长江口航道淤泥流变特性试验研究

蒋 勤,崔 莉,聂思航,范书鸣,应 铭

(1. 河海大学港口海岸与近海工程学院,江苏南京 210098；2. 上海航道勘察设计院有限公司,上海 200120)

流变特性是淤泥等黏性泥沙的基本力学特征之一[1],表征在外界荷载作用下泥沙对流动、变形的阻碍作用及其自身结构的变化特性[2]。揭示淤泥的流变特性并建立定量描述公式是研究淤泥质河口、海岸水动力与泥沙相互作用的基础,对定量分析泥沙输送及岸滩演变、预测港口或航道的冲淤变化、确定航道适航深度等具有重要作用[3]。

迄今,国内外学者通过对人工或现场淤泥的流变特性试验研究,在揭示淤泥流变特性方面取得了丰富的研究成果,发现在剪切荷载作用下淤泥具有弹性、黏弹性、黏性、Bingham塑性及黏弹塑性等复杂的变化特性[4-8]。近年来,对黏性泥沙在加载过程中的微观结构变化、破坏机理及固液相态转化的研究备受关注。Shakeel等[7],Nie等[8]和Yang等[9]对不同地区的现场淤泥的流变特性试验结果表明,淤泥等黏性泥沙在剪切荷载作用过程中的固液相态转化与泥床的液化(流化)具有本质的联系。然而,淤泥的流变特性受密度、颗粒级配、矿物组成、盐度和温度等多种因素的影响,不同地区的淤泥一般具有不同的流变特性。在长江口口门地区,特别是深水航道附近,覆盖着大量淤泥质黏性泥沙,受大风天或台风等极端天气影响经常会引发港口或航道的泥沙骤淤问题。因此,长江口深水航道的泥沙淤积问题一直是一个备受关注的研究课题。但是,迄今对长江口淤泥流变特性的研究成果还屈指可数。张华和阮伟[10]曾对长江口北槽浮泥的流变特性进行了试验研究,指出其流变行为具有宾汉流体特性；Yang等[9]针对容重为1.65～1.70 g/cm3的长江口高浓度黏性泥沙的流变特性进行了试验研究,揭示了含水率和盐度变化对淤泥流变特性的影响；王梦寒等[11]以黏土含量为15%～45%的长江口黏性泥沙为对象,通过试验分析了盐度、黏土含量和含水率对其流变特性的影响。然而,根据固结程度的不同,长江口航道淤泥的容重变化范围约在1.1～1.7 g/cm3,而现有研究成果所覆盖的淤泥容重范围相对较窄,缺乏对较大容重范围的长江口淤泥流变特性的系统的研究成果。

1 泥样及测试方法

1.1 淤泥样品

本研究采用长江口航道疏浚淤泥作为试验淤泥样本。淤泥的粒度级配曲线如图1所示。试验前首先采用烘干机,在105℃的温度下将现场淤泥烘干,然后过筛(筛的孔径1.0 mm),去除石子、贝壳等杂质以保持样品的均匀性。根据天然环境中底床淤泥的容重范围和试验仪器的测试条件,将烘干后的泥沙样本与不同量的盐水混合制备成容重ρc为1.16 g/cm3、1.20 g/cm3、1.33 g/cm3、1.46 g/cm3、1.59 g/cm3、1.72 g/cm3的泥样。此外,选取容重为1.20 g/cm3和1.46 g/cm3的泥样,通过改变其盐度、pH值与温度,分析淤泥流变特性对上述各物理参数的响应,以确定影响淤泥流变特性的主控要素。

图1 长江口泥沙粒径级配曲线Fig.1 Particle size distribution of the mud from Yangtze River Estuary

1.2 测试仪器及方法

2 试验结果及分析

2.1 淤泥的基本流变特性

以容重为1.46 g/cm3的泥样为例,图2给出了该泥样的流变曲线和黏度曲线的实测结果。为了详细分析剪切荷载作用下淤泥的动力响应过程及其变化机理,图2(a)和图2(b)分别给出了用直角坐标和对数坐标表示的流变曲线。

图2 ρc=1.46 g/cm3泥样的流变曲线和黏度曲线Fig.2Flow curve and viscosity curve of mud sample for ρc=1.46 g/cm3

综上所述,淤泥在剪切荷载作用下的流变响应过程是一个包含了复杂的相态转化的渐变过程,并与淤泥内部微观结构的变化和破坏有关。其中第一临界剪切应力表征淤泥从类固态向液态转化的开始,第二临界剪切应力表征淤泥开始发生屈服流动变形,对应于淤泥的屈服破坏。此外,由图2(c)可见,从加载初期到加载结束,淤泥的黏度值减小了约5个数量级,说明在剪切荷载作用下长江口航道淤泥具有明显的剪切稀化特征。

表1列出了本研究得到的长江口航道淤泥的τ1、τ2值与文献中其他研究区域淤泥的相应值的比较。Nie[13]和Shakeel等[14]分别对连云港淤泥、德国汉堡港淤泥的流变特性进行了研究。长江口航道淤泥与这2种淤泥的流变响应类似,同样具有相态转化过程。但对于类似的容重范围,长江口航道淤泥的临界剪切应力值较小,这可能与3种淤泥的粒径大小、矿物组成、有机质含量等不同有关。

表1 不同研究区域淤泥的主要流变参数比较

2.2 容重变化的影响

为了揭示淤泥容重(ρc)对其流变特性的影响,本研究对上述6组不同容重泥样的流变试验结果进行了对比分析。其中,6组泥样的盐度和pH值相同,且试验温度均为25 ℃。图3给出了试验得到的不同容重泥样的流变曲线和黏度曲线。

图3 不同容重泥样的流变曲线与黏度曲线Fig.3Flow curves and viscosity curves of mud samples with different bulk density

图4 临界剪切应力τ1和τ2与容重的关系Fig.4 Relationship between the critical shear stresses and bulk density of mud samples

由图3可知,在剪切荷载作用下不同容重泥样均表现出双宾汉体特性,但各自的流变响应趋势略有不同。从图3(a)可以看出,在剪切荷载作用下容重为1.16 g/cm3的泥样在整个加载过程中均呈现出黏性流体特征,不存在固—液转化过程；容重为1.20～1.46 g/cm3的泥样存在固—液转化过程,并具有明显的剪切应力下降与再增长趋势；而容重为1.59～1.72 g/cm3的泥样在固—液转化阶段剪切应力下降现象较不明显。上述观测结果可以通过淤泥内部微观结构连接的紧密程度加以分析。当淤泥容重较小时,单位体积内的泥沙颗粒含量较低,泥沙颗粒间的黏结作用相应较弱,无法形成具有颗粒间紧密结合的稳定的微观结构,表现为泥体无法抵抗所受到的剪切荷载而直接发生黏性流动。随着容重的增大,泥沙颗粒间的间距越来越小,相互间的接触面积与黏结作用增强。对于容重为1.20～1.46 g/cm3的泥样,其泥沙颗粒间的黏结强度还不足以抵抗较大的外界荷载,因此在受到一定的剪切荷载作用时会发生微观结构的破坏,出现剪切应力降低的现象。相对地,对于容重较大(1.59～1.76 g/cm3)的泥样而言,由于泥体内黏性泥沙颗粒之间具有较为紧密的接触和较强的黏结作用,当颗粒间黏结作用遭受破坏时,泥体的变形使得泥沙颗粒间发生排列结构的重新调整,并迅速恢复一定的抗剪能力,剪切应力下降现象不明显。

此外,由图3可见,淤泥的剪切应力和黏度均随容重的增大而增大。相应地,临界剪切应力τ1和τ2也随容重的增大而增大。从图4给出的不同容重泥样的临界剪切应力τ1和τ2的实测结果及其回归分析曲线可以看出,τ1和τ2均随容重的增大表现出指数形式增长趋势。

2.3 盐度和pH值变化的影响

为了揭示盐度(s)和pH值变化对淤泥流变特性的影响,选取容重为1.20 g/cm3和1.46 g/cm3的泥样,分别在不同盐度(0.34%、1.04%、1.96%、2.84%、3.57%)和不同pH值(7、7.44、7.82、8.23、8.53)条件下进行流变特性试验。图5、图6分别给出了直角坐标和对数坐标下泥样的流变曲线随盐度和pH值变化的实测结果。由图可知,随着盐度和pH值的升高,淤泥所受剪切应力的幅值会随之增大,盐度和pH值的这种影响在高剪切速率区更加明显,且淤泥容重越大,影响效果越显著。

((a)、(c)为直角坐标；(b)、(d)为对数坐标)图6 pH值变化对淤泥流变特性的影响Fig.6Influences of pH on the rheological properties of mud samples

由图7、图8给出的临界剪切应力τ1、τ2随盐度和pH值变化的实测结果可知,τ1和τ2均随盐度和pH值的增大呈线性增加趋势。此外,从图5(a)、5(c)可以看出,不同盐度条件下,泥样在高剪切速率区的流变曲线基本平行,这与孙献清和黄建维[14]对含盐淤泥的研究结论一致。

上述盐度和pH值对淤泥流变特性的影响主要是通过影响黏性细颗粒泥沙间的絮凝作用实现。由于淤泥含有足够量的黏粒,在电介质作用下,黏性细颗粒泥沙会发生絮凝,形成集合体和网状结构。相关研究结果表明[15-17],黏性细颗粒泥沙的絮凝作用在一定程度上随盐度的增大和pH值的减小而增强。所以当盐度增大时,淤泥内部细颗粒泥沙的絮凝作用增强,所形成的微观结构的强度也会增大,抗剪切能力增强。值得指出的是,本试验中泥样的剪切应力随pH值的减小而呈现出减小的现象,这可能与淤泥内部存在的有机质成分有关,具体原因尚有待于进一步的研究。

图7 临界剪切应力τ1和τ2与盐度的关系Fig.7Relationship between the critical shear stresses and salinities value of mud samples

图8 临界剪切应力τ1和τ2与pH值的关系Fig.8Relationship between the critical shear stresses and pH value of mud samples

2.4 试验温度变化的影响

为了揭示温度(T)变化的影响,在不同试验温度(5 ℃、10 ℃、15 ℃、25 ℃、35 ℃)条件下分别对容重为1.20 g/cm3和1.46 g/cm3的泥样进行了流变特性试验。图9为泥样在不同温度条件下得到的流变曲线实测

图9 温度对流变特性的影响Fig.9Influences of temperature on the rheological properties of mud samples

结果。由图可见,温度的改变对淤泥在低剪切速率区的剪切应力值的影响较小；而在高剪切速率区,温度变化对剪切应力的影响较为明显,温度的增加会导致淤泥内部的剪切应力逐渐降低,且容重越大,影响越显著。其主要原因在于温度的升高会引起泥沙颗粒的动能增大,运动加强,颗粒间的黏结力减小,致使泥体抵抗剪切作用的能力降低。

3 经验本构方程

由上述淤泥流变特性的试验结果可知,长江口航道淤泥在剪切荷载作用下具有典型的双宾汉体特性。因此,本研究基于实测数据,采用Dual-Herschel-Bulkley流变模型,建立了定量描述长江口航道淤泥流变特性的经验本构方程。Dual-Herschel-Bulkley流变模型的一般形式为[18]:

(1)

表2 各容重泥样的本构模型参数

由上述容重和盐度等基本物理参数对淤泥流变特性影响的分析结果可知,容重是影响淤泥流变特性的主控因素。在此,就容重对淤泥本构模型参数的影响作进一步的分析。图10分别给出了屈服应力参数和表观

图10 本构模型参数随容重的变化曲线Fig.10Relationship between the model parameters and bulk density

黏度参数随容重的变化曲线。可以看出,τ01、τ02和η01、η02随容重的增长均呈指数增长趋势。此外,对所有容重的泥样,τ02均比τ01大了约1个数量级,而所对应的η02则比η01要小,且随着容重的增大,η01和η022条曲线会交汇于一点。

4 结 论

(1) 长江口航道淤泥在剪切荷载作用下具有双宾汉体特性；其流变响应包含了复杂的固液相态变化过程,可划分为类固态、固—液转化和液态3个典型阶段,随着剪切速率的增加淤泥逐渐表现出弹性体、黏弹性体和塑性体的变化特征。

(2) 淤泥的抗剪强度随容重、盐度和pH值的增大呈现出增长趋势,但随温度的升高则逐渐减弱。其中,容重的影响最为显著,且容重越大,盐度、pH值和温度对淤泥抗剪强度的影响越明显。

(3) 基于实测数据和Dual-Herschel-Bulkley流变模型得到的经验本构方程,能够较好地描述长江口航道淤泥在剪切荷载作用下的流变特性；与实测值相比,所构建的经验本构模型对高剪切速率区淤泥剪切应力值的拟合精度较高,对大容重泥样在低剪切速率区的剪切应力值的拟合较好。