn)[9]的試驗?zāi)嗌沉胶捅疚牡南喈?dāng)，含泥量未知，在水槽水深30.5 cm，周期2.0 s條件下，泥沙普遍動的起動波高為4.90 cm；本文試驗中，水槽水深30 cm，周期2.0 s條件下，泥沙起動波高為6.5 cm，與文獻(xiàn)[9]相比較大。因文獻(xiàn)[9]的試驗?zāi)嗌澈嗔课粗嘟乃詈筒ɡ酥芷跅l件下，波浪作用下泥沙的起動波高小于本次試驗的起動波高，總體二者結(jié)果比較一致。

表4 波浪泥沙起動試驗結(jié)果Tab. 4 Test results of sediment incipient motion under wave action

3 結(jié) 語

采用長江口北槽中下段灘面現(xiàn)場泥沙，在波浪長直水槽中進(jìn)行了波浪作用下泥沙的起動試驗研究。針對密實1天的泥沙，分別進(jìn)行了不同水深、不同波周期的泥沙起動試驗。試驗結(jié)果表明：相同水深條件下，波浪周期越大，泥沙的起動波高越?。幌嗤ɡ酥芷跅l件下，水深越大，泥沙起動波高越大；對于自然密實1天(24小時)的長江口現(xiàn)場泥沙(中值粒徑0.063 mm)，波浪作用下泥沙的起動臨界剪切力平均約為0.325 N/m2。本次試驗結(jié)果和已有的波浪泥沙起動公式計算結(jié)果以及其他試驗結(jié)果較為一致。