粘性泥沙的冲刷机理及其数值模拟

粘性泥沙的冲刷机理及其数值模拟

21608104刘澄赤

（东南大学交通学院勘查与技术工程系）

摘要：粘性泥沙的冲刷是研究泥沙运动力学和河床演变的重要内容之一，在工程上得到广泛的应用。水利方面的水库排沙、河沙演变、渠道稳定，以及其他方面的航道治理、桥梁冲刷、水环境保护等均与泥沙冲刷有密切的关系。

本文阐述了粘性泥沙的冲刷过程和现象，并对粘性泥沙冲刷机理和影响因素进行了分析。同时，也介绍了粘性泥沙冲刷过程的数值模拟。

关键词：粘性泥沙；冲刷机理；数值模拟

Abstract: The cohesive sediment flushing and sediment movement mechanics is one of the important contents of riverbed evolution, widely used in engineering. The reservoir in water, river sand evolution, stable, and other aspects of channel of waterway regulation, Bridges, water and environmental protection are closely related to the dirt.

This paper expounds the scour process and viscosity mud, and dirt of cohesive mechanism and influencing factors were analyzed. It also introduces viscous numerical simulation of sediment flushing process.

Keywords: sticky mud, Scour mechanism; Numerical simulation

通常根据泥沙颗粒的大小和矿物成分，可以将泥沙分类为非粘性沙和粘性细

泥沙。其中粘性细泥沙主要由粉沙和粘粒组成，这些粘性细泥沙淤积固结后根据物理性质不同又可分为浮泥、淤泥和粘土。在多沙河流中包括河床河岸和滩地粘性细泥沙占有一部分的比重，同时它也大量存在于水库、河口港湾、淤泥质、粉质海岸中，对这些地区的河流演变及治理有重要影响。因此研究粘性细泥沙冲刷机理问题具有重要实际意义。

1.粘性泥沙的冲刷机理

淤积固结条件下粘性细泥沙在起动冲刷时的受力特点和运动形式与非粘性沙有所不同。非粘性沙起动冲刷时主要受到水流作用力（包括切应力、上举力）以及自身有效重力的作用，粘性细泥沙除了受到上述二个力作用以外，还受到颗粒间粘结力的影响。水流作用力是水流施加在泥沙颗粒上促使其起动、悬浮、冲刷的主要动力，可称为水流的冲刷力，而有效重力和颗粒间粘结力是泥沙本身所固有的，是使泥沙颗粒保持静止不动，抵抗水流运移的主要阻力，可称为泥沙颗粒的抗冲力。当水流的冲刷力超过泥沙或土体抗冲力时，就可以冲动泥沙或土体。在淤积固结条件下，粘性细泥沙逐渐密实形成一定的稳定结构，颗粒间粘结力增大，甚至远超过重力的影响，成为抗拒水流冲刷力的主要因素。因此淤积固结条件下粘性细泥沙形成的稳定结构和颗粒间粘结力往往是影响粘性细泥沙起动冲刷的关键。

淤积固结条件下粘性细泥沙冲刷时的运动形式与非粘性沙也不同。当非粘性沙被水流冲动时，是以单个颗粒的形式运动。而粘性细泥沙在水流的作用下，是以多颗粒成片或成团的形式起动，河床的冲刷常常是以局部的“缺陷—扩展—崩溃”的形式出现。对于淤积固结历时较长的淤泥或粘土，由于床面固结强度较大，一旦冲刷力突破土体的抗冲力后床面开始剧烈淘刷，冲刷过程加快，整个冲刷过程中泥面从整体稳定到床面破坏是一个短暂突然的过程，很难观察到泥沙少量起动和局部起动阶段。

此外，在粘性细泥沙冲刷过程中，一方面由于泥沙较细，泥沙一旦起动后很快进入悬浮状态，所以冲刷后水流很快变浑浊，另一方面，水流含沙量增加使得水流粘性增加，泥沙一旦悬浮就很容易被携带而不落淤，使水流含沙量进一步增

大，呈现高含沙水流特性，如出现在黄河上的“多来多排”和“揭河底”输沙现象。

2.影响粘性泥沙冲刷的因素

粘性细泥沙起动冲刷影响因素主要分为两方面，一方面是对水流动力条件的影响因素，另一方面是对泥沙抗冲条件的影响因素。而在淤积固结条件下，粘性细泥沙一般表现较强的抗冲性。

2.1影响水流动力条件的因素

影响水流动力条件主要有流量、流量的脉动强度、河道的比降、断面形态及近底水流结构等因素，可以用水流切应力大小来表示，这类影响可以归结为水流对泥沙的剪切动力作用，这一点与非粘性沙无区别之处。除此之外，张兰丁认为影响粘性泥沙运动的主要因素为水流产生的脉动应力，在该力的作用下，胶团或团聚体间的结合逐渐松弛，从而浮起被水流带走。秦崇仁等认为在水流单独作用下淤泥难以起动，而在波浪的振动作用下淤泥容易起动和悬扬，所以水波共同作用下的淤泥冲刷强度比水流单独作用更为强烈。这一类影响可以归结为水流对泥沙悬扬的动力作用，同时也应包括水流的紊动扩散对粘性细泥沙的动力作用。所以对粘性细泥沙而言，水流含沙量增加不但增加水流粘滞力和水流挟沙能力，也增强了水中泥沙颗粒对淤积床面的碰撞作用，提高了能量交换作用。

2.2影响粘性细泥沙抗冲条件的因素

影响粘性细泥沙抗冲条件的因素主要与泥沙物理化学性质和淤积固结条件有关。泥沙物理化学性质包括颗粒大小形状及级配、泥沙矿物组成、干容重、液塑性、抗剪强度等等。如在相同的动力条件下，泥沙颗粒越细，输沙率越小，表明抗冲性越强。淤积固结条件下，粘性细泥沙的抗冲能力受淤积历时、温度、淤积环境、淤积层厚度影响较大。其中淤积固结条件又会对泥沙自身物理化学性质有所影响。如淤积历时长，干容重越大，颗粒间越密实难以分散悬浮，所以当粘性土体比较潮湿时土体抗冲强度随时间的增加而增强。Berlamont和Black分别对这些影响因素进行了总结，可以看出这些因素非常复杂，其中一些因素还很难从定量上进行表达，这也是造成粘性细泥沙起动冲刷问题复杂的主要原因。一般各河道间的粘性土抗冲条件不尽相同，但是对于同一条河流而言，抗冲条件与物理力学