晉江圍海工程黏性原狀土沖刷率試驗研究

吳月勇，陳國平，嚴士常，周 雅，鐘雄華

（河海大學港口海岸及近海工程學院海岸災害與防護教育部重點實驗室，南京210098）

晉江圍海工程黏性原狀土沖刷率試驗研究

吳月勇，陳國平，嚴士常，周 雅，鐘雄華

（河海大學港口海岸及近海工程學院海岸災害與防護教育部重點實驗室，南京210098）

通過物理模型試驗，對福建晉江圍海工程的6組粉沙、8組細沙、7組中粗沙原狀土樣進行沖刷率試驗。根據(jù)實測的沖刷率和床面切應力來分析原狀泥沙的沖刷率表達式。考慮中值粒徑對沖刷率表達式的影響，分別得出了粉沙、細沙、中粗沙的沖刷率表達式中的能量指數(shù)和沖刷系數(shù)。結(jié)果表明：粉沙、細沙、中粗沙的沖刷率分別與相對剩余切應力的0.5次方、1次方、1.25次方成正比，且隨著粒徑的增大，沖刷系數(shù)逐漸減小，中粗沙的沖刷系數(shù)僅為粉沙的十分之一。此外，粒徑較小的粉沙和細沙的沖刷系數(shù)有隨土樣黏性顆粒含量的增加而成非線性減小的趨勢，黏性顆粒含量較小的中粗沙的沖刷系數(shù)則隨著黏性顆粒含量的增加無明顯關(guān)系。

黏性原狀土；中值粒徑；沖刷率；沖刷系數(shù)；黏性顆粒

多年來國內(nèi)外學者對原狀泥沙沖刷特性做了很多研究，現(xiàn)在普遍認為泥沙的沖刷性質(zhì)由泥沙自身的條件及水流條件有關(guān)，Partheniades［1］、雷文韜［2］等認為泥沙沖刷率與相對剩余切應力呈指數(shù)關(guān)系，但是對于指數(shù)的取值與沖刷系數(shù)的確定還存在著不少爭議。蔣磊［3］、李華國［4］、孫志林［5］、王軍［6］、時連強［7］等做了原狀土的沖刷性質(zhì)研究，但是他們試驗所用的土樣粒徑范圍變化較小，僅為粉沙試樣，無法分析沖刷率表達式各項隨粒徑大小的關(guān)系；此外，洪大林［8］、田琦［9］、曹叔尤［10］等認為沖刷率與相對剩余切應力成線性關(guān)系且并未分析土中黏性顆粒含量的多少對沖刷系數(shù)的影響。本文基于前人結(jié)論，對福建晉江圍海工程取樣點的21個黏性原狀土試驗土樣進行沖刷率物理模型試驗，按土樣類別總結(jié)了黏性非均勻原狀土的沖刷率表達式并分析了黏土含量的多少對各類泥沙沖刷系數(shù)的影響。

1 試驗裝置與土樣

1.1 試驗裝置

針對黏性原狀土的起動流速大的特點，試驗采用封閉有壓的有機玻璃水槽，其系統(tǒng)由幾部分組成，具體見圖1。方形有機玻璃水槽長200 cm，試樣放置在圓形土樣筒內(nèi)，在土樣筒的上下游各布置一個測壓管，上下游測壓管間距為130 cm，上游測壓管位置距土樣筒的中心距離為90 cm，下游測壓管位置距土樣筒的中心距離為40 cm。土樣由土樣筒下方的升降裝置控制其升降速度，水槽的最大流量可達30 L/s，矩形水槽有效段的最大流速可達6.67 m/s，其流量由直讀式電磁流量計直接讀出。

圖1實驗裝置Fig.1 Experimental device

1.2 試驗土樣

試驗泥沙取自晉江濱海新區(qū)填海造地工程外護岸和堤頭，原狀土樣采取嚴格按《水運工程巖土勘察規(guī)范》要求執(zhí)行，分層采取以保證土樣不擾動，滿足試驗項目和試驗方法的需要。共計21個試樣，試樣中值粒徑從10.8～804 μm不等，按中值粒徑大小將土樣分為粉沙、細沙、中粗沙三類。21個土樣都含有不同含量的黏性顆粒（粒徑小于0.005 mm的顆粒）。就土樣中值粒徑分類而言，粉沙含有的黏性顆粒含量最多，范圍為（8%～25%）；細沙含有的黏性顆粒含量其次，范圍為（7.5%～18%）；中粗沙含有的黏性顆粒含量最少，范圍為（0.5%～9.2%）。圖2～圖4分別為粉沙、細沙、中粗沙的典型沙樣粒徑分布圖。

圖2 粉沙的典型沙樣粒徑分布Fig.2 Typical grain size distribution of silt

圖3 細沙的典型沙樣粒徑分布Fig.3 Typical grain size distribution of fine sand

圖4 中粗沙的典型沙樣粒徑分布Fig.4 Typical grain size distribution of medium coarse sand

2 起動切應力與沖刷率試驗

2.1 起動、沖刷條件的界定

將“芯樣表面出現(xiàn)許多小的局部破壞或撕裂并伴隨少量沖刷發(fā)生”，定義為“臨界起動”。對每個芯樣進行臨界起動切應力、沖刷率試驗，由于沖刷率表達式對泥沙的起動切應力的大小十分敏感，因此對每個試樣都經(jīng)過反復試驗以確定臨界起動切應力，確保試驗精度。

在水槽底部安裝土樣升降裝置，在試驗過程中，當土樣隨水流的沖刷逐漸崩潰降低時，適時調(diào)整土樣高度使其表面與水槽底部齊平。試驗時，根據(jù)土樣開始沖刷時的流量大小，選擇合適的沖刷高度Δh，分別有3 mm，5 mm，6 mm，10 mm；當土樣表面基本與水槽底部平齊時，控制升降裝置上頂?shù)男谐碳皶r間，例如“5 mm，200 s”，同時觀察土樣上表面在當時的流速下是否有明顯高出水槽底部，若土樣在該時間段內(nèi)始終與水槽底部保持平齊，則說明沖刷速率和巖芯上移速率平衡，則該巖芯上移速度即為沖刷速率。每個土樣從開始沖刷開始逐漸調(diào)大流量，得到相應的沖刷速率，每個土樣按流量大小進行3～5組沖刷速率試驗。

2.2 起動切應力與沖刷率計算方法

（1）調(diào)節(jié)流量和水頭直到泥沙開始起動，床面切應力τ與摩阻流速的關(guān)系

式中：τ為床面切應力，N/m2；U*為摩阻流速，m/s；γ為水的重度，等于1×104N·m-3；p1-p2為上下游測壓管壓力差；R為水力半徑，m；Δz為上下游測壓管水頭差，m；l為兩測壓管間距，m；J為水力坡度。

（2）試驗中，根據(jù)土樣沖刷高度Δh（mm）及沖刷歷時Δt（s），測得的沖刷率與單位時間沖刷高度關(guān)系如下

式中：E為原狀土沖刷率，kg·m-2·s-1；ρs為沉積密度，g·cm-3。

參考前人研究成果，擬定公式基本結(jié)構(gòu)為式（3）

將式（3）改寫為對數(shù)形式得到式（4）、式（5）。

式中：M為沖刷系數(shù)，kg·m-2s-1，其是一個反應土抗沖刷性能的一個重要指標，其值越小代表土越難被沖刷；τb為床面切應力；τc為床面臨界起動切應力，（-1）為無量綱的相對剩余切應力；n為能量指數(shù)。

3 實驗結(jié)果

將21組土樣按中值粒徑大小分類，進行起動和沖刷率試驗，表1～表3為試驗實測的原狀土樣的起動、沖刷率的數(shù)據(jù)結(jié)果。值得注意的是表1～表3中所指的起動切應力τc特指土樣起動時的臨界床面切應力；在每組土樣完全起動后，通過逐級增加流量的方法，根據(jù)土樣情況進行3～5組不等的沖刷率試驗，根據(jù)式（1）計算得到對應的床面切應力。21個土樣的起動沖刷結(jié)果見表1～表3。

可以發(fā)現(xiàn)，土樣的起動切應力與中值粒徑d50沒有明顯的關(guān)系，原因應該是由于黏性原狀土的啟動現(xiàn)象以微團為單位，并不是以顆粒起動為特征，再加上原狀土的不均勻性，使得中值粒徑相差無幾的土樣起動切應力相差較大，這一點洪大林［8］等的原狀土試驗也有類似的結(jié)論。此外，盡管中值粒徑相近土樣的起動切應力相差較大，但是相應的使土樣達到?jīng)_刷條件的床面切應力也較大，因此式（3）～式（5）用基本上可以消除起動切應力差異性的影響。

表1 粉沙沖刷率試驗結(jié)果Tab.1 Test results of silt scour rate

表2 細沙沖刷率試驗結(jié)果Tab.2 Test results of fine sand scour rate

4 沖刷率試驗結(jié)果分析

4.1 沖刷率表達式參數(shù)的確定

將實驗所得的各個土樣的沖刷率、相對剩余切應力按式（5）進行線性擬合，結(jié)果如圖5～圖7所示，橫坐標為相對剩余切應力的自然對數(shù)形式，縱坐標為沖刷率的自然對數(shù)形式；斜率表示指數(shù)能量指數(shù)n，e的截距次冪為土樣按類別的綜合沖刷系數(shù)M。圖5～圖7的相關(guān)系數(shù)都達到了60%及以上，擬合性較好。由圖5可知其斜率近似等于0.5，沖刷系數(shù)為3.34×10-2kg·m2·s-1，表明粉沙沖刷率與相對剩余切應力的0.5次方成正比，即與流速的一次方成正比。圖6表示細沙沖刷率與相對剩余切應力關(guān)系，其斜率近似等于1，沖刷系數(shù)為8.4×10-3kg·m-2·s-1，表明細沙沖刷率與相對剩余切應力的1次方成正比，即與流速的平方成正比。圖7表示中粗沙沖刷率與相對剩余切應力的關(guān)系，其斜率為1.25，沖刷系數(shù)為2.6×10-3kg·m2·s-1，表明粉沙沖刷率與相對剩余切應力的1.25次方成正比，即與流速的2.5次方成正比。顯而易見隨著泥沙中值粒徑的增大，黏性原狀土的能量指數(shù)n增大，沖刷系數(shù)減小，其中粉沙的沖刷系數(shù)較中粗沙沖刷系數(shù)大一個數(shù)量級，由此可見粒徑越大土樣越難被沖刷，這是符合一般客觀事實的。

表3 中粗沙沖刷率試驗結(jié)果Tab.3 Test results of medium coarse sand scour rate

綜上，根據(jù)沖刷率試驗得出的沖刷率表達式為，當（τb＞τc）時有

由上述三式可知沖刷率表達式中的能量指數(shù)n和泥沙的中值粒徑有關(guān)，它隨著泥沙粒徑的增大而增大，粉沙土樣能量指數(shù)n約為0.5，細沙土樣能量指數(shù)n約為1，中粗沙沙土樣能量指數(shù)n約為1.25。此外，由于本實驗所用的土樣并非黏性顆粒含量較大的淤泥土樣，故中值粒徑的大小對原狀土抗沖刷性影響較大，沖刷系數(shù)隨著泥沙粒徑的增大而減小，表明在粒徑在10.8～804 μm的黏性原狀土樣的抗沖刷能力隨著粒徑增大逐漸增強。

圖5 粉沙沖刷率與相對剩余切應力的關(guān)系Fig.5 Relation between scour rate and relatively residual shear stress for silt

圖6 細沙沖刷率與相對剩余切應力的關(guān)系Fig.6 Relation between scour rate and relatively residual shear stress for fine sand

圖7 中粗沙沖刷率與相對剩余切應力的關(guān)系Fig.7 Relation between scour rate and relatively residual shear stress for medium coarse sand

圖8 粉沙沖刷系數(shù)與黏土含量關(guān)系Fig.8 Relation between scour coefficient and clay content for silt

圖9 細沙沖刷系數(shù)隨黏土含量關(guān)系Fig.9 Relation between scour coefficient and clay content for fine sand

圖10 中粗沙沖刷系數(shù)與黏土含量的關(guān)系Fig.10 Relation between scour coefficient and clay content for medium coarse sand

4.2 黏性顆粒含量對沖刷系數(shù)的影響

眾多學者的著作中都研究過淤泥中黏性細顆粒含量的多少對泥沙起動、沖刷的影響，現(xiàn)在普遍認為黏性含量越高，泥沙越難被沖刷，但他們試驗采用的土樣多為黏性顆粒含量較高的淤泥、粉沙。本次試驗重點考慮黏性顆粒含量不大的粉沙、細沙、中粗沙原狀土中沖刷系數(shù)隨黏性顆粒含量大小的變化。

由圖8、圖9可知粒徑較小的粉沙和細沙的粘性原狀土的沖刷系數(shù)隨黏性顆粒含量的增加有呈非線性降低的趨勢。這表明細顆粒粉沙和細沙的黏土含量對其抗沖刷性能有重要影響，黏性土含量越高，土樣越難被沖刷，這點性質(zhì)與淤泥的性質(zhì)相似，蔣磊［3］也曾得出類似的結(jié)論，所不同的是蔣磊所用土樣僅為粉沙，且其認為沖刷系數(shù)隨黏性顆粒含量的增加成線性變化。

由圖10可知中粗沙黏性原狀土的沖刷系數(shù)則隨黏土含量的增加無明顯規(guī)律，由于試驗泥沙的黏性顆粒含量皆小于10%，因此可以認為中粗沙由于粒徑較大，在黏性土含量小于10%時，黏性顆粒含量的多少對中粗沙的抗沖刷性能無明顯關(guān)系，這是由于中粗沙顆粒的重力作用此時較大，土樣的抗沖刷性能受黏性顆粒的粘結(jié)作用與中粗沙顆粒的重力作用共同作用。因此，試圖建立黏性顆粒含量與沖刷系數(shù)的關(guān)系是不現(xiàn)實的。

5 結(jié)論

試驗選用的黏性原狀土中值粒徑范圍較廣，從10.5～804 μm，按照中值粒徑從小到大將土樣分為6個粉沙、8個細沙、7個中粗沙，且都含有一定量的黏性顆粒，經(jīng)過試驗分析得到了如下結(jié)論：

（1）粉沙的沖刷率與相對剩余切應力的0.5次方成正比，細沙沖刷率與相對剩余切應力成線性關(guān)系，中粗沙沖刷率與相對剩余切應力的1.25次方成正比。

（2）試驗得出粉沙的沖刷系數(shù)為3.34×10-2kg·m-2·s-1，細沙的沖刷系數(shù)為8.4×10-3kg·m-2·s-1，中粗沙沖刷系數(shù)為2.6×10-3kg·m-2·s-1。說明沖刷系數(shù)與土樣的粒徑有關(guān)，粒徑越大，沖刷系數(shù)越小，且中粗沙沖刷系數(shù)與粉沙相差一個數(shù)量級，表明中粗沙比粉沙的抗沖刷性強得多。

（3）同一種土樣的沖刷系數(shù)并非一成不變的，試驗發(fā)現(xiàn)粉沙、細沙土樣中沖刷系數(shù)有隨著黏性顆粒的增加而非線性減小的趨勢。

（4）對于黏性顆粒含量較小的中粗沙而言（黏性顆粒含量＜10%），沖刷系數(shù)的大小與黏性顆粒的含量則無明顯關(guān)系，土樣的抗沖刷性能受黏性顆粒的粘結(jié)作用與中粗沙顆粒的重力作用共同作用。

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Scour rate experimental research on cohesive undisturbed soil from the reclamation project in Jinjiang

WU Yue?yong,CHEN Guo?ping,YAN Shi?chang,ZHOU Ya,ZHONG Xiong?hua
（Key Laboratory of Coastal Disaster and Defence Ministry of Education,College of Harbor,Coastal and Offshore Engineering,Hohai University,Nanjing 210098,China）

Based on physical model test,six groups samples of silt,eight groups samples of fine sand and seven groups samples of medium coarse sand from the reclamation project in Jinjiang,Fujian were tested for the scour rate.The scour rate formula of cohesive undisturbed soil was analyzed according to the measured scour rate and bed shear stress.The impact of median diameter on the value of the scour rate formula was considered,the energy index and scour coefficient of scour rate formula for the silt,fine sand,medium coarse sand were obtained separately.The text result shows that for those silt,the scour rate and the relative residual shear stress is proportional to the 0.5, there is a linear relationship between scour rate and the relatively residual shear stress for fine sand,besides,the scour rate and relatively surplus shear stress of medium coarse sand is proportional to the 1.25.And the scour coeffi?cient has a tendency to decrease with the increasing of median diameter,the scour coefficient of medium coarse sand only one?tenth of the silt.In addition,the scour coefficient of silt and fine sand have a non?linear tendency to decrease with the increasing of clay content,however,the scour coefficient of the medium coarse sand which have smaller particle clay content has no significant relationship with the increasing of clay particles.

cohesive undisturbed soil;median diameter;scour rate;scour coefficient;clay particles

TU 411

A

1005-8443（2016）06-0635-06

2016-06-27；

2016-08-26

吳月勇（1992-），男，江蘇省南京人，碩士研究生，主要從事波浪與建筑相互作用研究。

Biography：WU Yue?yong（1992-），male，master student.