水壓力對黏性原狀土起動流速影響的試驗研究

范力陽，陳國平，馬洪蛟，李慶銀

(1.河海大學(xué) 港口海岸與近海工程學(xué)院，南京 210098; 2.黃河水利委員會 山東水文水資源局，濟(jì)南 250100)

水壓力對黏性原狀土起動流速影響的試驗研究

范力陽1，陳國平1，馬洪蛟1，李慶銀2

(1.河海大學(xué) 港口海岸與近海工程學(xué)院，南京 210098; 2.黃河水利委員會 山東水文水資源局，濟(jì)南 250100)

為探究水壓力對黏性原狀土起動的影響，在一套能模擬不同大小的水壓力的封閉管道試驗系統(tǒng)中進(jìn)行了黏性原狀土起動試驗。結(jié)果表明：當(dāng)水柱高度從35 cm提高到435 cm時，黏性原狀土的起動摩阻流速是0.35 m水柱高度下流速的2.52～3.06倍；黏性原狀土的起動流速隨著水壓力的增大而增大；水柱高度、原狀土的粒徑級配以及原狀土的密實度是起動摩阻流速的主要影響因素。該試驗成果可為黏性原狀土起動流速的進(jìn)一步研究提供參考。

水壓力；黏性原狀土；起動流速；粒徑級配；干密度

1 研究背景

水壓力對泥沙起動產(chǎn)生影響，竇國仁[1]和張瑞瑾[2]認(rèn)為實質(zhì)上是水壓力的變化導(dǎo)致泥沙顆粒的薄膜水附加壓力的變化，間接影響泥沙的起動流速。對于薄膜水附加壓力理論，目前存在一些爭議，就現(xiàn)有研究成果來看，該力只可能是薄膜水附加壓力。長江宜昌等水文站不同水深起動流速的實測資料證實了水深對起動流速的作用，這種作用確實不是流速分布的影響造成的[3]。首先考慮薄膜水附加壓力的是竇國仁與張瑞瑾。竇國仁[1]利用交叉石英絲試驗，通過改變石英絲所受的靜水壓力，驗證了壓力水頭對薄膜水附加壓力的影響，從而間接證明了壓力水頭對泥沙起動流速的影響；張瑞瑾[2]認(rèn)為，顆粒起動受黏結(jié)力的影響，但是其原因是薄膜水特別是其中的牢固結(jié)合水有單向壓力傳遞的特性，因此黏結(jié)力包含水柱壓力及大氣壓力2部分，這實質(zhì)上也承認(rèn)了水壓力是影響起動流速的因素。格里辛格(E.H.Grissinger)曾就黏土性質(zhì)對泥沙沖刷的影響進(jìn)行過一些研究，得出了2點結(jié)論：①在一般情況下，土壤中黏土含量的增加，將會加大土壤的抗沖能力;②試樣受壓與不受壓可以使沖刷率差到10倍[4]。

基于前人的研究成果，本文在一套能模擬不同水壓力的封閉管道試驗系統(tǒng)中進(jìn)行了黏性原狀土起動試驗，探究水壓力對黏性原狀土起動的影響。

2 黏性原狀土起動試驗

模擬不同水壓力的原狀土起動試驗裝置如圖1所示。矩形管道的斷面尺寸為15 cm×3 cm(長×寬)，有效長度為2.5 m，土樣放置在距離進(jìn)口1.5 m、出口1.0 m的位置，在土樣上游0.9 m、下游0.4 m處各布置1根測壓管。瞬時流量由超聲波流量計直接讀出。矩形管道內(nèi)斷面平均流速最大可達(dá)8.8 m/s。

圖1 試驗裝置簡圖Fig.1 Sketch of the test equipment

試驗中設(shè)置了5級水壓條件，水柱高度分別為35,135,235,335,435 cm。受試樣和試驗條件所限，共選取3個原狀土土樣進(jìn)行起動試驗，對選取的原狀土樣進(jìn)行粒徑分析，表1列出了原狀土樣的基本性質(zhì)，圖2為原狀土樣YZK03-3，YZK11-3，YZK11-4的粒徑級配曲線。

表1 原狀土樣基本性質(zhì)Table 1 Basic properties of undisturbed soil samples

圖2 不同原狀土樣粒徑級配曲線Fig.2 Gradation curves of undisturbed soil samples

3 試驗結(jié)果分析

3.1 原狀土起動試驗結(jié)果

對于充分發(fā)展的紊流，作用于管道壁面的切應(yīng)力τ與作用于水柱兩端面的壓力差的關(guān)系可表示為[5-6]

(1)

式中：R為水力半徑，R=A/χ，其中A為斷面面積，χ為濕周；J為水力坡度，J=ΔZ/L，ΔZ為上下游測壓管水柱高度差，L為測壓管間距；ρ為水的密度；g為重力加速度;U*為摩阻流速。

由式(1)解得

(2)

圖3 原狀土樣起動摩阻流速隨水柱高度變化Fig.3 Variation of incipient friction velocity of undisturbed soil sample vs. water column height

試驗以微團(tuán)少量起動作為原狀土的起動標(biāo)準(zhǔn)。微團(tuán)少量起動的具體描述為：泥面邊緣及中心位置多處出現(xiàn)間歇性片狀剝離，泥面出現(xiàn)淺坑。當(dāng)原狀土發(fā)生起動時，記錄下此時上、下游測壓管水柱高度讀數(shù)，計算測壓管水柱高度差 ，再通過式(2)算得起動摩阻流速U*c。原狀土樣在不同水壓力條件下的起動摩阻流速實測值如圖3所示。

從總體來看，隨著水壓力的增大，所有試樣的起動摩阻流速均隨之增大。值得注意的是，隨著水壓力的增大，不同試樣的起動摩阻流速增幅存在差異：對編號為YZK03-3的原狀土而言，水柱高度平均每增加100 cm，起動摩阻流速增加0.33 cm/s，比較435 cm和35 cm水柱高度下的起動摩阻流速，前者是后者的2.56倍；對于編號為YZK11-3，YZK11-4的原狀土，這2組數(shù)據(jù)分別為0.68 cm/s和2.52倍、1.19 cm/s和3.06倍。

根據(jù)文獻(xiàn)[7],水對泥沙顆粒的壓力Fδ的影響因素可概括為

Fδ=f(ρ,g,H,d,γ0) 。

(3)

式中：γ0為床面泥沙干密度；d為泥沙顆粒的粒徑；H為水柱高度。

根據(jù)式(3)，影響水柱壓力的因素主要有3個：水柱高度、泥沙粒徑組成以及泥沙干密度(即床面泥沙的密實度)。水柱壓力為阻礙泥沙起動的力，水柱壓力越大，所需要的起動摩阻流速也越大。顯然，水柱高度越高,土的細(xì)顆粒含量越多、砂含量越少、顆粒之間的黏性越強(qiáng)，土的密實度越高，原狀土受到的水柱壓力越大。下面從原狀土的粒徑組成以及密實度2個方面分析形成不同的起動摩阻流速隨水柱高度變化的曲線的原因。

對于原狀土樣YZK03-3來說，黏粒(d<0.005 mm, 下同)和粉粒(0.005 mm

對于原狀土樣YZK11-3來說，黏粒含量最高，為18%，粉粒含量較高，為58.8%，而且土的組成中不含粗砂(0.5 mm

原狀土樣YZK11-4的粒徑分布與YZK11-3很相似，黏粒和粉粒的含量都較高，其中黏粒含量為16.4%(略低于YZK11-3的黏粒含量)，粉粒含量(66%)要高于YZK11-3, 而且土中幾乎不含粗砂，只有極少量的中砂，所以YZK11-4的顆粒之間的黏性也較大，和YZK11-3相近。但由于YZK11-4的干密度遠(yuǎn)大于YZK11-3的干密度，密實度方面差別比較大，因此在同樣的水柱高度下，YZK11-4受到的水柱壓力最大，在3個原狀土樣中是最難起動的。

根據(jù)以上分析，在水柱高度相同的情況下，主要是原狀土的級配以及密實度影響了原狀土的起動摩阻流速。隨著水柱高度的增加，不同土樣在粒徑組成以及密實度方面的差異造成的水柱壓力的差異被水柱高度放大，因此3個原狀土樣的起動摩阻流速平均增幅(圖3中曲線的斜率)存在差別：細(xì)顆粒含量(黏粒和粉粒的含量之和)較高且密實度較高的YZK11-4號原狀土的起動摩阻流速平均增幅最大，細(xì)顆粒含量較高但密實度不高的YZK11-3次之，細(xì)顆粒含量和密實度都不高的YZK03-3最小。

3.2 試驗值與公式計算值對比分析

以上分析是基于原狀土起動試驗得到的，下面將試驗值與國內(nèi)常用的新淤黏土的起動流速公式的計算值進(jìn)行對比分析。

表2 不同水柱高度下起動流速實測值與公式計算值的對比Table 2 Comparison between measured and calculated data of incipient velocity under different water column heights

竇國仁公式[1]為

(4)

張瑞瑾公式[2]為

(5)

式中Ucz為張瑞瑾公式計算的起動流速。由于本文試驗數(shù)據(jù)是在封閉管路中得到的，與原狀土所處的天然環(huán)境有所差別，為了與竇國仁公式、張瑞瑾公式的計算值(Ucd和Ucz)進(jìn)行比較，必須將管道內(nèi)的起動垂線平均流速轉(zhuǎn)換為自然條件下的起動垂線平均流速。

研究表明[8]，當(dāng)土質(zhì)相同時，試驗室條件下的起動摩阻流速與自然條件下的起動摩阻流速是一致的。這樣，試驗中起動摩阻流速U*c與天然起動流速Uc之間的換算關(guān)系為[1]

(6)

表2給出了利用式(4)—式(6)分別求得的YZK03-3，YZK11-3，YZK11-4這3個黏性原狀土樣在不同水柱高度下的起動流速實測值與公式計算值。

從表2中可以看出，天然起動流速隨著水深增加而迅速增大，而由公式計算得到的起動流速增幅遠(yuǎn)小于天然起動流速：對YZK03-3而言，水柱高度為435 cm的Ucd和Ucz分別是35 cm水柱高度下相應(yīng)公式計算值的1.34倍和1.71倍；對YZK11-3而言，這一組數(shù)據(jù)是1.35倍和1.69倍；對YZK11-4而言，這一組數(shù)據(jù)則是1.36倍和1.68倍。由此還可看出，YZK11-3的流速計算值的增幅和YZK11-4的基本相同，但是YZK11-3的干密度為1.27 g/cm3， YZK11-4的干密度為1.47 g/cm3，式(4)和式(5)計算值并沒有體現(xiàn)出密實度的影響，而這一點在試驗值中有所體現(xiàn)。出現(xiàn)這些差異的主要原因是式(4)和式(5)都是對結(jié)構(gòu)均勻的新淤黏性土而言，而原狀土的結(jié)構(gòu)和組成都很復(fù)雜，兩者的密實度存在差異。

4 結(jié) 論

通過對3個不同性質(zhì)的黏性原狀土樣進(jìn)行起動試驗，并結(jié)合理論分析研究了水壓力對黏性原狀土起動流速的影響，可以得出以下結(jié)論：

(1) 水壓力對黏性原狀土的起動流速有影響，水柱高度為435 cm時的黏性原狀土的起動摩阻流速是35 cm水柱高度下的流速的2.52～3.06倍。

(2) 在相同水壓力情況下對不同粒徑級配、密實度的原狀土樣而言，水壓力對其起動流速的影響不盡相同。

(3) 由于原狀土結(jié)構(gòu)和組成都很復(fù)雜，建立適用于原狀土且精度良好的起動流速計算公式還需要大量開展原狀土起動試驗，獲取足夠多的試驗數(shù)據(jù)。

[1] 竇國仁.論泥沙起動流速[J]. 水利學(xué)報，1960，(4):46-62.

[2]張瑞瑾. 河流動力學(xué)[M].北京：中國工業(yè)出版社，1960.

[3] 韓其為，何明民. 泥沙起動規(guī)律及起動流速[M]. 北京：科學(xué)出版社，1999：38-41.

[4] 錢 寧，萬兆惠. 泥沙運動力學(xué)[M]. 北京：科學(xué)出版社，2003.

[5] 洪大林. 粘性原狀土沖刷特性研究[D]. 南京：河海大學(xué)，2005.

[6] 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.

[7] 竇國仁. 再論泥沙起動流速[J]. 泥沙研究, 1999,(6):1-9.

[8] 張書農(nóng). 河流動力學(xué)[M]. 北京：水利電力出版社，1988.

(編輯：占學(xué)軍)

Influence of Water Pressure on Incipient Velocityof Cohesive Undisturbed Soil

FAN Li-yang1, CHEN Guo-ping1, MA Hong-jiao1, LI Qing-yin2

(1.College of Harbor, Costal and Offshore Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China;2.Shandong Hydrology and Water Resources Bureau, Yellow River Conservancy Commission,Jinan 250100, China)

In order to study the influence of water pressure on incipient velocity of undisturbed clay, we carried out test on the incipient velocity by using a closed rectangular pipe which could provide different water pressures. Results show that incipient frictional velocity of undisturbed clay in the presence of 4.35 m water column height is 2.52-3.06 times that under 0.35 m height. In other words, incipient velocity of undisturbed clay increases with the increasing of water pressure. Besides, water column height, grain gradation and compactness of undisturbed clay are also main factors affecting the incipient frictional velocity.The experimental results can provide reference for further studies on incipient velocity of cohesive undisturbed soil.

water pressure; undisturbed clay; incipient velocity; gradation of grain；dry density

2016-02-17；

2016-04-08

范力陽(1991-)，男，湖南常德人，碩士研究生，主要從事河口海岸水動力與泥沙運動研究，(電話)13776628420(電子信箱)fly_hhu@163.com。

10.11988/ckyyb.20160124

2017,34(4):5-8

TV14

A

1001-5485(2017)04-0005-04