如東海區(qū)沙灘泥沙起動(dòng)實(shí)驗(yàn)研究

謝永玉 （河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 南京210098）

韓鴻勝 （交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所 天津300456）

泥沙水力特性是泥沙研究的重點(diǎn)，與泥沙運(yùn)動(dòng)形態(tài)、港口航道淤積和岸灘沖刷等都有非常直接的關(guān)系，因此進(jìn)行泥沙水力特性實(shí)驗(yàn)非常必要。泥沙的起動(dòng)關(guān)系著航道、港池和岸灘的淤積和沖刷，進(jìn)行泥沙起動(dòng)實(shí)驗(yàn)，工程意義重大。

江蘇如東岸外輻射沙洲屬?gòu)U棄河口潮流型細(xì)沙和粉砂質(zhì)海岸，[1-2]即岸灘為細(xì)沙，航道和港池為粉沙。由于細(xì)沙和粉沙水動(dòng)力特性有較大不同，此海區(qū)的泥沙運(yùn)移形態(tài)變化較大。泥沙淤積主要由港區(qū)和航道的粉砂引起，而岸灘沖刷的主要為細(xì)沙。因此需對(duì)航道泥沙和岸灘泥沙分別進(jìn)行波浪水槽實(shí)驗(yàn)，研究泥沙起動(dòng)和泥沙輸移特性，為如東地區(qū)港口的建設(shè)提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。本次實(shí)驗(yàn)針對(duì)沙灘泥沙，為沙灘的沖刷和淤積研究提供理論參考。

目前，泥沙起動(dòng)試驗(yàn)普遍采用平床進(jìn)行試驗(yàn)，確定泥沙起動(dòng)狀態(tài)。但當(dāng)實(shí)際海床出現(xiàn)沙紋時(shí)，上述方法會(huì)出現(xiàn)一定的偏差。因此本文提出在沙紋床面進(jìn)行泥沙起動(dòng)試驗(yàn)，并定義其為輸沙起動(dòng)，通過(guò)試驗(yàn)，給出了輸沙起動(dòng)的判定標(biāo)準(zhǔn)。

1 實(shí)驗(yàn)?zāi)嗌程匦?/h2>

實(shí)驗(yàn)用泥取自江蘇如東港擬建人工島的西太陽(yáng)沙上，稱(chēng)之為沙灘泥樣?，F(xiàn)場(chǎng)采用柱狀取樣器取泥，取樣深度為1.0 m。通過(guò)室內(nèi)泥沙顆粒實(shí)驗(yàn)分析，得出3組泥沙粒級(jí)結(jié)果，如表1所示，顆分曲線見(jiàn)圖1。

表1 泥沙粒級(jí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖1 如東港岸灘泥沙顆粒組成曲線

2 波、流作用下泥沙的起動(dòng)實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及方法

本實(shí)驗(yàn)是在波、流水槽中進(jìn)行，該水槽尺寸長(zhǎng)×寬×高=68.0 m×0.7 m×1.0 m。實(shí)驗(yàn)段布置在水槽中部，槽底留有長(zhǎng)3.0 m，高0.10 m的存泥槽。

鋪沙方法是首先將泥沙平鋪于水槽實(shí)驗(yàn)段的存泥槽中，然后放入一定量的水，讓泥沙密實(shí)，待水槽內(nèi)泥沙密實(shí)到天然容重后再開(kāi)始實(shí)驗(yàn)。根據(jù)本實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，泥沙的密實(shí)時(shí)間一般在20 h左右。實(shí)驗(yàn)時(shí)泥沙容重為1.907 g/cm3。

2.2 泥沙起動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)

由于泥沙起動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)較難掌握，并且對(duì)工程實(shí)際而言，只有在顆粒普遍起動(dòng)，才有實(shí)際價(jià)值。但普遍起動(dòng)只是一個(gè)概念，雖有文獻(xiàn)[3]對(duì)普遍起動(dòng)進(jìn)行量化，但難于把握，為實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)化，需定義泥沙普遍起動(dòng)。

在水流作用下，床面平整，在水流較小時(shí)，泥沙保持平靜狀態(tài)；隨著水流的增大，床面泥沙開(kāi)始少量起動(dòng)；隨著水流的再增大，床面開(kāi)始普遍起動(dòng)，形成沙紋，在形成沙紋的過(guò)程中，泥沙慢慢停止下來(lái)，不再運(yùn)動(dòng)；隨著水流的再增大，泥沙又開(kāi)始起動(dòng)，形成尺寸更明顯的沙紋，并開(kāi)始懸揚(yáng)；最后，當(dāng)水流達(dá)到一定程度時(shí)，沙紋開(kāi)始消失，床面恢復(fù)平整狀態(tài)。由于普遍起動(dòng)較難把握，推薦當(dāng)泥沙開(kāi)始形成沙紋時(shí)，判定為普遍起動(dòng)。

在波浪作用下，泥沙在沙紋上的起動(dòng)分為幾個(gè)重要階段，在波浪較小時(shí)，沙紋上無(wú)起動(dòng)，即床面上顆粒全部處于靜止?fàn)顟B(tài)；隨著波浪的增大，在沙紋波峰上輕微的泥沙起動(dòng)；然后，泥沙起動(dòng)的范圍慢慢向波谷方向推進(jìn)，同時(shí)，有少量泥沙開(kāi)始懸揚(yáng)，最后，沙紋上泥沙全部起動(dòng)，開(kāi)始產(chǎn)生大量懸移。為便于把握泥沙何時(shí)起動(dòng)，應(yīng)進(jìn)行規(guī)范化，即推薦在床面形成沙紋后，當(dāng)沙紋波峰泥沙作小位移運(yùn)動(dòng)時(shí)，判定為普遍起動(dòng)。

2.3 輸沙起動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)

對(duì)工程泥沙而言，相對(duì)于泥沙起動(dòng)，泥沙何時(shí)開(kāi)始輸沙的意義更為重大，即泥沙起動(dòng)并不代表泥沙開(kāi)始輸移，而泥沙何時(shí)開(kāi)始輸沙關(guān)系著當(dāng)?shù)厥欠駴_淤。通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察和研究，定義泥沙臨界輸沙起動(dòng)，當(dāng)?shù)啬ψ枇魉俅笥谂R界輸沙起動(dòng)摩阻流速時(shí)，當(dāng)?shù)赜袥_刷趨勢(shì)；當(dāng)?shù)啬ψ枇魉傩∮谂R界輸沙起動(dòng)摩阻流速時(shí)，當(dāng)?shù)赜杏俜e趨勢(shì)。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察，當(dāng)沙紋中軸線以上泥沙開(kāi)始全部運(yùn)動(dòng)時(shí)，中軸線以上泥沙只進(jìn)行左右振蕩運(yùn)動(dòng)，并不產(chǎn)生泥沙輸移或輸移量極小，可忽略不計(jì)；當(dāng)波高繼續(xù)增大時(shí)，中軸線以下泥沙開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，且沙紋頂峰開(kāi)始有部分懸沙運(yùn)動(dòng)，此時(shí)開(kāi)始產(chǎn)生泥沙輸移。因此定義沙紋中軸線以上泥沙全部運(yùn)動(dòng)時(shí)，為輸沙臨界起動(dòng)。當(dāng)?shù)啬ψ枇魉俅笥谳斏撑R界起動(dòng)摩阻流速時(shí)，當(dāng)?shù)赜袥_刷趨勢(shì)；當(dāng)?shù)啬ψ枇魉傩∮谳斏撑R界起動(dòng)摩阻流速時(shí)，當(dāng)?shù)赜杏俜e趨勢(shì)。

輸沙起動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)工程意義重大，且在實(shí)驗(yàn)中容易判別，減小人為誤差，為工程研究提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。

2.4 判別參數(shù)

本次實(shí)驗(yàn)起動(dòng)條件的確定采用摩阻流速、起動(dòng)切應(yīng)力和Shield參數(shù)來(lái)表達(dá)，其中τcw和ψc的定義如下：

式中：τcw為起動(dòng)切應(yīng)力，ρs為泥沙密度，ρ為水密度，g為重力加速度，d50為泥沙中值粒經(jīng)。

2.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本次實(shí)驗(yàn)分別進(jìn)行了水流、波浪和波流共同作用下的泥沙起動(dòng)實(shí)驗(yàn)，分述如下：

①水流作用下的泥沙起動(dòng)：根據(jù)雅林流速對(duì)數(shù)分布公式，求解臨界起動(dòng)時(shí)的摩阻流速，再應(yīng)用（1）式和（2）式計(jì)算臨界起動(dòng)切應(yīng)力和臨界Shield參數(shù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

②波浪作用下的泥沙起動(dòng)：根據(jù)文獻(xiàn)[4]中的波浪摩阻系數(shù)計(jì)算公式計(jì)算波浪摩阻系數(shù)，再應(yīng)用下式計(jì)算臨界摩阻流速：

其中，Ubm為底部最大軌跡速度，fw為波浪摩阻系數(shù)，U*為波浪摩阻流速，ρ為水的密度。并應(yīng)用（1）式和（2）式計(jì)算臨界起動(dòng)切應(yīng)力和臨界Shield參數(shù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

③波浪和水流共同作用下的泥沙起動(dòng)：應(yīng)用文獻(xiàn)[5]中推導(dǎo)的摩阻流速公式計(jì)算臨界起動(dòng)摩阻流速，并應(yīng)用（1）式和（2）式計(jì)算臨界起動(dòng)切應(yīng)力和臨界Shield參數(shù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表3 波浪作用下起動(dòng)流速實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表4 波、流共同作用下起動(dòng)流速實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)本次實(shí)驗(yàn)可以得出：

①?gòu)膶?shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，由于泥沙較細(xì)，且沒(méi)有粘性，岸灘起動(dòng)流速并不大。

②泥沙起動(dòng)隨動(dòng)力條件的改變而不同，從本實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，泥沙在單純水流作用時(shí)起動(dòng)摩阻流速最大，波、流共同作用時(shí)次之，單純波浪作用時(shí)泥沙起動(dòng)摩阻流速最小，即呈U*w＜U*cw＜U*c的變化規(guī)律。

③對(duì)工程泥沙而言，相對(duì)于泥沙起動(dòng)，泥沙何時(shí)開(kāi)始輸沙的意義更為重大，因此在表3和表4同時(shí)給出了輸沙起動(dòng)流速，為如東建港的研究論證提供參考意見(jiàn)。

3 結(jié)論

①采用波浪水槽實(shí)驗(yàn)，了解泥沙的基本運(yùn)移形態(tài)，為港口建設(shè)提供理論支持。

②本文明確了泥沙起動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)，在水流作用下，當(dāng)泥沙開(kāi)始形成沙紋時(shí)，判定為普遍起動(dòng)；在波浪和波流共同作用下，在沙紋形成后，沙紋峰頂泥沙作小位移運(yùn)動(dòng)時(shí)，判定為泥沙起動(dòng)。

③本文提出了泥沙輸沙起動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)，即在沙紋形成后，沙紋中軸線以上泥沙全部處于運(yùn)動(dòng)時(shí)的摩阻流速，判定為輸沙起動(dòng)摩阻流速。在實(shí)驗(yàn)中，容易判別輸沙起動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)，減小人為誤差，為工程研究提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。且輸沙起動(dòng)摩阻流速可用作工程泥沙沖淤的判定標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)?shù)啬ψ枇魉俅笥诖酥禃r(shí)，當(dāng)?shù)赜袥_刷趨勢(shì)；當(dāng)?shù)啬ψ枇魉傩∮诖酥禃r(shí)，當(dāng)?shù)赜杏俜e趨勢(shì)。■

[1]韓西軍，楊樹(shù)森，曹祖德．江蘇LNG項(xiàng)目橋墩周?chē)鷽_刷的實(shí)驗(yàn)研究[J]．水道港口，2006，27（3）：152-156．

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