如东海区沙滩泥沙起动实验研究

谢永玉 （河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室 南京210098）

韩鸿胜 （交通运输部天津水运工程科学研究所 天津300456）

泥沙水力特性是泥沙研究的重点，与泥沙运动形态、港口航道淤积和岸滩冲刷等都有非常直接的关系，因此进行泥沙水力特性实验非常必要。泥沙的起动关系着航道、港池和岸滩的淤积和冲刷，进行泥沙起动实验，工程意义重大。

江苏如东岸外辐射沙洲属废弃河口潮流型细沙和粉砂质海岸，[1-2]即岸滩为细沙，航道和港池为粉沙。由于细沙和粉沙水动力特性有较大不同，此海区的泥沙运移形态变化较大。泥沙淤积主要由港区和航道的粉砂引起，而岸滩冲刷的主要为细沙。因此需对航道泥沙和岸滩泥沙分别进行波浪水槽实验，研究泥沙起动和泥沙输移特性，为如东地区港口的建设提供理论基础和技术支持。本次实验针对沙滩泥沙，为沙滩的冲刷和淤积研究提供理论参考。

目前，泥沙起动试验普遍采用平床进行试验，确定泥沙起动状态。但当实际海床出现沙纹时，上述方法会出现一定的偏差。因此本文提出在沙纹床面进行泥沙起动试验，并定义其为输沙起动，通过试验，给出了输沙起动的判定标准。

1 实验泥沙特性

实验用泥取自江苏如东港拟建人工岛的西太阳沙上，称之为沙滩泥样。现场采用柱状取样器取泥，取样深度为1.0 m。通过室内泥沙颗粒实验分析，得出3组泥沙粒级结果，如表1所示，颗分曲线见图1。

表1 泥沙粒级实验结果

图1 如东港岸滩泥沙颗粒组成曲线

2 波、流作用下泥沙的起动实验

2.1 实验设备及方法

本实验是在波、流水槽中进行，该水槽尺寸长×宽×高=68.0 m×0.7 m×1.0 m。实验段布置在水槽中部，槽底留有长3.0 m，高0.10 m的存泥槽。

铺沙方法是首先将泥沙平铺于水槽实验段的存泥槽中，然后放入一定量的水，让泥沙密实，待水槽内泥沙密实到天然容重后再开始实验。根据本实验的结果，泥沙的密实时间一般在20 h左右。实验时泥沙容重为1.907 g/cm3。

2.2 泥沙起动标准

由于泥沙起动标准较难掌握，并且对工程实际而言，只有在颗粒普遍起动，才有实际价值。但普遍起动只是一个概念，虽有文献[3]对普遍起动进行量化，但难于把握，为实验标准化，需定义泥沙普遍起动。

在水流作用下，床面平整，在水流较小时，泥沙保持平静状态；随着水流的增大，床面泥沙开始少量起动；随着水流的再增大，床面开始普遍起动，形成沙纹，在形成沙纹的过程中，泥沙慢慢停止下来，不再运动；随着水流的再增大，泥沙又开始起动，形成尺寸更明显的沙纹，并开始悬扬；最后，当水流达到一定程度时，沙纹开始消失，床面恢复平整状态。由于普遍起动较难把握，推荐当泥沙开始形成沙纹时，判定为普遍起动。

在波浪作用下，泥沙在沙纹上的起动分为几个重要阶段，在波浪较小时，沙纹上无起动，即床面上颗粒全部处于静止状态；随着波浪的增大，在沙纹波峰上轻微的泥沙起动；然后，泥沙起动的范围慢慢向波谷方向推进，同时，有少量泥沙开始悬扬，最后，沙纹上泥沙全部起动，开始产生大量悬移。为便于把握泥沙何时起动，应进行规范化，即推荐在床面形成沙纹后，当沙纹波峰泥沙作小位移运动时，判定为普遍起动。

2.3 输沙起动标准

对工程泥沙而言，相对于泥沙起动，泥沙何时开始输沙的意义更为重大，即泥沙起动并不代表泥沙开始输移，而泥沙何时开始输沙关系着当地是否冲淤。通过实验观察和研究，定义泥沙临界输沙起动，当地摩阻流速大于临界输沙起动摩阻流速时，当地有冲刷趋势；当地摩阻流速小于临界输沙起动摩阻流速时，当地有淤积趋势。

通过实验观察，当沙纹中轴线以上泥沙开始全部运动时，中轴线以上泥沙只进行左右振荡运动，并不产生泥沙输移或输移量极小，可忽略不计；当波高继续增大时，中轴线以下泥沙开始运动，且沙纹顶峰开始有部分悬沙运动，此时开始产生泥沙输移。因此定义沙纹中轴线以上泥沙全部运动时，为输沙临界起动。当地摩阻流速大于输沙临界起动摩阻流速时，当地有冲刷趋势；当地摩阻流速小于输沙临界起动摩阻流速时，当地有淤积趋势。

输沙起动标准对工程意义重大，且在实验中容易判别，减小人为误差，为工程研究提供准确的数据支持。

2.4 判别参数

本次实验起动条件的确定采用摩阻流速、起动切应力和Shield参数来表达，其中τcw和ψc的定义如下：

式中：τcw为起动切应力，ρs为泥沙密度，ρ为水密度，g为重力加速度，d50为泥沙中值粒经。

2.5 实验结果

本次实验分别进行了水流、波浪和波流共同作用下的泥沙起动实验，分述如下：

①水流作用下的泥沙起动：根据雅林流速对数分布公式，求解临界起动时的摩阻流速，再应用（1）式和（2）式计算临界起动切应力和临界Shield参数，实验结果见表2。

②波浪作用下的泥沙起动：根据文献[4]中的波浪摩阻系数计算公式计算波浪摩阻系数，再应用下式计算临界摩阻流速：

其中，Ubm为底部最大轨迹速度，fw为波浪摩阻系数，U*为波浪摩阻流速，ρ为水的密度。并应用（1）式和（2）式计算临界起动切应力和临界Shield参数，实验结果见表3。

③波浪和水流共同作用下的泥沙起动：应用文献[5]中推导的摩阻流速公式计算临界起动摩阻流速，并应用（1）式和（2）式计算临界起动切应力和临界Shield参数，实验结果见表4。

表3 波浪作用下起动流速实验结果

表4 波、流共同作用下起动流速实验结果

通过本次实验可以得出：

①从实验结果可以看出，由于泥沙较细，且没有粘性，岸滩起动流速并不大。

②泥沙起动随动力条件的改变而不同，从本实验结果可以看出，泥沙在单纯水流作用时起动摩阻流速最大，波、流共同作用时次之，单纯波浪作用时泥沙起动摩阻流速最小，即呈U*w＜U*cw＜U*c的变化规律。

③对工程泥沙而言，相对于泥沙起动，泥沙何时开始输沙的意义更为重大，因此在表3和表4同时给出了输沙起动流速，为如东建港的研究论证提供参考意见。

3 结论

①采用波浪水槽实验，了解泥沙的基本运移形态，为港口建设提供理论支持。

②本文明确了泥沙起动标准，在水流作用下，当泥沙开始形成沙纹时，判定为普遍起动；在波浪和波流共同作用下，在沙纹形成后，沙纹峰顶泥沙作小位移运动时，判定为泥沙起动。

③本文提出了泥沙输沙起动标准，即在沙纹形成后，沙纹中轴线以上泥沙全部处于运动时的摩阻流速，判定为输沙起动摩阻流速。在实验中，容易判别输沙起动标准，减小人为误差，为工程研究提供准确的数据支持。且输沙起动摩阻流速可用作工程泥沙冲淤的判定标准，当地摩阻流速大于此值时，当地有冲刷趋势；当地摩阻流速小于此值时，当地有淤积趋势。■

[1]韩西军，杨树森，曹祖德．江苏LNG项目桥墩周围冲刷的实验研究[J]．水道港口，2006，27（3）：152-156．

[2]钱宁，万兆惠.泥沙运动力学[M].北京：科学出版社，1983．

[3]张小峰，崔永章．泥沙起动判别条件和推移质输沙率[J]．泥沙研究，1996（2）：35-38．

[4]Josson,I.G.,Wave boundary layer and friction factors[C].Proceedings of the 10th international Conference on Coastal Engineering，ASCE，New York，1966：127-148.

[5]曹祖德，唐士芳，李蓓.波流共存时的剪切力[J]．水道港口，2001，22（2），56-60.