人工填筑黏性土起動沖刷特性試驗

張 強，王 寅，陳春柏

(1.南昌工程學院水利與生態工程學院，江西 南昌 330099;2.江西省水文水資源與水環境重點實驗室，江西 南昌 330099)

關于泥沙的起動和沖刷，目前已有了很多研究成果，近年來也有不少學者開始研究黏性土的起動沖刷，但所涉及的研究對象多為黏性原狀土或是水庫、河床中淤積固結的黏性沙，對人工填筑黏性土的研究很少。人工填筑黏性土的起動與散粒體泥沙的起動有著明顯的不同，對散粒體泥沙來說，其起動一般以單個顆粒散體形式為起動單元，而對于人工填筑黏性土來說，由于顆粒間的黏結力作用，其起動以成塊或成團的形式進行。到目前為止，還沒有提出比較統一的對起動和沖刷機理的科學解釋，因此對人工填筑黏性土的起動沖刷研究具有十分重要的理論意義。

為了研究人工填筑黏性土起動沖刷特性，本文采用試驗方法研究人工填筑黏性土的起動沖刷特性，并根據試驗結果分析人工填筑黏性土起動切應力、沖刷率分別與各自影響因素之間的對應關系，得出了無量綱的起動切應力和沖刷率的計算式。

1 試驗裝置

以往對泥沙基本運動規律進行試驗研究時，運用的試驗裝置主要是普通明渠水槽和環形水槽［1-2］。在一般普通明渠水槽中控制試驗條件比較困難，而且普通明渠水槽流速不大，對起動切應力較大的人工填筑黏性土無法適用。試驗采用封閉有機玻璃管道水槽作為人工填筑黏性土起動沖刷的試驗裝置，水槽斷面為高3 cm、寬12 cm的矩形，長200 cm。試驗時，試樣放置在內徑為7 cm的土樣筒內，在土樣筒的上下游各布置一個測壓管，上下游測壓管位置距土樣筒中心距離均為60 cm。土樣筒下方的頂土裝置為一橡膠活塞，在試驗過程中，采用手動升降螺桿來控制橡膠活塞以調整試樣在土樣筒內的高度。流量由電磁流量計測出，管道最大平均流速為3 m/s。試樣裝置見圖1。

圖1 封閉有機玻璃管道水槽示意圖

2 起動切應力試驗

試驗選取的人工填筑黏性土為人工碾壓土，土樣為黃色，黏性顆粒(指粒徑小于0.005 mm的顆粒)質量分數為15.32%，中值粒徑為0.05 mm，不均勻系數為14.51，試驗土樣顆粒級配曲線見圖2。試驗中觀察土樣在水流作用下的起動，并測量其相應流量，利用河流動力學、土力學等基本理論和方法對試驗結果進行分析、歸納和總結。

圖2 試驗土樣顆粒級配曲線

將土適當曬干、碾碎后置于干凈的容器中，加入適量水攪拌均勻，使土樣處于完全飽和狀態，靜置一段時間之后用質量為32 kg的碾壓滾筒進行分層均勻碾壓，并用試樣盒取樣。采用烘干法測量土樣干密度，利用頂土裝置將裝有試驗土樣的試樣盒頂入土樣筒。先把土樣存放于土樣筒中，開動水泵并調節閥門控制流量，待水流充滿整個玻璃水槽且矩形管道中流態穩定后再將土樣推上使其表面暴露于矩形有壓流管道底面。緩慢調節閥門，使管道中流速緩慢增大，觀察試驗土樣起動情況。當試驗土樣達到起動標準時，記下管道中流量，即可通過計算得出該土樣的起動切應力。

人工碾壓條件下，土體的起動切應力隨著干密度的變化而變化。共完成10 組起動切應力試驗，測得的數據為干密度、含水量、起動流速等，如表1 所示。

表1 起動切應力試驗結果

到目前為止，建立的泥沙起動平衡條件主要有水平方向力的平衡、鉛直方向力的平衡和力矩的平衡3 類，而力的平衡作為滑動平衡條件較合適，力矩的平衡作為滾動平衡條件較合適。土體微團的起動有與散體泥沙起動相類似的地方，故可以借鑒散體泥沙的起動平衡條件。臨界起動切應力與干密度有關的經驗公式［3-5］可表示為

式中:τc為土體起動切應力;ρd為土體的干密度;ε為系數，與黏結力系數、微團尺寸及阻力系數有關;n為指數。

式(1)中量綱不和諧，為了建立量綱和諧的計算公式，同時考慮散體泥沙起動拖曳力公式形式［3］和人工填筑黏性土起動主要影響因素，參照式(1)，提出以下計算公式:

式中:k為系數;ρ為清水密度;g為重力加速度;R為水力半徑;m為指數。

對于計算公式中的系數和指數的求解，首先對公式(2)兩邊取對數，問題轉化為對n個數據點的數據擬合，然后利用SPSS 統計分析軟件求出回歸系數，最終得到人工填筑黏性土起動切應力計算公式為

3 沖刷率試驗

沖刷率試驗仍然在原起動試驗的水槽中進行，所采用的試驗土樣和起動切應力試驗土樣一致。本研究忽略水流中的挾沙量，只討論清水時土體的沖刷率，重點分析沖刷率與水流指標、土體物理指標之間的關系。

將制備好的土樣放入裝置的土樣筒中，利用頂土裝置將其頂入。啟動水泵，調節流量，觀察土體表面的起動情況，待土體開始起動之后固定流量進行觀察，土樣隨水流的沖刷逐漸崩潰降低，當土樣表面與水槽底部高差超過3 mm 時，通過手動升降螺桿調整土樣高度使其表面基本與水槽底部齊平，使土樣筒所在斷面流速不發生較大變化，確保試驗精度。利用土樣筒上的刻度讀取土樣沖刷高度Δh，并用秒表記錄沖刷時間Δt。讀取電磁流量計得到流量大小，除以矩形有壓流水槽的橫截面積即得流速，再根據有關公式即可算出水流切應力。

不同組次具有不同含水量的土樣在不同流量條件下的沖刷率計算公式為

式中:E為沖刷率，m/s;Δh為沖刷高度，m;Δt為沖刷時間，s。

試驗需測量的數據有含水量、干密度、流量、沖刷率，結果見表2。

表2 沖刷率試驗結果

考慮到切應力是影響土體沖刷的主要因素，許多研究者都通過現場或室內試驗來確定沖刷率與水流切應力及臨界起動切應力的關系式［6-11］，這類公式形式為

式中:K為一個復雜的系數，表示土的抗沖性能;τ為水流切應力;τ0為發生沖刷時的床面切應力;p為指數。

式(5)將土的抗沖性能用一個復雜的系數來表示，未明確影響土的抗沖性能的主要參數。根據表2可知，隨著土樣的干密度逐漸增加，沖刷率迅速減小，因此在建立人工填筑黏性土沖刷率計算公式時必須考慮到干密度對沖刷率的影響。參照公式(5)，提出量綱和諧的計算公式:

式中:l為系數;q，s為指數。

利用SPSS 統計分析軟件求出式(6)中的系數和指數，得到人工填筑黏性土沖刷率計算公式為)

4 人工填筑黏性土和自然淤積黏性泥沙起動沖刷對比分析

人工填筑黏性土和黏性泥沙起動沖刷有很大的差別，王軍等［5，12］曾做過黏性泥沙的起動沖刷試驗。圖3為文獻［5］試驗采用的長江細顆粒泥沙沙樣級配曲線，中值粒徑為0.05 mm。

圖3 長江細顆粒泥沙沙樣級配曲線

表3為長江細顆粒泥沙淤積固結過程中起動切應力試驗結果［5］和本文公式計算結果的比較。從表3可以看出，式(3)計算結果普遍比試驗結果大，說明人工填筑黏性土的黏結力比淤積固結的黏性泥沙大得多，較難起動;隨著干密度的增大，人工填筑黏性土和黏性泥沙的起動切應力都增大。

表3 黏性泥沙起動切應力試驗結果和本文公式計算結果的比較

人工填筑黏性土和黏性泥沙沖刷有很大的差別。表4為長江細顆粒泥沙淤積固結過程中黏性泥沙沖刷率試驗結果［5］和本文公式計算結果的比較。從表4可以看出，干密度對黏性泥沙沖刷率影響比較明顯，在干密度一定的情況下，式(7)計算結果普遍比試驗結果小，說明人工填筑黏性土較難沖刷，需要較大的水流切應力;隨著干密度的增大，人工填筑黏性土和黏性泥沙的沖刷率都減小，兩者規律一致，但式(7)在不同密度下的計算結果差別不是很明顯。

表4 黏性泥沙沖刷率試驗結果和本文公式計算結果的比較

5 結 論

a.確定了影響人工填筑黏性土起動沖刷的主要因素，提出了量綱和諧的起動切應力和沖刷率的計算公式，運用多元線性回歸方法確定了公式中的系數和指數。

b.人工填筑黏性土起動切應力隨著土體干密度增大而增大，人工填筑黏性土沖刷率隨著水流切應力增大而增大，隨著干密度增大而減小。

c.人工填筑黏性土的黏結力比自然淤積固結的黏性泥沙大得多，較難起動和沖刷，需要較大的水流切應力。干密度對自然淤積黏性泥沙沖刷率的影響比對人工填筑黏性土要大。

［1］RAVENS T M，GSCHWEND P M.Flume measurements of sediment erodibility in Boston harbor［J］.Journal of Hydraulic Ennineerinn，1999，125(10):998-1005.

［2］曹叔尤，杜國翰.黏性土沖淤的試驗研究［J］.泥沙研究，1986(4):73-82.

［3］錢寧.泥沙運動力學［M］.北京:科學出版社，1983.

［4］舒彩文，王軍，談廣鳴.干容重對黏性淤積物起動和沖刷的影響［J］.武漢大學學報:工學版，2007，40(1):25-28.

［5］王軍.淤積固結條件下黏性泥沙起動與沖刷問題初步研究［D］.武漢:武漢大學，2007.

［6］常利營，陳群.接觸沖刷研究進展［J］.水利水電科技進展，2012，32(2):79-82.

［7］呂平，談廣鳴，王軍.黏性泥沙淤后起動流速試驗研究［J］.中國農村水利水電，2008(2):56-58.

［8］劉杰.無黏性土層之間滲流接觸沖刷機理試驗研究［J］.水利水電科技進展，2011，31(3):27-30.

［9］楊劍.復雜條件下黏性土主動土壓力解析解［J］.河海大學學報:自然科學版，2012，40(4):380-386.

［10］洪大林，繆國斌，申霞，等.黏性原狀土起動流速試驗研究［J］.人民長江，2012，43(2):39-42.

［11］田琦，白玉川.河口淤泥的起動及沖刷規律［J］.哈爾濱工程大學學報，2011，32(3):276-281.

［12］王軍，談廣鳴，舒彩文.淤積固結條件下黏性細泥沙起動沖刷研究綜述［J］.泥沙研究，2008(3):75-80.