粘性泥沙冲刷机理论文报告

粘性泥沙冲刷机理

摘要：本文介绍了粘性泥沙的冲刷机理及其实验方法。其中，环形水槽是研究细颗粒泥沙运动的理想实验装置。通过现场试验和实验室试验，完善VIMS Sea Carousel以得到临界剪切力τcr和侵蚀速率ε的原位测量值；提出一个简化的侵蚀率计算公式；进行数值试验得出河口浊度模拟最大值（ETM）。

关键词：粘性泥沙；环形水槽；临界剪切力τcr；侵蚀速率ε

1.泥沙的起动

水流底部床面上的泥沙开始运动称为泥沙的起动，相应的水流泥沙条件称为起动条件。当泥沙颗粒的粒径、密度等已知时，泥沙开始运动的流速和水深称为起动时的流速和水深。由于流速影响大，习惯上将水深作为参数，而将泥沙起动的流速条件称为起动流速。由于作用在泥沙颗粒上的流速是水流底部速度，而在实用上多换算为平均流速（沿水深的平均流速），故起动流速应泛指这两种流速。而起动流速除泛指外，还包括沿水深以平均流速表示的起动流速；为了区别，对于以底部流速表示的期待流速，将予以明确注明。

泥沙起动条件的研究，实际上是研究泥沙颗粒直径、密度以及颗粒间密实程度、形状与水深、流速之间的关系。当然，要彻底研究清楚它们之间的关系，不仅限于这几个物理量，还必须深入到泥沙起动的本质。

起动规律及起动流速的研究，是泥沙运动、河床演变最基本的内容之一，因此具有很高的学术价值。在工程泥沙方面，包括水库变动回水区冲淤、坝下游河道冲刷、河床变形、护岸工程、渠道稳定性以及物理模型试验、数学模型计算等等，起动流速也是必须的工具和参数。因此起动规律及起动流速的研究无论在理论上和实际应用方面均具有很大意义。

2.水槽实验的起动流速公式

按照通常的分类，粒径小于0.005mm的泥沙为粘性泥沙，浑水中粘性泥沙颗粒的运动不仅受重力作用，而且还受到微观作用的制约，如颗粒间的斥力和范德华引力等等。粘性泥沙浓度越大，颗粒表面距离的统计平均值越小，微观作用

相对比重就越大。而不同粒径、不同的泥沙容重起动流速具有统一的规律，下面介绍几种起动流速公式：

它对应的起动标准是

或

从中可见，当D<1mm时，以重量计的输沙率，而以颗数计的输沙率。

此外，尚需说明的是，我们采用表示泥沙密实程度的为0.375，是考虑一般自然状态的情况，既没有特别的密实，也不是淤积不久的淤积物。当

及时，它为

综上所述，水槽的起动标准及起动流速公式，对于不同粒径的泥沙，包括细颗粒泥沙，以及不同干容重泥沙都是合适的。

3.粘性泥沙起动冲刷的计算

一般认为，对新淤粘性土泥沙尚未全部密实，泥沙在起动时仍然可以按照单个泥沙颗粒来处理，不过在承受的作用力中，需要加入颗粒之间的粘结力。而在淤积固结条件下，粘性细泥沙颗粒间的相互作用是一种极其复杂的物理化学现象，所以目前对粘性细泥沙起动计算主要依靠试验资料建立各种经验关系式，此外也出现了一些具有一定理论基础的起动公式。

在淤积固结条件下，阻碍起动冲刷的因素一般就限于粘性颗粒间的相互作用力，其本身的重力作用可忽略，这样许多研究者结合水槽试验建立了起动条件与粘性细泥沙物理化学指标等变量之间的经验关系式。如王兆印、华景生、万兆惠、Kuninori Otsubo、Smerdo E.T及Besoley R.P等分别建立了临界起动条件与粘性细泥沙干容重、宾汉切应力、塑性指标和分散度的经验公式。这类经验公式可以

统一表示为

式中k、n为待定系数与泥沙类型和淤积固结条件有关，M代表淤积固结条件下泥沙某一物理化学指标。此外，Osman提出的查图法，实际上也是根据粘性土的物理化学特性来确定其与起动切应力的经验关系。这类经验公式形式比较简单，在一些工程中也得到了应用。但是由于试验泥沙取自不同地区，淤积固结条件也不同，所以公式中系数差别很大，而且公式中仅仅考虑了单一因素的影响，没有考虑各因数的相互影响，具有很强的经验性和局限性。

杨铁笙等研究了大水深条件下粘性淤积物的起动条件与干容重、水深的关系，并以电化学理论为基础，提出了同时考虑干容重和水深H的粘性细泥沙起动机理模式，推导出起动公式

在公式中强调了干容重，水深对起动切应力的影响，并经过大小水深资料的验证，这对与天然河道和水库中大水深下的粘性细泥沙起动是具有一定实际意义的。

同样杨美卿从泥沙絮疑的电化学理论出发，导出了颗粒间粘着力的简化表达式，建立了粗细颗粒的统一起动公式

公式中为Shields系数，由于公式中同时引进了沉积含沙量S和稳定沉积含沙量，所以该公式可以描述不同淤积状况下的起动条件，并且用泥沙比面积参数来计算稳定沉积含沙量，相当考虑了粒径级配及形状的影响，使得中值粒径相同，而泥沙粒径级配及形状不同的淤泥也存在起动差别。

黄岁梁利用粘性土边坡滑动破坏和河流中粘性土起动冲刷的相似性，研究了粘性土起动模式

式中为粘性土密度，a为河床纵坡，l为起动土体的弧长，C为系数。同时黄岁梁还指出对应不同淤积固结程度，土体重力作用的相对性是不同的。该公式并没有得到试验资料的验证，系数也无法确定，但运用土力学方法来构造粘性土

的起动模式是值得借鉴的。

4.其他粘性泥沙冲刷的研究

利用分形学理论，德国Stuttgart大学水力学研究所的T. Dreher与B. Westrich 研究了细颗粒悬沙的沉降。在建立沉降模型时粘性细颗粒泥沙的沉降速率不再是一个重要的参数，因为它主要取决于湍流运动及床部的附着力。试验采用非常细的泥沙(直径处于2 m和100m之间的石英)来研究湍流环境下的沉积。沉积的开始和泥沙输移能力不只是取决于中小范围的床体形式如何产生底部剪力。泥沙建模不但与底部剪力的平均值有关而且与底部剪力的较高力矩和湍流能量的扩散谱分布有关。

荷兰Delft理工大学的M. van Ledden研究了基于过程的泥—沙混合物新模型。他建立并分析了这种模型，并且将分析结果与现场测量结果作了比较。结果表明:1)在一个底部剪应力相对较低的区域，采用局部水动力学参数预报某特定地点的淤泥成分是不太有用的；

2)除了局部水动力学性质，局部淤泥浓度、局部沉降速度、床体的混合属性、取样深度等都是决定局部床体成分的参数。

美国Virginia海洋学院的J.P.Y. Maa与J.I. Kwon以及韩国海洋研究与开发学院的D.Y .Lee采用了超声波(大约1Mhz)以确定海洋泥沙的技术特性(例如泥沙密度渗透率) ，并将其与泥沙的侵蚀率相联系，这是一项很有发展前景的技术。实验室物理试验的结果也证实了他们的估计。英国Edinburgh大学土木及环境工程学院的M. Crapper与T. Bruce采用超声波成像结合PIV技术测量淤泥的输移过程，第一次定量研究了泥跃层上界面波的动力学。

5.结论和建议

听完这次讲座，加之自己课后的阅读了解到了这几个方面：

1)分形学在粘性泥沙运动中的应用：

(a)基于絮凝体结构分形表达式的Gibson方程的应用；

(b)修正的Smoluchowski的颗粒碰撞理论被用于成功地建立粘性泥沙颗粒的成层与絮凝作用过程的模型；