王晨希， 任宇鵬， 張 毅， 許興北， 程子睿, 許國輝??

(中國海洋大學(xué) 1. 海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室； 2. 山東省海洋環(huán)境地質(zhì)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室； 3. 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院， 山東 青島 266100)

海底沉積物流是世界上最重要的泥沙搬運(yùn)方式之一，是陸源碎屑沉積物和其他顆粒物質(zhì)由陸地向深海運(yùn)輸?shù)闹匾ǖ繹1]，通過世界上的主要河流及其入?？?，沉積物流將大量的泥沙由大陸架輸送到深海盆地中[2]。由海底滑坡、高含沙量流體入?；蝻L(fēng)暴潮等觸發(fā)形成的沉積物流[3-5]，會對海底線纜及其他海底結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生很強(qiáng)的沖擊力，使其受到嚴(yán)重?fù)p害，造成巨大經(jīng)濟(jì)損失，甚至引發(fā)生態(tài)災(zāi)害。如1929年GrandBanks處7.2級地震觸發(fā)的濁流，造成了數(shù)根海底電纜依次發(fā)生斷裂，由此反推出濁流的最大速度達(dá)到28 m/s[6-8]。此外，我國臺灣海域是海底濁流的高發(fā)區(qū)域，近些年來，發(fā)生了多次由濁流引發(fā)的線纜斷裂事故，對東南亞及全球通訊造成重大影響[2,9-10]。

鑒于水下沉積物流對結(jié)構(gòu)物有如此強(qiáng)大的破壞力，為保證海底線纜的安全，國內(nèi)外的學(xué)者針對水下沉積物流沖擊海底結(jié)構(gòu)物(以海底管線為主)在理論分析、模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬方面開展了大量的研究。位于海底的結(jié)構(gòu)物會受來自任意方向的沉積物流的沖擊，可將其分解為三個(gè)正交分量：沿流方向垂直于結(jié)構(gòu)物軸線的力、平行于結(jié)構(gòu)物軸線的縱向力和垂直于軸線可使結(jié)構(gòu)物上提、下推或振蕩的力。沿流方向垂直于結(jié)構(gòu)物軸線的力(包括拖曳力與慣性力)，通常被認(rèn)為是結(jié)構(gòu)物破壞的主要因素[11]。

Pazwash等首先基于流體力學(xué)和流變學(xué)原理研究了非牛頓流體繞物體流動時(shí)所產(chǎn)生的拖曳力[12]。Bea等也使用流體動力學(xué)方法分析了Pazwash等[12]的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，但發(fā)現(xiàn)其提出的方法估計(jì)的拖曳力要比他們試驗(yàn)中測量的低[13]。Det Norske Veritas為了計(jì)算含沙渾水體作用在管道上的作用力，對作用在管道上的穩(wěn)態(tài)流采用拖曳力系數(shù)分析的方法，用專門的公式對其軸向力和法向力進(jìn)行了計(jì)算，為海底管道的鋪設(shè)打下了理論基礎(chǔ)[14]；Zakeri等通過多次的水槽試驗(yàn)研究了水下沉積物流對海底結(jié)構(gòu)物的沖擊作用，對不同粒徑級配的沉積物流沖擊結(jié)構(gòu)物所產(chǎn)生的拖曳力進(jìn)行了分析研究，通過公式計(jì)算得到了沉積物流沖擊作用下結(jié)構(gòu)物的拖曳力系數(shù)，并通過計(jì)算流體動力學(xué)(CFD)軟件進(jìn)行了數(shù)值模擬反演分析，分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果有較好的吻合度，于是提出了用赫巴模型描述海底沉積物流沖擊懸跨管道時(shí)，非牛頓流體雷諾數(shù)的表達(dá)式，并提出了用該雷諾數(shù)表達(dá)的拖曳力系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式[11,15-17]。劉君等[18-19]在Zakeri研究的基礎(chǔ)上，采用Power-Law流變模型，引入土力學(xué)方法與流體力學(xué)方法形成對比，進(jìn)一步修正了拖曳力系數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系表達(dá)式。

目前，針對水下沉積物流對結(jié)構(gòu)物所受拖曳力、拖曳力系數(shù)等多個(gè)方面研究廣泛。但是，研究過多的關(guān)注了結(jié)構(gòu)物本身的性質(zhì)，而忽略了流體性質(zhì)的影響。由于深海沉積物流的粘粒含量極高[20]，而目前針對粘土組分的水下沉積物流速度變化特征及對結(jié)構(gòu)物的拖曳力還鮮有研究。故本文采用自主設(shè)計(jì)的可調(diào)節(jié)坡度平直水槽，對不同濃度的粘土組分的水下沉積物流在多個(gè)坡度下的速度變化特征與結(jié)構(gòu)物所受拖曳力進(jìn)行研究，分析其速度、拖曳力與濃度、坡度之間的關(guān)系，并給出沉積物流速度、密度與拖曳力之間的關(guān)系表達(dá)式。

1 試驗(yàn)方法

研究水下沉積物流速度特征及對海底結(jié)構(gòu)物的作用力，其根本在于沉積物流的運(yùn)動能力，而沉積物流的運(yùn)動又會受到其流變特性的影響。由此也需要關(guān)注沉積物流流變特征發(fā)生變化的濃度界限。本文在開展不同濃度沉積物流沖擊試驗(yàn)的同時(shí)，取其沉積物流樣品進(jìn)行沉積物流流變測試。

1.1 試驗(yàn)儀器與樣品

沉積物流沖擊試驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)室中利用自主設(shè)計(jì)的可調(diào)坡度平直水槽進(jìn)行結(jié)構(gòu)物受力測量試驗(yàn)，試驗(yàn)裝置的布局和尺寸(長350 cm、寬20 cm)如圖 1所示。平直水槽分為儲流區(qū)(用來盛放沉積物流)和流動區(qū)(盛放清水)，儲流區(qū)和流動區(qū)之間設(shè)置一個(gè)可上下抽動的插板，試驗(yàn)中采用抽板法制造沉積物流。在水槽中距離插板2.0 m處放置結(jié)構(gòu)物(本試驗(yàn)中用長80 mm、外徑20 mm、壁厚1 mm的銅管模擬結(jié)構(gòu)物)，在結(jié)構(gòu)物后方兩端分別放置一個(gè)拉壓傳感器(型號CZL-1012，額定荷載10N，精確度等級0.3，編號為1、2)，用來實(shí)時(shí)測量結(jié)構(gòu)物所受拖曳力，采樣頻率為100 Hz。在試驗(yàn)過程中，儲流區(qū)和流動區(qū)的水深始終是相同的。同時(shí)，為了便于得到沉積物流運(yùn)動至結(jié)構(gòu)物處的實(shí)時(shí)速度，采用攝像機(jī)對放置結(jié)構(gòu)物區(qū)域進(jìn)行錄像監(jiān)測。

(F.拖曳力Drag force F1、F2； 拉壓傳感器1、2所受拖曳力。Drag force on the tension sensor1、2.)

流變測試所用儀器為美國 BrookfieLd 工程實(shí)驗(yàn)室公司所生產(chǎn)的 R/S+流變儀。測試時(shí)所用轉(zhuǎn)子為型號MK3-CC40-DIN的同軸轉(zhuǎn)子及配套樣品杯。流變儀通過端口連接計(jì)算機(jī)，可實(shí)時(shí)查看測試數(shù)據(jù)和流變曲線。

本次試驗(yàn)用土為高嶺土。其平均粒徑3.7 μm。

1.2 試驗(yàn)過程

1.2.1 水槽沖擊試驗(yàn) 本次試驗(yàn)根據(jù)沉積物流質(zhì)量體積濃度不同，取不同質(zhì)量高嶺土，由低到高分別配制了9個(gè)濃度，分別為280、340、400、460、500、560、600、660和700 g/L。每個(gè)濃度都在四個(gè)坡度下(0°、3°、6°、9°)進(jìn)行，坡度可通過水槽的支架旋轉(zhuǎn)來調(diào)節(jié)。

試驗(yàn)過程中，首先將沉積物流在容器中利用攪拌器攪拌均勻，而后將清水導(dǎo)入水槽流動區(qū)至指定高度處并靜置，待水面無波動后，將配置好的沉積物流導(dǎo)入儲流區(qū)與流動區(qū)水面平行并再次充分?jǐn)嚢?，待攪拌結(jié)束十秒后，迅速抽出插板，沉積物流沖入水槽流動區(qū)對結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生沖擊。

試驗(yàn)過程中使用30幀/s的攝像機(jī)記錄結(jié)構(gòu)物受沖擊段過程，位置與結(jié)構(gòu)物平齊。試驗(yàn)結(jié)束后利用視頻回放軟件進(jìn)行逐幀分析沉積物流頭部到達(dá)結(jié)構(gòu)物處的流動速度。使用DEWESoftX軟件來采集結(jié)構(gòu)物受力數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)監(jiān)測結(jié)構(gòu)物受力情況。

1.2.2 流變測試 流變測試樣品與水槽沖擊試驗(yàn)所用沉積物流樣品同時(shí)配置，共9組。測試前，將樣品倒入小燒杯中用玻璃棒攪拌均勻，隨后倒入樣品杯，將其安裝并固定在流變儀上。測試時(shí)，采用等剪切率測試程序[21](CSR模式，即控制剪切速率隨時(shí)間線性增加)，測試時(shí)間300 s，測試點(diǎn)100個(gè)。對每一個(gè)樣品，均進(jìn)行3次平行測試，在3次測試結(jié)果具有一致性的情況下，選取其中1次的曲線進(jìn)行結(jié)果分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 水槽沖擊試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)采用抽板法制造沉積物流，試驗(yàn)過程中，抽出插板，不同濃度的沉積物流流動至結(jié)構(gòu)物處對其產(chǎn)生沖擊。圖2給出一個(gè)濃度(以660 g/L為例)沉積物流在四個(gè)坡度下的的結(jié)構(gòu)物前流動狀態(tài)?？梢郧逦目吹匠练e物流頭部尖銳，并在同一濃度下，隨著坡度的增加，沉積物流的頭部高度是呈現(xiàn)不斷增大的趨勢。

圖2 沉積物流結(jié)構(gòu)物前流動狀態(tài)

通過試驗(yàn)錄像回放，在圖像處理軟件中利用槽身上的尺寸對沉積物流結(jié)構(gòu)物前頭部高度進(jìn)行同比例測量。圖3所示為在不同坡度下，結(jié)構(gòu)物前沉積物流頭部高度隨濃度變化關(guān)系圖，結(jié)合試驗(yàn)現(xiàn)象，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)頭部剛剛到達(dá)并接觸結(jié)構(gòu)物時(shí)，在結(jié)構(gòu)物前15～25 cm的距離區(qū)間內(nèi)，沉積物流頭部高度達(dá)到了最大值。同時(shí)，在結(jié)構(gòu)物前0～20 cm區(qū)間內(nèi)，低濃度的沉積物流頭部高度普遍要比高濃度的大。在試驗(yàn)錄像中可以看出，在結(jié)構(gòu)物前25 cm的距離內(nèi)沉積物流頭部的速度沒有顯著變化(以560 g/L、6°坡為例，結(jié)構(gòu)物前25、15、5 cm處速度均為50 cm/s)，故采用此區(qū)間內(nèi)的平均速度來表征沉積物流對結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生沖擊時(shí)的速度。

圖3 拖曳力響應(yīng)曲線

圖4所示為試驗(yàn)過程中結(jié)構(gòu)物拖曳力響應(yīng)曲線(以600 g/L、6°坡為例)，拉壓傳感器1、2相加即為結(jié)構(gòu)物所受拖曳力。圖中，A點(diǎn)為沉積物流頭部最前端剛剛作用于結(jié)構(gòu)物，可以看到在沉積物流接觸結(jié)構(gòu)物后產(chǎn)生拖曳力出現(xiàn)第一個(gè)峰值(B點(diǎn))，而在其后，再次出現(xiàn)了峰值，這種現(xiàn)象應(yīng)是由于沉積物流接觸結(jié)構(gòu)物后產(chǎn)生了循環(huán)和渦流，從而再次對結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生了作用力，其影響較小，故在本次試驗(yàn)后續(xù)分析中，只考慮第一個(gè)峰值的大小。

圖4 不同坡度下沉積物流頭部高度隨濃度變化

2.1.1 不同坡度下濃度與速度、拖曳力的關(guān)系 本文對在不同坡度下，沉積物流結(jié)構(gòu)物前流速與結(jié)構(gòu)物所受拖曳力隨濃度變化進(jìn)行了分析(見圖5)。

圖5 不同坡度下濃度與速度、拖曳力關(guān)系曲線

圖中可以看出，在0°、3°、6°、9°坡上，隨濃度增大，速度都呈現(xiàn)一個(gè)先增后減的趨勢。本次試驗(yàn)的九個(gè)濃度，在相應(yīng)坡上對應(yīng)速度達(dá)到最大值的濃度都為560 g/L，對應(yīng)的最大速度分別為27.778、39.494、50和53.533 cm/s。拖曳力變化曲線與速度變化曲線呈現(xiàn)了良好的一致性，其在相應(yīng)的濃度下對應(yīng)的最大拖曳力分別為0.2、0.4、0.58和0.75 N。由此可見，速度與拖曳力曲線都呈現(xiàn)了相同的趨勢，即在試驗(yàn)的四個(gè)坡度下，存在一個(gè)對應(yīng)沉積物流最大速度與最大拖曳力的濃度，在本文中將之稱為臨界沉積物流濃度。

2.1.2 不同濃度下坡度與速度、拖曳力的關(guān)系 圖6所示為沉積物流結(jié)構(gòu)物前流速與結(jié)構(gòu)物所受拖曳力隨坡度變化的曲線圖?？梢钥吹?，流速與拖曳力隨坡度的增大而增大，且變化幅度較大。值得注意的是，當(dāng)沉積物流的濃度為700 g/L時(shí)，在0°坡下結(jié)構(gòu)物前流速與拖曳力為0(700 g/L的沉積物流在結(jié)構(gòu)物前30 cm處停止運(yùn)動)，而在增加坡度后，運(yùn)動能力發(fā)生了很大的變化，其速度達(dá)到了32.595、39.499和44.092 cm/s，對應(yīng)的拖曳力為0.24、0.34和0.45 N。說明坡度是水下沉積物流運(yùn)動狀態(tài)及對結(jié)構(gòu)物沖擊的重要影響因素之一。

圖6 坡度與速度(a)、拖曳力關(guān)系(b)

2.2 流變測試結(jié)果

水下沉積物流的運(yùn)動能力會受到沉積物流流變特性的影響，由此也需要關(guān)注沉積物流流變特征發(fā)生變化的濃度界限。通過對沉積物流樣品的流變測試，發(fā)現(xiàn)3組低濃度(280、340和400 g/L)樣品在剪切速率達(dá)到一定閾值時(shí)才可以測到剪切應(yīng)力和粘度，其粘度在一定值附近保持相對穩(wěn)定并伴隨一定波動，將其與流變模型特征曲線比較，符合牛頓流體特征。其余6組較高濃度的沉積物流在初始剪切率下就存在可測量的剪切應(yīng)力和粘度，其剪切應(yīng)力則隨剪切速率的增大而增大，粘度在初始剪切率時(shí)達(dá)到最大，隨著剪切速率的增大而不斷降低并趨于平穩(wěn)，可用赫巴模型來描述。圖7給出兩個(gè)典型濃度(400、600 g/L)的流變曲線。圖8所示為5個(gè)濃度(460、500、560、600和660 g/L)的沉積物流流變模型擬合。表1給出了流變模型擬合公式及R2值，可以看到，R2均大于0.99，相關(guān)性很強(qiáng)，故用赫巴模型來描述本試驗(yàn)上述5個(gè)濃度的沉積物流非常適合，其中τ為剪切應(yīng)力，γ為剪切速率。

圖7 典型濃度流變曲線

圖8 流變數(shù)據(jù)和模型擬合

表1 流變模型擬合公式

3 討論

圖3所示為沉積物流頭部高度曲線。當(dāng)坡度一定時(shí)，在結(jié)構(gòu)物前0～10 cm的區(qū)間內(nèi)，沉積物流頭部高度有顯著的增大；在結(jié)構(gòu)物前10～15 cm與15～20 cm的區(qū)間內(nèi)，曲線中沉積物流頭部高度呈現(xiàn)一個(gè)交替的狀態(tài)。說明沉積物流在接觸結(jié)構(gòu)物時(shí)，頭部在結(jié)構(gòu)物前0～10 cm呈現(xiàn)緩慢增高，直到在10～20 cm處達(dá)到頭部最高處，其形態(tài)呈現(xiàn)為一種“火車頭”狀。當(dāng)濃度一定時(shí)，在試驗(yàn)所處坡度下，沉積物流頭部高度呈現(xiàn)一個(gè)隨坡度增大而增大的規(guī)律。

3.1 濃度、坡度對沉積物流速度影響

當(dāng)濃度一定時(shí)(見圖6)，速度隨坡度增大而明顯增大，說明坡度是速度變化的重要影響因素之一。當(dāng)坡度一定時(shí)(見圖5)，隨濃度增大，速度會出現(xiàn)先增后減的趨勢，即存在一個(gè)臨界沉積物流濃度。沉積物流在水下運(yùn)動時(shí)，其動力來源為重力驅(qū)動(由沉積物流與水體之間的密度差導(dǎo)致的密度驅(qū)動)，在沉積物流濃度小于臨界沉積物流濃度時(shí)，由于其與流動區(qū)水體密度差較小，抽板后流動的驅(qū)動力較小，流動速度較低，隨著濃度的增加，速度不斷增大，直至達(dá)到臨界沉積物流濃度對應(yīng)的最大速度；在沉積物流濃度大于臨界沉積物濃度時(shí)，抽板后雖然沉積物流流動的驅(qū)動力較大，但由于沉積物流本身粘性增加，流動能力下降，故隨著濃度的不斷增大，速度明顯降低(在沉積物流700 g/L、0°坡時(shí)，沉積物流在結(jié)構(gòu)物前30 cm處就停止了流動)。

3.2 濃度、坡度對拖曳力影響

圖4所示為結(jié)構(gòu)物所受拖曳力變化曲線，A點(diǎn)為沉積物流頭部最前端剛剛到達(dá)時(shí)，B點(diǎn)為沉積物流頭部最厚處到達(dá)時(shí)。可知，拖曳力并不是一個(gè)瞬時(shí)變化的值，而是沉積物流接觸結(jié)構(gòu)物并圍繞結(jié)構(gòu)物流動，在短時(shí)間內(nèi)(A點(diǎn)—B點(diǎn)，約0.15～0.3 s，取決于頭部速度)隨時(shí)間逐漸遞增的過程，這與Zakeri等在室內(nèi)試驗(yàn)的結(jié)果曲線具有一致性[11]。結(jié)合試驗(yàn)現(xiàn)象與數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，在拖曳力逐漸增加的這段過程中，沉積物流的流動距離約為10～20 cm。

本次試驗(yàn)中，結(jié)構(gòu)物所受拖曳力的變化與沉積物流速度變化呈現(xiàn)了良好的一致性(見圖5)，當(dāng)坡度一定時(shí)，隨濃度增大，拖曳力同樣會出現(xiàn)先增后減的趨勢，在達(dá)到臨界沉積物濃度時(shí)，拖曳力同時(shí)達(dá)到了最大值。由上可知，在達(dá)到臨界沉積物流濃度時(shí)，沉積物流有一個(gè)較強(qiáng)的流動能力，此時(shí)對結(jié)構(gòu)物的拖曳力最大。

3.3 拖曳力與沉積物流密度之間的關(guān)系

如圖5所示，沉積物流速度與結(jié)構(gòu)物所受拖曳力都會在臨界沉積物流濃度時(shí)達(dá)到一個(gè)峰值，在試驗(yàn)條件下，不同的沉積物流濃度對應(yīng)不同的密度，分析可知，沉積物流密度是影響其速度與結(jié)構(gòu)物受力的重要因素。表2所示為各個(gè)濃度沉積物流所對應(yīng)的密度。

表2 不同濃度沉積物流密度表

在流體動力學(xué)中，采用以下公式來計(jì)算拖曳力：

(1)

式中：FD表示結(jié)構(gòu)物所受拖曳力；ρ為密度；CD為拖曳力系數(shù)；U∞為結(jié)構(gòu)物前流速；A為結(jié)構(gòu)物的特征面積，在本試驗(yàn)中即銅管截面的面積。

圖9所示為結(jié)構(gòu)物所受壓強(qiáng)與速度平方之間的關(guān)系。關(guān)系式如下：

圖9 壓強(qiáng)與速度平方關(guān)系圖Fig.9 Pressure and velocity squared diagram

PD=1 559.9U∞2。

(2)

式中：PD為結(jié)構(gòu)物所受壓強(qiáng)；U∞為結(jié)構(gòu)物前流速?？傻茫瑝簭?qiáng)與速度平方有良好的線性關(guān)系。將式(2)中速度平方項(xiàng)前系數(shù)帶入式(1)，可得到在試驗(yàn)實(shí)測值情況下拖曳力系數(shù)與密度之間的關(guān)系，如圖10所示。可得，試驗(yàn)情況下拖曳力系數(shù)與密度的關(guān)系為：

圖10 拖曳力系數(shù)與密度關(guān)系圖

CD=-0.002 05ρ+5.074 15。

(3)

式中：CD為拖曳力系數(shù)；ρ為密度。

將利用式(3)所得的拖曳力系數(shù)代入式(1)，可得到本次所有試驗(yàn)結(jié)構(gòu)物受力的計(jì)算值，將其與實(shí)測值進(jìn)行誤差分析。圖11(a)所示為結(jié)構(gòu)物壓強(qiáng)計(jì)算值與實(shí)測值誤差圖，圖11(b)所示為在試驗(yàn)中不同速度下的誤差范圍。可知，計(jì)算值與實(shí)測值相對誤差基本都在20%以內(nèi)，說明在本次試驗(yàn)條件下，采用上述方法來計(jì)算分析結(jié)構(gòu)物受力情況是可行的。

圖11 計(jì)算值與實(shí)測值對比

Zakeri等通過計(jì)算流體動力學(xué)的數(shù)值模擬手段(CFD)研究了水下沉積物流對管線沖擊荷載，同時(shí)對室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了反演分析(室內(nèi)試驗(yàn)采用高嶺土和砂來配制沉積物流，管壁前速度范圍為0.5～1.4 m/s)，提出了赫巴模型描述水下沉積物流時(shí)，用雷諾數(shù)來表達(dá)的拖曳力系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式[11,15]：

(4)

式中，Renon-newtonian是非牛頓流體的雷諾數(shù)。

利用式(1)、(4)得到本次試驗(yàn)中非牛頓流體(460～660 g/L)所對應(yīng)的結(jié)構(gòu)物壓強(qiáng)，并與實(shí)測值進(jìn)行對比。圖12(a)所示為結(jié)構(gòu)物壓強(qiáng)計(jì)算值與實(shí)測值誤差圖，圖12(b)所示為在試驗(yàn)中不同速度下的誤差范圍。

由圖12可知，利用Zakeri等提出的方法來得到的結(jié)構(gòu)物壓強(qiáng)計(jì)算值小于試驗(yàn)實(shí)測值，相對誤差普遍在20%～50%范圍內(nèi)。由此可得，對于280～700 g/L濃度范圍內(nèi)的純粘土組分的沉積物流在速度較低(0.2～0.6 m/s)時(shí)，此方法并不適用。

圖12 由Zakeri所提公式計(jì)算值與實(shí)測值對比

綜上分析,在試驗(yàn)濃度范圍內(nèi)(280～700 g/L)，對于純粘土組分沉積物流速度較低(0.2～0.6 m/s)時(shí)，可建立結(jié)構(gòu)物所受拖曳力與沉積物流速度、密度之間的關(guān)系表達(dá)式：

(5)

式中：FD表示結(jié)構(gòu)物所受拖曳力；ρ為密度；U∞為結(jié)構(gòu)物前流速；A為結(jié)構(gòu)物的特征面積。

4 結(jié)論

本文基于自主設(shè)計(jì)的可調(diào)坡度平直水槽上，針對不同濃度粘土組分的水下沉積物流，在不同的坡度下進(jìn)行了對結(jié)構(gòu)物沖擊試驗(yàn)，并對所配制的沉積物流進(jìn)行流變測試，給出了速度、拖曳力與濃度、坡度之間的關(guān)系，通過對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析討論，得出如下結(jié)論：

(1)低濃度粘土組分的沉積物流(280～400 g/L)為牛頓流體，高濃度(460～700 g/L)為非牛頓流體，符合赫巴流變模型。

(2)在一定的濃度下，沉積物流速度與結(jié)構(gòu)物所受拖曳力會隨坡度的增大而增大；在一定的坡度下， 隨著沉積物流濃度不斷增大，沉積物流速度與結(jié)構(gòu)物所受拖曳力呈現(xiàn)先增后減的趨勢(存在臨界沉積物流濃度)，本次試驗(yàn)條件下，在0°、3°、6°、9°四個(gè)坡度下所得臨界沉積物流濃度為560 g/L。

(3)在試驗(yàn)濃度范圍內(nèi)(280～700 g/L)，對于純粘土組分沉積物流速度較低(0.2～0.6 m/s)時(shí)，得到了結(jié)構(gòu)物所受拖曳力與沉積物流速度、密度三者之間的關(guān)系表達(dá)式：FD=1/2ρ(5.074 15-0.002 05ρ)·U∞2A。