不同盐度固结黏性泥沙的冲刷试验研究

张晓雷, 毕峥峥, 刘书瑜, 吴浩然

(1.华北水利水电大学 水利学院,河南 郑州 450046; 2.黄河河口管理局 利津黄河河务局,山东 东营 257400)

黏性泥沙广泛存在于河流、湖泊及近海中,并大量淤积固结于河、湖、海床及其岸坡中。泥沙的冲刷影响岸坡稳定及河、湖、海床的演变。因此,研究固结泥沙的冲刷问题,在水库淤后冲刷、河道和航道整治、河流边坡和海岸防护等方面具有重要意义。

近些年来,众多学者在黏性泥沙起动[1-3]、冲刷[4-5]以及淤积[6-9]方面做了大量的研究,普遍认为影响黏性泥沙冲刷的主要因素有两个方面:一是水流水动力条件的影响,二是泥块本身物理属性的影响。饶庆元[10]在进行长江河床黏性土抗冲试验时,通过对黏性团粒的研究分析,得到了黏性土抗冲流速的经验公式。王军等[11]通过矩形水槽装置,对6组不同粒径的泥沙开展了临界切应力冲刷试验,指出了起动切应力与粒径及固结程度的关系。吴月勇等[12]通过有压水槽,对来自晋江滨海新区围海造陆工程的21个不同级配的原状泥沙样本进行了冲刷试验,分析了在不同的水压力下泥沙级配和黏粒含量对冲刷系数的影响。许琳娟等[13]通过有压水槽试验,研究并分析了固结泥块物理属性与起动流速的关系,并给出了两者之间的经验公式。洪大林等[14]通过矩形有压水槽对淮河入海水道中的原状土体进行了冲刷试验,建立了起动切应力与抗剪强度的关系。以上成果主要是通过试验研究探讨黏性泥沙在清水或不考虑盐度影响下的冲刷特性,研究结果丰富了对泥沙冲刷的认识,并已在部分实际工程中得到了良好的应用。但是对于近海岸和河流入海口来说,这种特定的区域是海水和河水的过渡地带,时常发生海水倒灌入侵的现象,导致该区域内既有海水来沙也有河水来沙,泥沙的盐度条件十分复杂。盐度作为黏性泥沙固结冲刷的众多重要影响因素之一,会增强黏性泥沙的絮凝、团聚效应。既有研究在盐度对泥沙冲刷影响方面的认识仍存在不足。

基于此,本文针对两种级配的黏性泥沙分别制备了不同盐度的固结泥块,并在矩形封闭水槽内开展冲刷试验,分析盐度对固结泥块物理性质的影响、固结泥块物理指标与冲刷系数之间的定量关系,得到盐度对固结泥块冲刷影响的定量表达式。

1 模型设计

以往在进行泥沙冲刷试验研究时,试验装置常采用明渠水槽和封闭水槽。考虑到常规的明渠水槽难以满足较强的起动条件,且控制试验条件困难,已经有试验者使用封闭的玻璃水槽完成了泥沙的冲刷试验,得了良好的试验效果,故本试验选用封闭的有机玻璃水槽。

水槽的断面形式为矩形,其断面尺寸为50 mm×110 mm,矩形水槽有效长度为5 000 mm,试验时利用千斤顶将泥块通过断面形式为矩形、断面尺寸为50 mm×200 mm的土样槽推入水槽内部,泥块受冲面的几何中心与水槽进口处的间距为1 000 mm,土样槽后均匀设置3个断面形式为矩形、断面尺寸为50 mm×100 mm的沉泥斗。整个水槽通过一台流量为40 m3/h、扬程为15 m的潜水泵提供清水,在潜水泵后的进水管段依次设置阀门及流量计,流量计的进、出口前后均设置500 mm长的平直圆管以保证流量计读数的准确性。试验时将泥块通过土样槽从下方推入水槽内,保证泥块上表面与水槽下底面重合。当泥块上表面发生冲刷时,通过调节千斤顶保持上述状态。具体的试验水槽装置如图1所示。

图1 试验矩形水槽

2 方案设计

2.1 泥沙粒径

相比中下游河段,河口段拥有更复杂的盐度条件。为了更好地研究盐度对固结泥块冲刷的影响,本试验选取以上两种泥沙样本作为对比。泥沙样本1来自黄河花园口,是典型的河流中下游段淡水泥沙;泥沙样本2来自广东珠江口,是典型的河口段含盐泥沙。利用激光粒度分析仪(BT-9300ST)分析两种泥沙样本。泥沙样本1的中值粒径d50=9.392 μm,黏粒(d<0.05 mm)含量为32.48%;泥沙样本2的中值粒径d50=85.360 μm,黏粒含量为9.90%。所取泥沙的颗粒级配曲线如图2所示。

图2 泥沙颗粒级配曲线

2.2 泥块制备

通常情况下,自然界中的黏性泥沙在水中的淤积固结主要分为两个过程:首先,悬浮在水体中的泥沙颗粒沉降在河床底部;然后,随着时间的推移,沉降下来的泥沙颗粒在河床底部固结密实为泥块。为了使试验所用的固结泥块与天然河道中的一致,需要在实验室中对前文提到的两种沙样进行密实固结处理。

本次试验得到的泥沙样本基本以块状的形式存在,因此为了配制不同盐度的固结泥块,首先需要对泥沙样品进行破碎处理,然后再将两种泥沙样品分别用配制好的不同浓度的盐水搅拌均匀,得到盐度分别为0‰、5‰、10‰、20‰、30‰、40‰的盐泥。盐泥在经历90 d的密实固结后,含水率、干密度等物理性质的指标变化已趋于稳定[15]。利用电子盐度计(WS-31)测定盐泥的盐度,待盐泥的盐度符合要求时,再将盐泥放入预先准备好的模具中静置90 d,模拟天然条件下黏性泥沙固结密实的过程。制备的泥块如图3所示。

图3 固结泥块制备

2.3 试验方案

对于利用泥沙样本1和样本2制备的泥块1和泥块2,首先分析不同盐度对盐泥固结成泥块的影响,测量泥块的含水率、干密度等物理属性。其次,为了解在清水条件下不同盐度泥块的冲刷规律,根据土样槽的尺寸(50 mm×200 mm × 200 mm)切分泥块,将完整无裂缝的泥块放入试验水槽内的土样槽中,观察冲刷现象,记录泥块冲刷的试验数据。

测量不同盐度对固结泥块物理属性的影响时,首先在密实固结90 d的泥块的四角及几何中心按“五点式”取样法取样测量,然后将测得的盐度、干密度数据取均值。为便于计算及试验操作,矩形试验水槽内的流速根据水槽断面面积和流量计算得到。泥块的冲刷速率通过计算一定时间内固结泥块上表面几何中心的“上推高度”(土样槽旁贴有标尺)得到。这样,可以得到试验所需的固结泥块的盐度、含水率、干密度、冲刷速率等数据。

3 试验结果及分析

3.1 盐度对泥块物理属性的影响

为了解盐度对固结泥块干密度的影响,测量了固结泥块的干密度、含水率等数据。图4点绘了固结泥块含水率(y)与盐度(x)、干密度(ρd)与盐度(x)的拟合关系,相关系数均超过0.91;表1、表2分别给出了其关系拟合曲线方程。

表1 含水率与盐度拟合关系

表2 干密度与盐度拟合关系

图4 固结泥块物理特性与盐度关系

从图4中可以看出,两种固结泥块的含水率均随着盐度的增大而减小,干密度随着盐度的增大而增大。这表明,在一定范围内盐度越高,固结泥块的含水率越低、干密度越大。

3.2 泥沙起动

黏性泥沙在密实固结条件下,泥块内部由于泥沙颗粒间拥有很强的黏结力,导致在冲刷试验中固结泥块以颗粒状、块状、片状的形式起动[16]。根据观察到的试验现象将固结泥块的冲刷起动分为两种临界状态:一是少量起动(固结泥块的剥蚀面上方出现肉眼可见的间歇性的微小变化,例如剥蚀面上方出现浑浊物、絮状物,或是剥蚀面上出现麻坑,如图5(a)所示);二是普遍起动(固结泥块的剥蚀面出现持续的明显变化,如剥蚀面上方出现大量的浑浊物、絮状物,或是固结泥块以微团、块状、片状的形式大量脱落,如图5(b)所示)。这两种状态可视为试验泥块冲刷时临界起动状态的上限和下限,下文在分析时均采用少量起动状态时的试验数据。

图5 试验中泥沙起动照片

固结泥块的起动主要受泥沙颗粒间的黏结力、水流的上举力、拖曳力、重力等的影响。与此同时,上述的黏结力与固结泥块的干密度关系密切。图6(a)点绘出了两种固结泥块的起动切应力τc与干密度ρd之间的关系。从图6(a)中可以看出,固结泥块的起动切应力τc随着干密度ρd的增大而增大,即泥沙颗粒间的黏结力随着干密度的增大而增大。固结泥块的干密度越大,意味着相同体积下容纳的泥沙颗粒越多,颗粒的间距越小,黏结力越大,对应的固结泥块的起动切应力τc越大。表3给出了两种泥块的起动切应力τc与干密度ρd的拟合关系,相关系数均超过0.93。考虑到本试验所用的泥沙样本1与文献[16]中所使用的泥沙级配相当,拥有相似的力学性质,故在图6(b)中绘制了本文和文献[16]的试验结果进行对比。由图6(b)可知,二者的起动切应力τc均随干密度ρd的增大而增大,试验结果的变化规律总体一致。

表3 起动切应力τc与干密度ρd拟合关系

图6 起动切应力τc与干密度ρd拟合关系曲线

3.3 泥沙冲刷

固结泥块的冲刷起动,在微观上表现为单个泥沙颗粒在黏结力、拖曳力、重力等的共同作用下运动状态由静止转变为运动,进而脱离主体;宏观上表现为黏性泥层被水流剥蚀,并以颗粒团的形式被水流冲走。固结泥块的冲刷速率主要由水流切应力和固结泥块的抗冲刷作用共同决定,其中固结泥块的抗冲刷作用由泥块起动切应力和冲刷系数决定。水流对固结泥块的剥蚀高度H可表示为[17]:

H=kd(τf-τc)Δt。

(1)

式中:H为固结泥块的剥蚀高度,m;kd为土体的冲刷系数,m3/(N·s);Δt为冲刷时间,s;τf为水流的平均切应力,N/m2;τc为土体起动切应力,N/m2。当且仅当水流切应力大于土体的起动切应力时,土体才会被水流冲刷,对应冲刷速率ε可表示为:

ε=kd(τf-τc)。

(2)

式中ε为冲刷速率,m/s。

由式(1)和式(2)可知,固结泥块的冲刷速率ε除了受到水流切应力影响外,还与固结泥块的冲刷系数及起动切应力有关,且冲刷系数是影响泥块侵蚀量的主要参数。根据试验结果,得到不同盐度的固结泥块在不同水流切应力下的冲刷速率,结合式(1)与式(2)点绘出冲刷系数kd与起动切应力τc的关系,具体见图7(a)和图7(b)。根据本文试验结果拟合出两个泥块样本的冲刷系数kd与起动切应力τc之间的关系,结果见表4。将本文结果与宗全利等[16]、HANSON G J等[17]、WYNN T M等[18]、KARMAKER T等[19]的试验结果进行对比,拟合关系曲线如图7(c)所示,拟合曲线方程对比见表5。

表4 冲刷系数与起动切应力拟合关系

表5 冲刷系数kd与起动切应力τc拟合关系对比

图7 冲刷系数kd与起动切应力τc的关系

由图7(c)可知,本文及文献[16-19]的试验结果均表明,冲刷系数kd随起动切应力τc的增大而减小。将本文两种泥块的试验结果与文献[16]的拟合结果对比可以看出:在起动切应力相同的情况下,泥块1的冲刷系数小于文献[16]中泥块的冲刷系数;泥块2的冲刷系数大于文献[16]中泥块的冲刷系数。此外,泥块1、泥块2和文献[16]中泥块的冲刷系数均大于文献[17-19]的试验数据。这主要与试验泥块的黏粒含量有关,泥块1的黏粒含量为32.48%;泥块2的黏粒含量为9.90%;文献[16]泥块的黏粒含量为24.6%;文献[17-19]泥块的黏粒含量均超过50%。黏粒含量越高,固结成的泥块黏性越大,越不容易被冲刷,故冲刷系数越小。

图8 冲刷系数kd与盐度x的关系

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

(3)

应当指出,以泥块1为例,盐度为0‰的固结泥块的干密度ρd=1.48 g/cm3、含水率y=30.40%;原状土的干密度ρd=1.54 g/cm3、含水率y=32.98%。本试验为了引入“盐度”这一变量,将原状土经过“粉碎—加水搅拌—固结密实”的步骤配制成了不同盐度的固结泥块,与原状土相比,两者在干密度和含水率等物理性质指标上基本一致。因此,本文得到的冲刷系数与盐度的关系是可信的,但是要想更为精确地指出两者之间的关系,还需要进一步的现场试验来验证。

4 结论

本文采用矩形封闭水槽开展了不同盐度的固结黏性泥沙冲刷试验研究,得到了如下结论:

1)相同固结历时、相同颗粒级配的试验泥块的干密度随盐度增大而增大、含水率随盐度增大而减小;相同盐度下,泥沙的粒径越大,其固结泥块的含水率越小,干密度越小。

2)根据实测数据分别拟合出了两种颗粒级配下起动切应力与干密度的公式,相关系数达到了0.93以上,两者均呈现出起动切应力随干密度增大而增大的变化规律。

3)根据实测数据拟合了冲刷系数与起动切应力的公式,相关系数为0.90;分析可知,冲刷系数随起动切应力的增大而减小。

4)结合冲刷系数与起动切应力、起动切应力与干密度、干密度与盐度之间的关系,拟合得到了冲刷系数(kd)与盐度(x)的关系。分析表明:在0‰～40‰的盐度范围内,盐度越大,冲刷系数越小,且两者存在kd=- 0.014 1x1.883-0.237 6x1.115+78.901 7的关系。