细颗粒黏性原状土的冲刷特性试验研究

吴月勇，范力阳，陈国平，张典典，徐宇航

(1.河海大学 港口海岸及近海工程学院 海岸灾害与防护教育部重点实验室，南京 210098；2.中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，长沙 410014)

细颗粒黏性原状土的冲刷特性试验研究

吴月勇1，范力阳2，陈国平1，张典典1，徐宇航1

(1.河海大学 港口海岸及近海工程学院 海岸灾害与防护教育部重点实验室，南京 210098；
2.中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，长沙 410014)

基于物理模型试验，根据实测的冲刷率和床面切应力来分析细颗粒黏性原状土的冲刷特性，考虑水压力的大小和临界起动状态的不同对冲刷率源项公式参数的影响。结果表明：在不同的水压力下，粉沙和细沙的冲刷率都与相对剩余切应力成相同的指数关系，中值粒径较小的粉沙的能量指数取0.5，细沙的能量指数取1。以普遍连续起动为起动状态的冲刷系数较以少量起动状态作为起动状态要略大，能量指数要略大。此外，粉沙的冲刷系数为(0.8～9.8)×10-2kg·m2·s-1，细沙的冲刷系数为(0.2～5.5)×10-2kg·m2·s-1，细沙的抗冲性能要略强于粉沙。

黏性原状土；水压力；临界起动状态；冲刷率；能量指数；冲刷系数

原状泥沙的冲刷特性研究对河口海岸及内河地区的工程建设、开发与治理有重要意义。Owen[1]最早提出冲刷率与剩余水流切应力的线性公式，此外，洪大林[2]、田琦[3]、曹叔尤[4]等认为冲刷率与相对剩余切应力成线性关系。与此同时，Mehta[5]，Partheniades[6]、雷文韬[7]，孙志林[8]，李华国[9]，张强[10]，万兆惠[11]等通过物理模型试验，认为细颗粒泥沙冲刷率与相对剩余切应力呈指数关系，且指数取值与泥沙和水流特性有关。其中，李华国[9]认为冲刷率与相对剩余切应力呈平方关系，且淤泥粒径越小，冲刷系数越小；张强[10]通过人工填筑黏土的冲刷试验认为冲刷率与相对剩余切应力成1.067次关系；万兆惠[11]则认为对于粒径较粗的散颗粒泥沙，水压力增大不会引起其起动流速变化，即水压力的改变不会影响散粗泥沙的冲刷率源项公式参数。吴月勇[12]在同一种起动状态和同一个水压力下，对14组黏性原状土进行起动、冲刷试验，并拟合出冲刷率公式。

尽管前人对黏性原状土的冲刷特性做了很多研究，但是水压力和泥沙临界起动状态不同对冲刷率与剩余水流切应力之间关系的影响程度还未知，此外黏性原状土的冲刷率公式中的能量指数和冲刷系数的取值还存在争议。本文对福建晋江围头湾的8个细颗粒黏性原状土样进行封闭有压矩形管槽的冲刷率物理模型试验。本文分析了水压力和泥沙起动状态对粉沙和细沙的冲刷特性的影响，并对不同起动状态和水压力作用下的细颗粒泥沙的冲刷率源项公式进行分析。

1 试验概述

1.1试验装置与方法

由于细颗粒黏性原状土的起动流速较大，本次试验采用封闭有压的有机玻璃水槽进行冲刷试验，该系统由上下游测压管、方形水槽等几部分组成，具体见图1。试验所用泥沙取自晋江滨海新区围头湾，原状土样取样严格按《水运工程岩土勘察规范》要求执行，分层采取以保证土样不扰动，满足试验的需要。受试样和试验条件限制，按中值粒径的不同将试样分别取4组粉沙试样和4组细沙试样进行起动、冲刷试验。经过土体的颗粒分析试验发现，8个土样都含有不同含量的黏性颗粒(粒径小于0.005 mm的颗粒)，均为黏性非均匀原状土。按土体粒径分类可知，土粒粒径在5～75 μm之间的为粉沙，介于75～250 μm之间的为细沙。根据土体中值粒径试验可知，1～4号试样为粉沙试样，4～8号试样为细沙试样。各个土样的黏土含量与中值粒径大小见表1。

图1 实验装置Fig.1 Experimental device

为了研究泥沙起动状态判别对原状土冲刷率的影响，将泥沙起动状态分为两种：把“芯样表面出现许多小的局部破坏或撕裂并伴随少量冲刷发生”定义为少量起动。将“芯样表面出现许多小浅坑，土样近似普遍连续起动”定义为普遍起动。逐渐增大进水口流量，使试样从静止状态到少量起动状态和普遍起动状态，流量采用超声波流量仪进行测量，水头则通过读取上下游测压管水柱高度得出。

继续增大流量使试样表面开始冲刷，冲刷试验通过水槽底部的土样升降装置来适时调整土样上升高度，该装置通过电脑程序控制电机行程，精度可达0.02 mm。根据冲刷时的流量大小，控制升降装置上顶的行程及时间，例如“3 mm，100 s”，若出现土样表面有高出或者低于水槽底部则重新相应的减小或者增大升降装置上顶行程，直至土样在装置上顶时间段内始终与水槽底部保持平齐，则说明冲刷速率和岩芯上移速率平衡，则该岩芯上移速度即为冲刷速率，升降装置上顶的行程及时间即为冲刷高度和冲刷历时。

1.2起动切应力与冲刷率计算方法

试验中的起动切应力和冲刷率按下式1～3进行计算，其中

床面切应力τ与摩阻流速的关系

(1)

式中：τ为床面切应力，Nm2；u*为摩阻流速，ms；γ为水的重度，N·m-3；p1-p2为上下游测压管压力差，R为水力半径，m；Δz为上下游测压管水头差，m；l为两测压管间距，m；J为水力坡度。

试验中，根据土样冲刷高度Δh(mm)及冲刷历时Δt(s)，测得的冲刷率与单位时间冲刷高度关系如下

(2)

式中：E为原状土冲刷率，kg.m-2.s-1；ρs为沉积密度，g.cm-3。

参考前人研究成果，拟定公式基本结构为下式(3)

(3)

将式(3)改写为对数形式得到式(4)。

(4)

2 试验结果

下表1为试验实测的原状土样的起动、冲刷率的数据结果。值得注意的是表中所指的起动切应力τc特指土样起动时的临界床面切应力；在每组土样完全起动后，通过逐级增加流量的方法，根据土样情况进行3～4组不等的冲刷率试验，根据式(1)计算得到对应的床面切应力τb。

同一种起动状态判别下的土样的起动切应力与中值粒径d50没有明显的关系，原因是由于黏性原状土的起动现象以微团为单位，并不是以颗粒起动为特征，再加上原状土的不均匀性，使得中值粒径相差无几的土样起动切应力相差较大，这一点洪大林[2]等人的原状土试验也有类似的结论。尽管中值粒径相近土样的起动切应力相差较大，但是相应的使土样达到冲刷条件的床面切应力也较大，因此式(3)、(4)用基本上可以消除起动切应力的差异性的影响。

3 结果分析

3.1水压力对冲刷率的影响

将8个土样的冲刷率、相对剩余切应力按式(4)绘制散点图并进行线性拟合，其中横坐标为相对剩余切应力的自然对数形式，纵坐标为冲刷率的自然对数形式。粉沙试样(1～4号试样)和细沙试样(5～8号试样)在起动判别状态分别为少量起动和普遍起动下的冲刷率和相对剩余切应力的关系如图2所示。

2-a 少量起动

2-b 普遍起动图2 冲刷率与相对剩余切应力关系Fig.2 Relation between scour rate and relative residual shear stress

同一种起动状态下，随着水压力的增加，粉沙和细沙试样的临界起动切应力有增大的趋势，这一点与万兆惠[11]用散颗粒非原状土得出的结论相佐证，同时这也说明了水压力的增加是对冲刷率源项公式中的参数τc、τb是有影响的。此外，分析图2可知，大部分土样的点据都呈现出大水头数据点位于小水头数据点之下的规律，这是因为大水压力下的起动切应力较大造成的。

上图的共同规律是水头分别为35 cm和235 cm时，4个粉沙试样与4个细沙试样的实测数据点都近似成直线分布。对8个试样在两种水压力下的测点分别进行线性拟合得出冲刷率曲线，8个试样的冲刷率曲线相关系数R2均在0.65～0.98之间，拟合性较好。由此可知，在不同的水压力作用下，冲刷率与相对剩余切应力始终成指数关系，即水压力的改变对原状土的冲刷率源项公式的基本结构。

3.2起动状态对冲刷率的影响

考虑泥沙临界起动状态对泥沙冲刷率公式参数的影响主要就是考虑临界起动切应力对泥沙冲刷率公式参数的影响，比较分析图2中1～8个试样所拟合的冲刷率曲线的斜率和截距，分别计算能量指数n和冲刷系数M。表1为泥沙起动状态定义为少量起动和普遍连续起动时的能量指数与冲刷系数的误差表。

表1 两种起动状态下的能量指数和冲刷系数误差表Tab.1 Energy index and scour coefficient error for two incipient conditions

能量指数：由表1可知，两种起动状态下，无论是粉沙还是细沙，同一个试样的能量指数和冲刷系数M均存在一定误差。1～8号土样中，除了4号试样外，以普遍连续起动作为起动状态的其他几个试样的能量指数较以少量起动作为起动状态的要小，但相对误差均在-3.89%～-38.04%之间，总体差距不大，4号试样的n的相对误差则为0.16%。由于黏性原状土的不均匀性和组成成分的复杂性，上述能量指数的误差并不算大，因此可以认为起动状态的影响对能量指数影响较小。对于4个粉沙试样，由于其能量指数相互之间差距较小，4组试样的n值的平均值为0.538，因此可以认为粉沙的冲刷率与相对剩余切应力成0.5次方关系。对于4个细沙试样，尽管不同起动状态下的能量指数变化较小，但同一种起动状态下，彼此之间的能量指数差距较粉沙要大，最小仅为0.652，最大则为1.847，由此可以认为颗粒粒径对能量指数也有影响，粒径较大的细颗粒泥沙的能量指数变化要较粉沙敏感。细沙的能量指数变化幅度较粉沙略大，但n的平均值为1.08，因此取其平均值1.08为细沙的能量指数，即细沙的冲刷率与相对剩余切应力近似成1次方关系。

冲刷系数：同样的，由表1可知：两种起动状态下，8个试样的冲刷系数M的相对误差均在26.14%～118.94%之间。由此说明，以普遍连续起动作为起动状态所计算的冲刷系数略大于以少量起动作为起动状态的冲刷系数，冲刷系数越大表明土样的抗冲刷性越弱。因此，同一个原状土试样，采用不同的起动状态作为临界起动计算出的冲刷系数是不同的，最大差距可达一倍，这有可能高估或者低估泥沙的抗冲刷性。但是总体而言，由于黏性原状土的不均匀性和组成成分的复杂性，以上所得的冲刷系数误差并不算大，均不超过一个数量级。

3.3冲刷率源项公式的确定

由前文可知，粉沙和细沙的冲刷系数分布范围相对较宽，粉沙的冲刷系数为(0.8-9.8)×10-2kg·m2·s-1，细沙的冲刷系数为(0.2-5.5)×10-2kg·m2·s-1，因此想用一个固定常数来表示冲刷系数是不合理的，且虽然粉沙的冲刷系数与细沙的冲刷系数之间有交集，但是总体可以看出：细沙的抗冲性较粉沙要略强。

综上，根据冲刷率试验得出的冲刷率表达式为，当(τb>τc)时有

吴月勇[12]对14组粉沙、细沙试样进行起动冲刷试验，其粉沙、细沙的能量指数分别为0.5和1；粉沙、细沙的冲刷系数分别为3.34×10-2kg·m2·s-1、8.4×10-3kg·m2·s-1，实验结果与本文结果十分相似。但值得注意的是，本文所拟合公式为黏性原状粉沙、黏性原状细沙在不同水压力、不同起动状态下的拟合结果，且试验土样与吴月勇[12]的前期研究虽来于同一个工程区域，却是完全不同的另一批土样。而吴月勇[12]的结果是基于同一种起动状态和同一个水压力下的冲刷率试验。这两个结果基本相同，说明了对于粉沙和细沙，水压力和起动状态的改变基本不会影响其冲刷率公式的能量指数，只是对冲刷系数略有影响，但也在一个数量级以内。

4 结论

通过对4个粉沙、4个细沙的黏性原状土的起动冲刷试验得到了如下结论：(1)细沙和粉沙冲刷率与相对剩余切应力成指数关系，水压力的改变只是会影响冲刷率源项公式的床面切应力的大小，并不会改变能量指数与冲刷系数；(2)起动状态的不同即临界起动切应力的大小对能量指数和冲刷系数影响较小。总体来说，以普遍连续起动为起动状态的能量指数n较以少量起动状态作为起动状态要略小，冲刷系数M要略大；(3)中值粒径的大小对冲刷率公式的参数也有影响，中值粒径更小的粉沙的能量指数变化幅度较小，均在0.5左右；细沙的能量指数变化幅度较大，平均值在1.08左右。分别将粉沙、细沙的能量指数n取为0.5和1。此外，粉沙的冲刷系数为(0.8～9.8)×10-2kg·m2·s-1，细沙的冲刷系数为(0.2～5.5)×10-2kg·m2·s-1。总体来说，细沙的抗冲性较粉沙要略强。

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Experimental study on erosion characteristics of cohesive undisturbed fine soil

WUYue-yong1,FANLi-yang2,CHENGuo-ping1,ZHANGDian-dian1,XUYu-hang1

(1.KeyLaboratoryofCoastalDisasterandDefence,MinistryofEducation,CollegeofCoastal,HarborandOffshoreEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098,China;2.ZhongnanEngineeringCorporationLimited,Changshan410014,China)

Based on physical model test, according to the measured erosion rate and bed shear stress, erosion characteristics of cohesive undisturbed fine soil were analyzed，considering the influence of water pressure and critical incipient condition on the parameters of the source term for scour rate formula. The results show that in different water pressure and incipient condition, the relation between erosion rate and relative residual shear stress of silt and fine sand is changeless. The energy index of silt is at around 0.5, and the energy index of fine sand is at around 1. The scouring coefficient of a general continuous incipient condition is slightly bigger than that with a small amount of incipient motion as a starting state. In addition, the scope of silt scouring coefficient is (0.8～9.8)x10-2kg.m2.s-1,and the scope of the fine sand erosion coefficient is (0.2～5.5)x10-2kg.m2.s-1, The impact resistance of sand is slightly stronger than that of silt.

cohesive undisturbed soil; water pressure; critical incipient condition; erosion rate; energy index; erosion coefficient

2017-02-06；

2017-05-15

吴月勇(1992-)，男，江苏南京人，硕士研究生，主要从事港口海岸水动力、波浪与建筑相互作用方面研究。

Biography：WU Yue-yong(1992-),male, master student.

TV 143；O 242.1

A

1005-8443(2017)05-0453-05