不同鹽度固結黏性泥沙的沖刷試驗研究

張曉雷, 畢崢崢, 劉書瑜, 吳浩然

(1.華北水利水電大學 水利學院,河南 鄭州 450046; 2.黃河河口管理局 利津黃河河務局,山東 東營 257400)

黏性泥沙廣泛存在于河流、湖泊及近海中,并大量淤積固結于河、湖、海床及其岸坡中。泥沙的沖刷影響岸坡穩定及河、湖、海床的演變。因此,研究固結泥沙的沖刷問題,在水庫淤后沖刷、河道和航道整治、河流邊坡和海岸防護等方面具有重要意義。

近些年來,眾多學者在黏性泥沙起動[1-3]、沖刷[4-5]以及淤積[6-9]方面做了大量的研究,普遍認為影響黏性泥沙沖刷的主要因素有兩個方面:一是水流水動力條件的影響,二是泥塊本身物理屬性的影響。饒慶元[10]在進行長江河床黏性土抗沖試驗時,通過對黏性團粒的研究分析,得到了黏性土抗沖流速的經驗公式。王軍等[11]通過矩形水槽裝置,對6組不同粒徑的泥沙開展了臨界切應力沖刷試驗,指出了起動切應力與粒徑及固結程度的關系。吳月勇等[12]通過有壓水槽,對來自晉江濱海新區圍海造陸工程的21個不同級配的原狀泥沙樣本進行了沖刷試驗,分析了在不同的水壓力下泥沙級配和黏粒含量對沖刷系數的影響。許琳娟等[13]通過有壓水槽試驗,研究并分析了固結泥塊物理屬性與起動流速的關系,并給出了兩者之間的經驗公式。洪大林等[14]通過矩形有壓水槽對淮河入海水道中的原狀土體進行了沖刷試驗,建立了起動切應力與抗剪強度的關系。以上成果主要是通過試驗研究探討黏性泥沙在清水或不考慮鹽度影響下的沖刷特性,研究結果豐富了對泥沙沖刷的認識,并已在部分實際工程中得到了良好的應用。但是對于近海岸和河流入?？趤碚f,這種特定的區域是海水和河水的過渡地帶,時常發生海水倒灌入侵的現象,導致該區域內既有海水來沙也有河水來沙,泥沙的鹽度條件十分復雜。鹽度作為黏性泥沙固結沖刷的眾多重要影響因素之一,會增強黏性泥沙的絮凝、團聚效應。既有研究在鹽度對泥沙沖刷影響方面的認識仍存在不足。

基于此,本文針對兩種級配的黏性泥沙分別制備了不同鹽度的固結泥塊,并在矩形封閉水槽內開展沖刷試驗,分析鹽度對固結泥塊物理性質的影響、固結泥塊物理指標與沖刷系數之間的定量關系,得到鹽度對固結泥塊沖刷影響的定量表達式。

1 模型設計

以往在進行泥沙沖刷試驗研究時,試驗裝置常采用明渠水槽和封閉水槽?？紤]到常規的明渠水槽難以滿足較強的起動條件,且控制試驗條件困難,已經有試驗者使用封閉的玻璃水槽完成了泥沙的沖刷試驗,得了良好的試驗效果,故本試驗選用封閉的有機玻璃水槽。

水槽的斷面形式為矩形,其斷面尺寸為50 mm×110 mm,矩形水槽有效長度為5 000 mm,試驗時利用千斤頂將泥塊通過斷面形式為矩形、斷面尺寸為50 mm×200 mm的土樣槽推入水槽內部,泥塊受沖面的幾何中心與水槽進口處的間距為1 000 mm,土樣槽后均勻設置3個斷面形式為矩形、斷面尺寸為50 mm×100 mm的沉泥斗。整個水槽通過一臺流量為40 m3/h、揚程為15 m的潛水泵提供清水,在潛水泵后的進水管段依次設置閥門及流量計,流量計的進、出口前后均設置500 mm長的平直圓管以保證流量計讀數的準確性。試驗時將泥塊通過土樣槽從下方推入水槽內,保證泥塊上表面與水槽下底面重合。當泥塊上表面發生沖刷時,通過調節千斤頂保持上述狀態。具體的試驗水槽裝置如圖1所示。

圖1 試驗矩形水槽

2 方案設計

2.1 泥沙粒徑

相比中下游河段,河口段擁有更復雜的鹽度條件。為了更好地研究鹽度對固結泥塊沖刷的影響,本試驗選取以上兩種泥沙樣本作為對比。泥沙樣本1來自黃河花園口,是典型的河流中下游段淡水泥沙;泥沙樣本2來自廣東珠江口,是典型的河口段含鹽泥沙。利用激光粒度分析儀(BT-9300ST)分析兩種泥沙樣本。泥沙樣本1的中值粒徑d50=9.392 μm,黏粒(d<0.05 mm)含量為32.48%;泥沙樣本2的中值粒徑d50=85.360 μm,黏粒含量為9.90%。所取泥沙的顆粒級配曲線如圖2所示。

圖2 泥沙顆粒級配曲線

2.2 泥塊制備

通常情況下,自然界中的黏性泥沙在水中的淤積固結主要分為兩個過程:首先,懸浮在水體中的泥沙顆粒沉降在河床底部;然后,隨著時間的推移,沉降下來的泥沙顆粒在河床底部固結密實為泥塊。為了使試驗所用的固結泥塊與天然河道中的一致,需要在實驗室中對前文提到的兩種沙樣進行密實固結處理。

本次試驗得到的泥沙樣本基本以塊狀的形式存在,因此為了配制不同鹽度的固結泥塊,首先需要對泥沙樣品進行破碎處理,然后再將兩種泥沙樣品分別用配制好的不同濃度的鹽水攪拌均勻,得到鹽度分別為0‰、5‰、10‰、20‰、30‰、40‰的鹽泥。鹽泥在經歷90 d的密實固結后,含水率、干密度等物理性質的指標變化已趨于穩定[15]。利用電子鹽度計(WS-31)測定鹽泥的鹽度,待鹽泥的鹽度符合要求時,再將鹽泥放入預先準備好的模具中靜置90 d,模擬天然條件下黏性泥沙固結密實的過程。制備的泥塊如圖3所示。

圖3 固結泥塊制備

2.3 試驗方案

對于利用泥沙樣本1和樣本2制備的泥塊1和泥塊2,首先分析不同鹽度對鹽泥固結成泥塊的影響,測量泥塊的含水率、干密度等物理屬性。其次,為了解在清水條件下不同鹽度泥塊的沖刷規律,根據土樣槽的尺寸(50 mm×200 mm × 200 mm)切分泥塊,將完整無裂縫的泥塊放入試驗水槽內的土樣槽中,觀察沖刷現象,記錄泥塊沖刷的試驗數據。

測量不同鹽度對固結泥塊物理屬性的影響時,首先在密實固結90 d的泥塊的四角及幾何中心按“五點式”取樣法取樣測量,然后將測得的鹽度、干密度數據取均值。為便于計算及試驗操作,矩形試驗水槽內的流速根據水槽斷面面積和流量計算得到。泥塊的沖刷速率通過計算一定時間內固結泥塊上表面幾何中心的“上推高度”(土樣槽旁貼有標尺)得到。這樣,可以得到試驗所需的固結泥塊的鹽度、含水率、干密度、沖刷速率等數據。

3 試驗結果及分析

3.1 鹽度對泥塊物理屬性的影響

為了解鹽度對固結泥塊干密度的影響,測量了固結泥塊的干密度、含水率等數據。圖4點繪了固結泥塊含水率(y)與鹽度(x)、干密度(ρd)與鹽度(x)的擬合關系,相關系數均超過0.91;表1、表2分別給出了其關系擬合曲線方程。

表1 含水率與鹽度擬合關系

表2 干密度與鹽度擬合關系

圖4 固結泥塊物理特性與鹽度關系

從圖4中可以看出,兩種固結泥塊的含水率均隨著鹽度的增大而減小,干密度隨著鹽度的增大而增大。這表明,在一定范圍內鹽度越高,固結泥塊的含水率越低、干密度越大。

3.2 泥沙起動

黏性泥沙在密實固結條件下,泥塊內部由于泥沙顆粒間擁有很強的黏結力,導致在沖刷試驗中固結泥塊以顆粒狀、塊狀、片狀的形式起動[16]。根據觀察到的試驗現象將固結泥塊的沖刷起動分為兩種臨界狀態:一是少量起動(固結泥塊的剝蝕面上方出現肉眼可見的間歇性的微小變化,例如剝蝕面上方出現渾濁物、絮狀物,或是剝蝕面上出現麻坑,如圖5(a)所示);二是普遍起動(固結泥塊的剝蝕面出現持續的明顯變化,如剝蝕面上方出現大量的渾濁物、絮狀物,或是固結泥塊以微團、塊狀、片狀的形式大量脫落,如圖5(b)所示)。這兩種狀態可視為試驗泥塊沖刷時臨界起動狀態的上限和下限,下文在分析時均采用少量起動狀態時的試驗數據。

圖5 試驗中泥沙起動照片

固結泥塊的起動主要受泥沙顆粒間的黏結力、水流的上舉力、拖曳力、重力等的影響。與此同時,上述的黏結力與固結泥塊的干密度關系密切。圖6(a)點繪出了兩種固結泥塊的起動切應力τc與干密度ρd之間的關系。從圖6(a)中可以看出,固結泥塊的起動切應力τc隨著干密度ρd的增大而增大,即泥沙顆粒間的黏結力隨著干密度的增大而增大。固結泥塊的干密度越大,意味著相同體積下容納的泥沙顆粒越多,顆粒的間距越小,黏結力越大,對應的固結泥塊的起動切應力τc越大。表3給出了兩種泥塊的起動切應力τc與干密度ρd的擬合關系,相關系數均超過0.93?？紤]到本試驗所用的泥沙樣本1與文獻[16]中所使用的泥沙級配相當,擁有相似的力學性質,故在圖6(b)中繪制了本文和文獻[16]的試驗結果進行對比。由圖6(b)可知,二者的起動切應力τc均隨干密度ρd的增大而增大,試驗結果的變化規律總體一致。

表3 起動切應力τc與干密度ρd擬合關系

圖6 起動切應力τc與干密度ρd擬合關系曲線

3.3 泥沙沖刷

固結泥塊的沖刷起動,在微觀上表現為單個泥沙顆粒在黏結力、拖曳力、重力等的共同作用下運動狀態由靜止轉變為運動,進而脫離主體;宏觀上表現為黏性泥層被水流剝蝕,并以顆粒團的形式被水流沖走。固結泥塊的沖刷速率主要由水流切應力和固結泥塊的抗沖刷作用共同決定,其中固結泥塊的抗沖刷作用由泥塊起動切應力和沖刷系數決定。水流對固結泥塊的剝蝕高度H可表示為[17]:

H=kd(τf-τc)Δt。

(1)

式中:H為固結泥塊的剝蝕高度,m;kd為土體的沖刷系數,m3/(N·s);Δt為沖刷時間,s;τf為水流的平均切應力,N/m2;τc為土體起動切應力,N/m2。當且僅當水流切應力大于土體的起動切應力時,土體才會被水流沖刷,對應沖刷速率ε可表示為:

ε=kd(τf-τc)。

(2)

式中ε為沖刷速率,m/s。

由式(1)和式(2)可知,固結泥塊的沖刷速率ε除了受到水流切應力影響外,還與固結泥塊的沖刷系數及起動切應力有關,且沖刷系數是影響泥塊侵蝕量的主要參數。根據試驗結果,得到不同鹽度的固結泥塊在不同水流切應力下的沖刷速率,結合式(1)與式(2)點繪出沖刷系數kd與起動切應力τc的關系,具體見圖7(a)和圖7(b)。根據本文試驗結果擬合出兩個泥塊樣本的沖刷系數kd與起動切應力τc之間的關系,結果見表4。將本文結果與宗全利等[16]、HANSON G J等[17]、WYNN T M等[18]、KARMAKER T等[19]的試驗結果進行對比,擬合關系曲線如圖7(c)所示,擬合曲線方程對比見表5。

表4 沖刷系數與起動切應力擬合關系

表5 沖刷系數kd與起動切應力τc擬合關系對比

圖7 沖刷系數kd與起動切應力τc的關系

由圖7(c)可知,本文及文獻[16-19]的試驗結果均表明,沖刷系數kd隨起動切應力τc的增大而減小。將本文兩種泥塊的試驗結果與文獻[16]的擬合結果對比可以看出:在起動切應力相同的情況下,泥塊1的沖刷系數小于文獻[16]中泥塊的沖刷系數;泥塊2的沖刷系數大于文獻[16]中泥塊的沖刷系數。此外,泥塊1、泥塊2和文獻[16]中泥塊的沖刷系數均大于文獻[17-19]的試驗數據。這主要與試驗泥塊的黏粒含量有關,泥塊1的黏粒含量為32.48%;泥塊2的黏粒含量為9.90%;文獻[16]泥塊的黏粒含量為24.6%;文獻[17-19]泥塊的黏粒含量均超過50%。黏粒含量越高,固結成的泥塊黏性越大,越不容易被沖刷,故沖刷系數越小。

圖8 沖刷系數kd與鹽度x的關系

kd=- 0.014 1x1.883-0.237 6x1.115+78.901 7。

(3)

應當指出,以泥塊1為例,鹽度為0‰的固結泥塊的干密度ρd=1.48 g/cm3、含水率y=30.40%;原狀土的干密度ρd=1.54 g/cm3、含水率y=32.98%。本試驗為了引入“鹽度”這一變量,將原狀土經過“粉碎—加水攪拌—固結密實”的步驟配制成了不同鹽度的固結泥塊,與原狀土相比,兩者在干密度和含水率等物理性質指標上基本一致。因此,本文得到的沖刷系數與鹽度的關系是可信的,但是要想更為精確地指出兩者之間的關系,還需要進一步的現場試驗來驗證。

4 結論

本文采用矩形封閉水槽開展了不同鹽度的固結黏性泥沙沖刷試驗研究,得到了如下結論:

1)相同固結歷時、相同顆粒級配的試驗泥塊的干密度隨鹽度增大而增大、含水率隨鹽度增大而減小;相同鹽度下,泥沙的粒徑越大,其固結泥塊的含水率越小,干密度越小。

2)根據實測數據分別擬合出了兩種顆粒級配下起動切應力與干密度的公式,相關系數達到了0.93以上,兩者均呈現出起動切應力隨干密度增大而增大的變化規律。

3)根據實測數據擬合了沖刷系數與起動切應力的公式,相關系數為0.90;分析可知,沖刷系數隨起動切應力的增大而減小。

4)結合沖刷系數與起動切應力、起動切應力與干密度、干密度與鹽度之間的關系,擬合得到了沖刷系數(kd)與鹽度(x)的關系。分析表明:在0‰～40‰的鹽度范圍內,鹽度越大,沖刷系數越小,且兩者存在kd=- 0.014 1x1.883-0.237 6x1.115+78.901 7的關系。