沙石及模型沙水下休止角試驗(yàn)研究

王津

摘 要：水下休止角主要是指泥沙顆粒物之間存在不同介質(zhì)的情況下所產(chǎn)生的靜態(tài)相互作用，在摩擦力的影響下，通常會(huì)發(fā)生一定角度的傾斜，但這種傾斜不會(huì)導(dǎo)致坍塌。本文主要在模擬黃河丁壩壩前沖坑形態(tài)及水下根石穩(wěn)定坡度的情況下對(duì)天然沙、塑料沙水下休止角的試驗(yàn)進(jìn)行闡述，以期能夠?qū)恿髁W(xué)等學(xué)科的研究具有促進(jìn)意義。

關(guān)鍵詞：水下休止角；沙石；模型沙

1 實(shí)驗(yàn)概況

本試驗(yàn)是在黃委會(huì)水利科學(xué)研究所泥沙試驗(yàn)廳進(jìn)行的，試驗(yàn)設(shè)備除利用長(zhǎng)2.5m、寬2m、深1.5m的試驗(yàn)水池外，細(xì)顆粒的試驗(yàn)主要是在直徑為40cm的透明玻璃容器里進(jìn)行的。測(cè)試時(shí)借助于試驗(yàn)池繪制的座標(biāo)，并利用我們自制的坡角量測(cè)儀校核。

對(duì)于大顆粒，主要采用自然堆積法進(jìn)行試驗(yàn)，而對(duì)于細(xì)顆粒，則采用自然落淤法和園盤(pán)法，測(cè)試內(nèi)容主要是丘體坡度，當(dāng)沙樣堆積未能成丘或丘體斜坡未呈一直線時(shí)，則該組試驗(yàn)作廢重做，粗顆粒松散，試驗(yàn)易做，而較細(xì)顆粒，試驗(yàn)時(shí)聚凝現(xiàn)象顯著，試驗(yàn)進(jìn)程緩慢，且難度較大。此外，試驗(yàn)時(shí)力求注重尋求臨界狀況。

試驗(yàn)材料有天然沙（包括角礫）、塊石、卵石（包括園礫）及常用的模型沙，如電廠煤灰、無(wú)煙煤（包括煤塊）及塑料沙。在試驗(yàn)材料分類時(shí)，考慮到顆粒表面形狀影響的重要性，對(duì)于礫石，我們將角礫與天然沙歸為一組，將園礫與卵石歸為一組。此外，我們還進(jìn)行了幾組有關(guān)級(jí)配和介質(zhì)對(duì)泥沙休止角影響的試驗(yàn)。試驗(yàn)材料分類、粒徑范圍、容重及主要試驗(yàn)組次見(jiàn)圖1。

圖1 試驗(yàn)材料分類、粒徑范圍、主要試驗(yàn)組次

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 天然沙。將包括角礫在內(nèi)的天然沙篩分成12組均勻沙樣，試驗(yàn)得到了水下休止角關(guān)系曲線如圖2所示。

圖2 水下休止角關(guān)系曲線

此外，還利用上述沙樣及一些顆粒更大些的礫石在空氣中進(jìn)行了堆積休止角試驗(yàn)。試驗(yàn)表明，空氣中休止角一般大于水中的0.5～2度，且隨著粒徑的增大兩者間的差異漸趨消失。確切地講，粒徑大于20mm后，兩者差異已為目前的試驗(yàn)精度所掩蓋。

2.2 塊石。歷經(jīng)億萬(wàn)年的風(fēng)化作用，才使不少曾經(jīng)完全為巖石覆蓋的地球表面上出現(xiàn)了土壤和植物。這些儲(chǔ)量豐富且開(kāi)采和加工容易的塊石，在水利工程上也得到了廣泛的應(yīng)用。例如防波堤護(hù)坡、江河護(hù)岸、丁壩和橋渡防沖以及截流進(jìn)占等等。而了解堆石水下休止角，對(duì)上述工程實(shí)際都是很有意義的。

試驗(yàn)所采用的塊石也是經(jīng)過(guò)人工破碎的，塊度大小用篩孔逐步變小的圓孔篩子篩分，即石塊通過(guò)上層大篩孔而留在下層較小的篩孔上，對(duì)于大尺寸的塊石，限于條件，我們用游標(biāo)卡尺直接測(cè)得塊石之長(zhǎng)、中、短三軸長(zhǎng)度，進(jìn)而求其幾何平均值，即為所得粒徑。

一般講，當(dāng)塊石粒徑增大時(shí)，{試驗(yàn)所需空間也必須擴(kuò)大、因而對(duì)于顆粒粒徑大于150毫米的塊石，所備水池已顯得較小，故大于此粒徑范圍的塊石，不得不到野外試驗(yàn)。不過(guò)，由前述試驗(yàn)成果得知，介質(zhì)對(duì)大顆粒的堆積休碑角影響甚微，故上述做法不致影響最終成果的精度。

試驗(yàn)結(jié)果點(diǎn)繪于半對(duì)數(shù)紙上，得到了較好的點(diǎn)群關(guān)系曲線（見(jiàn)圖3），可近似表示為：

圖3 塊石及卵石水下休止角試驗(yàn)成果

由圖2可看出，隨著粒徑的增大，塊石的水下休止角趨于一個(gè)穩(wěn)定值42.5°，因此黃河丁壩根石在靜水條件下的臨界穩(wěn)定坡度為1：1.1。

2.3 塑料沙。將模型試驗(yàn)所購(gòu)置的塑料沙篩分為9組均勻沙樣，其粒徑范圍為0.101～3mm。由試驗(yàn)得出的結(jié)果來(lái)看，在d=0.2～0.8mm的范圍內(nèi)，水下休止角約為23.5°；而d>0.8mm后，休止角反而呈減小趨勢(shì)，究其原因，可能是顆粒粒徑較大的塑料沙表面非常圓滑的緣故；至于d<0.2mm的塑料沙，在試驗(yàn)時(shí)聚凝現(xiàn)象明顯，這部分塑料沙顆粒細(xì)，比表面積大，重力作用較顆粒表面的物理化學(xué)作用相對(duì)微弱，因而圖中即顯示了粒徑愈小，水下休止角愈大的分布趨勢(shì)。

事實(shí)上，無(wú)論何種材料，粒徑較大時(shí)水下穩(wěn)定坡度在很大程度上取決于阻礙顆粒間相互滑動(dòng)的摩擦力，而對(duì)于細(xì)顆粒，其間粘結(jié)水引起的粘結(jié)力也起到了明顯的作用。

3 顆粒級(jí)配的影響

為了研究泥沙粒配對(duì)于水下休止角的影響，我們?nèi)》蔷鶆蛳禂?shù)kf分別為1.42、1.72和2.30的三組沙樣，為便于比較，所選非均勻沙沙樣的中值粒徑控制在0.25左右（如表1）。

表1 不同級(jí)配的天然沙水下休止角試驗(yàn)結(jié)果

將這三組試驗(yàn)得出的水下休止角以及該粒徑的均勻沙實(shí)測(cè)結(jié)果列表比較后，不難看出：沙樣愈不均勻，水下休止角愈大，但當(dāng)非均勻系數(shù)kf小于1.5時(shí)，其水下休止角與均勻沙實(shí)測(cè)結(jié)果的差異已在本次試驗(yàn)的誤差范圍之內(nèi)。由于沖積河流的床沙級(jí)配較為均勻，即分選系數(shù)、一般小于1.5，故上文給出的均勻沙樣水下休止角試驗(yàn)資料，也可近似用于天然情況，而模型沙的結(jié)果同樣能夠在模擬沖積河流的有關(guān)特性時(shí)應(yīng)用。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本試驗(yàn)中主要針對(duì)天然沙、塊石、塑料沙在長(zhǎng)期摩擦作用力下形成水下休止角的影響方面的研究，在研究中得到了初步的認(rèn)識(shí)：泥沙粒配對(duì)于水下休止角也有一定的影響，即非均勻系數(shù)越大，水下休止角越大。但當(dāng)非均勻系數(shù)kf小于1.5時(shí)，所得到的水下休止角與均勻沙樣的試驗(yàn)結(jié)果并不存在多大的差異。

摘 要：水下休止角主要是指泥沙顆粒物之間存在不同介質(zhì)的情況下所產(chǎn)生的靜態(tài)相互作用，在摩擦力的影響下，通常會(huì)發(fā)生一定角度的傾斜，但這種傾斜不會(huì)導(dǎo)致坍塌。本文主要在模擬黃河丁壩壩前沖坑形態(tài)及水下根石穩(wěn)定坡度的情況下對(duì)天然沙、塑料沙水下休止角的試驗(yàn)進(jìn)行闡述，以期能夠?qū)恿髁W(xué)等學(xué)科的研究具有促進(jìn)意義。

關(guān)鍵詞：水下休止角；沙石；模型沙

1 實(shí)驗(yàn)概況

本試驗(yàn)是在黃委會(huì)水利科學(xué)研究所泥沙試驗(yàn)廳進(jìn)行的，試驗(yàn)設(shè)備除利用長(zhǎng)2.5m、寬2m、深1.5m的試驗(yàn)水池外，細(xì)顆粒的試驗(yàn)主要是在直徑為40cm的透明玻璃容器里進(jìn)行的。測(cè)試時(shí)借助于試驗(yàn)池繪制的座標(biāo)，并利用我們自制的坡角量測(cè)儀校核。

對(duì)于大顆粒，主要采用自然堆積法進(jìn)行試驗(yàn)，而對(duì)于細(xì)顆粒，則采用自然落淤法和園盤(pán)法，測(cè)試內(nèi)容主要是丘體坡度，當(dāng)沙樣堆積未能成丘或丘體斜坡未呈一直線時(shí)，則該組試驗(yàn)作廢重做，粗顆粒松散，試驗(yàn)易做，而較細(xì)顆粒，試驗(yàn)時(shí)聚凝現(xiàn)象顯著，試驗(yàn)進(jìn)程緩慢，且難度較大。此外，試驗(yàn)時(shí)力求注重尋求臨界狀況。

試驗(yàn)材料有天然沙（包括角礫）、塊石、卵石（包括園礫）及常用的模型沙，如電廠煤灰、無(wú)煙煤（包括煤塊）及塑料沙。在試驗(yàn)材料分類時(shí)，考慮到顆粒表面形狀影響的重要性，對(duì)于礫石，我們將角礫與天然沙歸為一組，將園礫與卵石歸為一組。此外，我們還進(jìn)行了幾組有關(guān)級(jí)配和介質(zhì)對(duì)泥沙休止角影響的試驗(yàn)。試驗(yàn)材料分類、粒徑范圍、容重及主要試驗(yàn)組次見(jiàn)圖1。

圖1 試驗(yàn)材料分類、粒徑范圍、主要試驗(yàn)組次

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 天然沙。將包括角礫在內(nèi)的天然沙篩分成12組均勻沙樣，試驗(yàn)得到了水下休止角關(guān)系曲線如圖2所示。

圖2 水下休止角關(guān)系曲線

此外，還利用上述沙樣及一些顆粒更大些的礫石在空氣中進(jìn)行了堆積休止角試驗(yàn)。試驗(yàn)表明，空氣中休止角一般大于水中的0.5～2度，且隨著粒徑的增大兩者間的差異漸趨消失。確切地講，粒徑大于20mm后，兩者差異已為目前的試驗(yàn)精度所掩蓋。

2.2 塊石。歷經(jīng)億萬(wàn)年的風(fēng)化作用，才使不少曾經(jīng)完全為巖石覆蓋的地球表面上出現(xiàn)了土壤和植物。這些儲(chǔ)量豐富且開(kāi)采和加工容易的塊石，在水利工程上也得到了廣泛的應(yīng)用。例如防波堤護(hù)坡、江河護(hù)岸、丁壩和橋渡防沖以及截流進(jìn)占等等。而了解堆石水下休止角，對(duì)上述工程實(shí)際都是很有意義的。

試驗(yàn)所采用的塊石也是經(jīng)過(guò)人工破碎的，塊度大小用篩孔逐步變小的圓孔篩子篩分，即石塊通過(guò)上層大篩孔而留在下層較小的篩孔上，對(duì)于大尺寸的塊石，限于條件，我們用游標(biāo)卡尺直接測(cè)得塊石之長(zhǎng)、中、短三軸長(zhǎng)度，進(jìn)而求其幾何平均值，即為所得粒徑。

一般講，當(dāng)塊石粒徑增大時(shí)，{試驗(yàn)所需空間也必須擴(kuò)大、因而對(duì)于顆粒粒徑大于150毫米的塊石，所備水池已顯得較小，故大于此粒徑范圍的塊石，不得不到野外試驗(yàn)。不過(guò)，由前述試驗(yàn)成果得知，介質(zhì)對(duì)大顆粒的堆積休碑角影響甚微，故上述做法不致影響最終成果的精度。

試驗(yàn)結(jié)果點(diǎn)繪于半對(duì)數(shù)紙上，得到了較好的點(diǎn)群關(guān)系曲線（見(jiàn)圖3），可近似表示為：

圖3 塊石及卵石水下休止角試驗(yàn)成果

由圖2可看出，隨著粒徑的增大，塊石的水下休止角趨于一個(gè)穩(wěn)定值42.5°，因此黃河丁壩根石在靜水條件下的臨界穩(wěn)定坡度為1：1.1。

2.3 塑料沙。將模型試驗(yàn)所購(gòu)置的塑料沙篩分為9組均勻沙樣，其粒徑范圍為0.101～3mm。由試驗(yàn)得出的結(jié)果來(lái)看，在d=0.2～0.8mm的范圍內(nèi)，水下休止角約為23.5°；而d>0.8mm后，休止角反而呈減小趨勢(shì)，究其原因，可能是顆粒粒徑較大的塑料沙表面非常圓滑的緣故；至于d<0.2mm的塑料沙，在試驗(yàn)時(shí)聚凝現(xiàn)象明顯，這部分塑料沙顆粒細(xì)，比表面積大，重力作用較顆粒表面的物理化學(xué)作用相對(duì)微弱，因而圖中即顯示了粒徑愈小，水下休止角愈大的分布趨勢(shì)。

事實(shí)上，無(wú)論何種材料，粒徑較大時(shí)水下穩(wěn)定坡度在很大程度上取決于阻礙顆粒間相互滑動(dòng)的摩擦力，而對(duì)于細(xì)顆粒，其間粘結(jié)水引起的粘結(jié)力也起到了明顯的作用。

3 顆粒級(jí)配的影響

為了研究泥沙粒配對(duì)于水下休止角的影響，我們?nèi)》蔷鶆蛳禂?shù)kf分別為1.42、1.72和2.30的三組沙樣，為便于比較，所選非均勻沙沙樣的中值粒徑控制在0.25左右（如表1）。

表1 不同級(jí)配的天然沙水下休止角試驗(yàn)結(jié)果

將這三組試驗(yàn)得出的水下休止角以及該粒徑的均勻沙實(shí)測(cè)結(jié)果列表比較后，不難看出：沙樣愈不均勻，水下休止角愈大，但當(dāng)非均勻系數(shù)kf小于1.5時(shí)，其水下休止角與均勻沙實(shí)測(cè)結(jié)果的差異已在本次試驗(yàn)的誤差范圍之內(nèi)。由于沖積河流的床沙級(jí)配較為均勻，即分選系數(shù)、一般小于1.5，故上文給出的均勻沙樣水下休止角試驗(yàn)資料，也可近似用于天然情況，而模型沙的結(jié)果同樣能夠在模擬沖積河流的有關(guān)特性時(shí)應(yīng)用。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本試驗(yàn)中主要針對(duì)天然沙、塊石、塑料沙在長(zhǎng)期摩擦作用力下形成水下休止角的影響方面的研究，在研究中得到了初步的認(rèn)識(shí)：泥沙粒配對(duì)于水下休止角也有一定的影響，即非均勻系數(shù)越大，水下休止角越大。但當(dāng)非均勻系數(shù)kf小于1.5時(shí)，所得到的水下休止角與均勻沙樣的試驗(yàn)結(jié)果并不存在多大的差異。

摘 要：水下休止角主要是指泥沙顆粒物之間存在不同介質(zhì)的情況下所產(chǎn)生的靜態(tài)相互作用，在摩擦力的影響下，通常會(huì)發(fā)生一定角度的傾斜，但這種傾斜不會(huì)導(dǎo)致坍塌。本文主要在模擬黃河丁壩壩前沖坑形態(tài)及水下根石穩(wěn)定坡度的情況下對(duì)天然沙、塑料沙水下休止角的試驗(yàn)進(jìn)行闡述，以期能夠?qū)恿髁W(xué)等學(xué)科的研究具有促進(jìn)意義。

關(guān)鍵詞：水下休止角；沙石；模型沙

1 實(shí)驗(yàn)概況

本試驗(yàn)是在黃委會(huì)水利科學(xué)研究所泥沙試驗(yàn)廳進(jìn)行的，試驗(yàn)設(shè)備除利用長(zhǎng)2.5m、寬2m、深1.5m的試驗(yàn)水池外，細(xì)顆粒的試驗(yàn)主要是在直徑為40cm的透明玻璃容器里進(jìn)行的。測(cè)試時(shí)借助于試驗(yàn)池繪制的座標(biāo)，并利用我們自制的坡角量測(cè)儀校核。

對(duì)于大顆粒，主要采用自然堆積法進(jìn)行試驗(yàn)，而對(duì)于細(xì)顆粒，則采用自然落淤法和園盤(pán)法，測(cè)試內(nèi)容主要是丘體坡度，當(dāng)沙樣堆積未能成丘或丘體斜坡未呈一直線時(shí)，則該組試驗(yàn)作廢重做，粗顆粒松散，試驗(yàn)易做，而較細(xì)顆粒，試驗(yàn)時(shí)聚凝現(xiàn)象顯著，試驗(yàn)進(jìn)程緩慢，且難度較大。此外，試驗(yàn)時(shí)力求注重尋求臨界狀況。

試驗(yàn)材料有天然沙（包括角礫）、塊石、卵石（包括園礫）及常用的模型沙，如電廠煤灰、無(wú)煙煤（包括煤塊）及塑料沙。在試驗(yàn)材料分類時(shí)，考慮到顆粒表面形狀影響的重要性，對(duì)于礫石，我們將角礫與天然沙歸為一組，將園礫與卵石歸為一組。此外，我們還進(jìn)行了幾組有關(guān)級(jí)配和介質(zhì)對(duì)泥沙休止角影響的試驗(yàn)。試驗(yàn)材料分類、粒徑范圍、容重及主要試驗(yàn)組次見(jiàn)圖1。

圖1 試驗(yàn)材料分類、粒徑范圍、主要試驗(yàn)組次

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 天然沙。將包括角礫在內(nèi)的天然沙篩分成12組均勻沙樣，試驗(yàn)得到了水下休止角關(guān)系曲線如圖2所示。

圖2 水下休止角關(guān)系曲線

此外，還利用上述沙樣及一些顆粒更大些的礫石在空氣中進(jìn)行了堆積休止角試驗(yàn)。試驗(yàn)表明，空氣中休止角一般大于水中的0.5～2度，且隨著粒徑的增大兩者間的差異漸趨消失。確切地講，粒徑大于20mm后，兩者差異已為目前的試驗(yàn)精度所掩蓋。

2.2 塊石。歷經(jīng)億萬(wàn)年的風(fēng)化作用，才使不少曾經(jīng)完全為巖石覆蓋的地球表面上出現(xiàn)了土壤和植物。這些儲(chǔ)量豐富且開(kāi)采和加工容易的塊石，在水利工程上也得到了廣泛的應(yīng)用。例如防波堤護(hù)坡、江河護(hù)岸、丁壩和橋渡防沖以及截流進(jìn)占等等。而了解堆石水下休止角，對(duì)上述工程實(shí)際都是很有意義的。

試驗(yàn)所采用的塊石也是經(jīng)過(guò)人工破碎的，塊度大小用篩孔逐步變小的圓孔篩子篩分，即石塊通過(guò)上層大篩孔而留在下層較小的篩孔上，對(duì)于大尺寸的塊石，限于條件，我們用游標(biāo)卡尺直接測(cè)得塊石之長(zhǎng)、中、短三軸長(zhǎng)度，進(jìn)而求其幾何平均值，即為所得粒徑。

一般講，當(dāng)塊石粒徑增大時(shí)，{試驗(yàn)所需空間也必須擴(kuò)大、因而對(duì)于顆粒粒徑大于150毫米的塊石，所備水池已顯得較小，故大于此粒徑范圍的塊石，不得不到野外試驗(yàn)。不過(guò)，由前述試驗(yàn)成果得知，介質(zhì)對(duì)大顆粒的堆積休碑角影響甚微，故上述做法不致影響最終成果的精度。

試驗(yàn)結(jié)果點(diǎn)繪于半對(duì)數(shù)紙上，得到了較好的點(diǎn)群關(guān)系曲線（見(jiàn)圖3），可近似表示為：

圖3 塊石及卵石水下休止角試驗(yàn)成果

由圖2可看出，隨著粒徑的增大，塊石的水下休止角趨于一個(gè)穩(wěn)定值42.5°，因此黃河丁壩根石在靜水條件下的臨界穩(wěn)定坡度為1：1.1。

2.3 塑料沙。將模型試驗(yàn)所購(gòu)置的塑料沙篩分為9組均勻沙樣，其粒徑范圍為0.101～3mm。由試驗(yàn)得出的結(jié)果來(lái)看，在d=0.2～0.8mm的范圍內(nèi)，水下休止角約為23.5°；而d>0.8mm后，休止角反而呈減小趨勢(shì)，究其原因，可能是顆粒粒徑較大的塑料沙表面非常圓滑的緣故；至于d<0.2mm的塑料沙，在試驗(yàn)時(shí)聚凝現(xiàn)象明顯，這部分塑料沙顆粒細(xì)，比表面積大，重力作用較顆粒表面的物理化學(xué)作用相對(duì)微弱，因而圖中即顯示了粒徑愈小，水下休止角愈大的分布趨勢(shì)。

事實(shí)上，無(wú)論何種材料，粒徑較大時(shí)水下穩(wěn)定坡度在很大程度上取決于阻礙顆粒間相互滑動(dòng)的摩擦力，而對(duì)于細(xì)顆粒，其間粘結(jié)水引起的粘結(jié)力也起到了明顯的作用。

3 顆粒級(jí)配的影響

為了研究泥沙粒配對(duì)于水下休止角的影響，我們?nèi)》蔷鶆蛳禂?shù)kf分別為1.42、1.72和2.30的三組沙樣，為便于比較，所選非均勻沙沙樣的中值粒徑控制在0.25左右（如表1）。

表1 不同級(jí)配的天然沙水下休止角試驗(yàn)結(jié)果

將這三組試驗(yàn)得出的水下休止角以及該粒徑的均勻沙實(shí)測(cè)結(jié)果列表比較后，不難看出：沙樣愈不均勻，水下休止角愈大，但當(dāng)非均勻系數(shù)kf小于1.5時(shí)，其水下休止角與均勻沙實(shí)測(cè)結(jié)果的差異已在本次試驗(yàn)的誤差范圍之內(nèi)。由于沖積河流的床沙級(jí)配較為均勻，即分選系數(shù)、一般小于1.5，故上文給出的均勻沙樣水下休止角試驗(yàn)資料，也可近似用于天然情況，而模型沙的結(jié)果同樣能夠在模擬沖積河流的有關(guān)特性時(shí)應(yīng)用。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本試驗(yàn)中主要針對(duì)天然沙、塊石、塑料沙在長(zhǎng)期摩擦作用力下形成水下休止角的影響方面的研究，在研究中得到了初步的認(rèn)識(shí)：泥沙粒配對(duì)于水下休止角也有一定的影響，即非均勻系數(shù)越大，水下休止角越大。但當(dāng)非均勻系數(shù)kf小于1.5時(shí)，所得到的水下休止角與均勻沙樣的試驗(yàn)結(jié)果并不存在多大的差異。