黃健鈞，陳國平，馬洪蛟

(1.河海大學(xué) 港口海岸與近海工程學(xué)院，江蘇 南京 210098；2.河海大學(xué) 海岸災(zāi)害及防護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210098)

近年來，隨著我國海洋經(jīng)濟(jì)和水運(yùn)經(jīng)濟(jì)的不斷開發(fā)，越來越多的工程在施工過程中遇到與細(xì)顆粒泥沙起動特性有關(guān)的問題。以往對泥沙基本運(yùn)動規(guī)律進(jìn)行研究時(shí)，一般采用普通明渠水槽和環(huán)形水槽[1-2]來做室內(nèi)物理模型試驗(yàn)。然而對于細(xì)顆粒泥沙往往帶有黏性，臨界起動的水動力條件很強(qiáng)，普通明渠水槽和環(huán)形水槽中無法達(dá)到試驗(yàn)所需的起動流速和起動切應(yīng)力，學(xué)者們提出了采用有壓矩形管試驗(yàn)對原狀泥沙的沖刷特性進(jìn)行分析。目前來說，學(xué)者們普遍認(rèn)為泥沙的沖刷性質(zhì)取決于泥沙自身的條件及水流動力條件。2005年，洪大林等[3]總結(jié)了國內(nèi)外學(xué)者在泥沙起動研究和黏性土的起動模式、影響因素等方面的研究成果，提出影響?zhàn)ば酝疗饎拥囊蛩刂饕型恋奈锢硪蛩?、土力學(xué)參數(shù)、化學(xué)特性等，并且認(rèn)為今后的研究重點(diǎn)應(yīng)放在黏性原狀土上，在此基礎(chǔ)上再進(jìn)行重塑土試驗(yàn)。2006年，時(shí)連強(qiáng)等[4]以黃河三角洲的沉積物為例，通過測定沉積物的結(jié)構(gòu)、顆粒組成、密度和含水率，進(jìn)行了分層沉積物的沖刷試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)沉積物臨界起動切應(yīng)力與含水率、中值粒徑成一定的負(fù)相關(guān)關(guān)系，與黏土含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系。2011年，孫志林等[5]對錢塘江河口河床獲取的28個(gè)巖芯進(jìn)行起動和沖刷水槽試驗(yàn)，根據(jù)沖刷試驗(yàn)結(jié)果確定了沖刷率公式的指數(shù)和沖刷常數(shù)，發(fā)現(xiàn)未充分固結(jié)的淤泥沖刷率與相對剩余切應(yīng)力的二次方成正比，而固結(jié)已久的淤泥沖刷率與相對剩余切應(yīng)力呈線性關(guān)系。2013年，雷文韜等[6]為研究黏性泥沙的沖刷規(guī)律，引入床沙相對干密度以反映沖刷源項(xiàng)與床沙干密度的關(guān)系，提出分別適用于弱固結(jié)和強(qiáng)固結(jié)河床的沖刷源項(xiàng)公式，并采用室內(nèi)黏性泥沙的沖刷試驗(yàn)資料確定公式中各系數(shù)。2016年，吳月勇等[7]通過物理模型試驗(yàn)，對福建晉江圍海工程的6組粉沙、8組細(xì)沙、7組中粗沙原狀土樣進(jìn)行沖刷率試驗(yàn)，考慮中值粒徑對沖刷率表達(dá)式的影響，分別得出了粉沙、細(xì)沙、中粗沙的沖刷率表達(dá)式中的能量指數(shù)和沖刷系數(shù)。

自長江口12.5 m深水航道工程開辟以來[8]，關(guān)于航道泥沙回淤的問題已經(jīng)開展了大量的研究[9-11]，但是關(guān)于長江口航道底床回淤原狀土的沖刷特性卻鮮有研究。因此，本文對長江口航道的底質(zhì)淤泥質(zhì)粉沙原狀土樣進(jìn)行封閉有壓矩形管槽的沖刷物理模型試驗(yàn)，分析淤泥質(zhì)粉沙原狀土的起動特性和沖刷特性，以及隨土樣深度的變化趨勢，給長江口航道工程提供相關(guān)的科學(xué)依據(jù)。

1 物理模型試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)裝置與土樣

由于黏性原狀土的土顆粒之間黏結(jié)力較大，導(dǎo)致泥沙的起動流速也較大，一般的水槽裝置難以產(chǎn)生足以讓黏性土起動以及沖刷的水流流速。因此，本次試驗(yàn)采用封閉有壓的有機(jī)玻璃水槽來研究長江口航道黏性原狀土的沖刷特性。該水槽系統(tǒng)一般包括矩形有機(jī)玻璃水槽、測量管、土樣桶和上下游的聚氯乙烯(PVC)管，如圖1所示。其中矩形有機(jī)玻璃水槽長200 cm，土體試樣放置在圓形土樣筒內(nèi)如圖2所示，在土樣筒的上下游各布置1個(gè)測壓管，測壓管間距設(shè)置為130 cm。土樣筒與升降裝置連接，通過控制電壓調(diào)節(jié)升降裝置的上下移動速度，該水槽的最大流量可達(dá)30 Ls，此時(shí)產(chǎn)生的最大流速為6.67 ms。在本次試驗(yàn)中，通過直讀式電磁流量計(jì)直接讀出水槽里面的瞬時(shí)流量，從而得出瞬時(shí)水流流速。

圖1 封閉有壓的有機(jī)玻璃水槽

圖2 土樣筒里的黏性原狀土試樣

在本次試驗(yàn)中，原狀土取自長江口航道南港水域，取樣時(shí)間為2019年5月。原狀土樣采樣嚴(yán)格按JTS 133—2013《水運(yùn)工程巖土勘察規(guī)范》要求執(zhí)行，通過分層采樣，同時(shí)保證土樣沒有過大擾動，使原狀土樣滿足試驗(yàn)的需求。本文分別對S1、S2和S3鉆孔共21個(gè)土樣進(jìn)行沖刷試驗(yàn)，每個(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)，每個(gè)試樣的取樣深度和中值粒徑見表1。

表1 原狀土取樣深度和中值粒徑

1.2 試驗(yàn)方法

根據(jù)以往的研究，將“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”定義為泥沙的“臨界起動”，如圖3所示。試驗(yàn)開始時(shí)，將原狀土緩慢裝進(jìn)土樣筒，并且確保土樣沒有過大的擾動，通過控制電壓使升降裝置上升，從而帶動土樣筒上升至與水槽齊平。接著，逐步加大矩形水槽里面的水流流量，一邊調(diào)節(jié)流量，一邊仔細(xì)觀察原狀土試樣表面的泥沙起動狀況。當(dāng)原狀土試樣出現(xiàn)如圖3所示的現(xiàn)象時(shí)，維持水槽流量不變，記錄瞬時(shí)水槽水流流速為泥沙起動流速。然后，繼續(xù)加大水槽流量的同時(shí)，控制升降裝置從而調(diào)節(jié)原狀土試樣上升速率，當(dāng)土樣在該時(shí)間段內(nèi)高度變化較小且始終與水槽底部保持平齊，則說明沖刷速率和土樣上升速率平衡，此時(shí)該土樣上升速度即為沖刷速率。由于泥沙起動和沖刷的判斷較為主觀，因此試驗(yàn)中隨機(jī)性和誤差相對較大，為保證試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，需要重復(fù)進(jìn)行起動和沖刷試驗(yàn)，當(dāng)相臨3次試驗(yàn)結(jié)果誤差在5%以內(nèi)時(shí)，取3次試驗(yàn)數(shù)據(jù)的平均值作為最后的試驗(yàn)結(jié)果。

圖3 土樣臨界起動狀態(tài)

1.3 起動切應(yīng)力與沖刷率計(jì)算公式

為了能夠定量研究黏性原狀土的沖刷特性，需要對土樣起動切應(yīng)力和沖刷率進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算方法如下：

1)床面切應(yīng)力與摩阻流速的關(guān)系為：

(1)

(2)

式中：τ為床面切應(yīng)力(Nm2)；v*為摩阻流速(ms)；ρ為水的密度，為1 tm3；p1-p2為上下游測壓管壓力差；R為水力半徑(m)；Δz為上下游測壓管水頭差(m)；l為兩測壓管間距(m)；J為水力坡度。

2)根據(jù)土樣沖刷高度Δh(mm)及沖刷歷時(shí)Δt(s)，測得的沖刷率與單位時(shí)間沖刷高度關(guān)系為：

(3)

式中：qw為原狀土沖刷率(kg·m-2·s-1)；ρ1為沉積密度(tm3)。

3)原狀土的沖刷系數(shù)，其表達(dá)式為：

(4)

式中：M為沖刷系數(shù)，是土壤抗沖性的一個(gè)重要指標(biāo)；qw為沖刷率；τb為床面切應(yīng)力(Nm2)；τc為床面臨界起動切應(yīng)力(Nm2)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

通過封閉有壓矩形管槽沖刷試驗(yàn)，根據(jù)每個(gè)原狀土樣本的試驗(yàn)結(jié)果(表2)，分別從土樣密度、臨界起動切應(yīng)力、沖刷率和沖刷系數(shù)的角度對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行討論。

表2 原狀土試驗(yàn)結(jié)果

2.1 土樣沖刷前后沉積密度

試驗(yàn)原狀土樣沖刷前和沖刷后的沉積密度見圖4?？梢钥闯觯佑陂L江口航道上海崇明段的底質(zhì)泥沙的沉積密度在1.6～2.0 tm3，低于常見的礦質(zhì)土壤密度2.7 tm3，屬于一般性黏土的范圍。此外土樣沉積密度在沖刷前后的變化程度不大，沖刷后的密度略小于沖刷前的密度。這是由于本次試驗(yàn)的土樣大多數(shù)屬于淤泥質(zhì)粉沙土，有一定的含沙量并夾雜著部分淤泥。在水流的沖刷下，由于沙土沒有黏聚力被最先沖刷剝離，而淤泥質(zhì)土具有黏聚力不易被水流沖刷侵蝕，因此導(dǎo)致沖刷后的土樣含沙量會減小，宏觀上表現(xiàn)出土樣的沉積密度降低。

圖4 土樣沖刷前后的沉積密度

2.2 臨界起動流速對臨界起動切應(yīng)力的影響

圖5 臨界起動切應(yīng)力與臨界起動流速關(guān)系

2.3 沖刷率隨土樣深度的變化

試驗(yàn)土樣沖刷率隨土樣深度的變化情況見圖6?？梢钥闯觯翗記_刷率在0.1～0.4 kg(m2·s)，隨著土樣深度的加大，沖刷率逐漸減小。這是由于天然土樣在自然條件下會發(fā)生沉降固結(jié)，越往地底下的土層受到的固結(jié)應(yīng)力越大。特別像位于長江口航道的底質(zhì)淤泥黏土，在河床表面深度較淺的土層，受到水流的長期沖刷擾動作用，土的骨架結(jié)構(gòu)較為疏松，因此容易受到水流侵蝕作用。而隨著深度增大，土層的擾動較小，并且具有較高的固結(jié)應(yīng)力，從而黏聚力和摩擦角均較大，導(dǎo)致其抗沖刷能力也較強(qiáng)，在相同條件下其沖刷率小于表層土樣。

圖6 不同土樣深度對土樣沖刷率的影響

2.4 沖刷系數(shù)隨土樣深度的變化

試驗(yàn)土樣沖刷系數(shù)隨土樣深度的變化情況見圖7?？梢钥闯觯囼?yàn)土樣沖刷系數(shù)在0～0.15 kg(m2·s)的范圍內(nèi)，隨著土樣深度的加大，沖刷系數(shù)逐漸減小，表現(xiàn)出2.3中沖刷率隨土樣深度的變化情況。一般來說土樣的沖刷系數(shù)是土樣本身特性的體現(xiàn)，能夠保持在一個(gè)穩(wěn)定的數(shù)值，不會隨著外界的物理作用而變化。本次試驗(yàn)中隨著深度的增加，土樣的沖刷系數(shù)減小，表明位于長江口航道上海崇明段的底質(zhì)泥沙隨著深度分布不均勻，深度越大的泥沙抗沖刷能力越強(qiáng)，深度越淺的泥沙顆粒組成越不穩(wěn)定，容易被擾動沖刷。

圖7 不同土樣深度對土樣沖刷系數(shù)的影響

3 結(jié)論

1)本次試驗(yàn)的土樣屬于一般性黏土，有一定含沙量并夾雜著部分淤泥，沖刷前后的泥沙沉積密度相當(dāng)，其中沖刷后的土樣含沙量較小，沉積密度略小于沖刷前。

3)隨著土樣深度增加，土樣的沖刷率和沖刷系數(shù)均減小，這表明位于長江口航道上海崇明段的底質(zhì)泥沙隨著深度分布不均勻，深度越大的泥沙抗沖刷能力越強(qiáng)，深度越淺的泥沙顆粒組成越不穩(wěn)定，容易被擾動沖刷。