波浪作用下細(xì)顆粒泥沙起動(dòng)試驗(yàn)研究

孔令雙，徐 斌，陸 佳，賈 曉

(1. 上海河口海岸科學(xué)研究中心，上海 201201; 2. 上海河口海岸工程勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司，上海 201201)

長(zhǎng)江口北槽中下段床面泥沙以粉砂和極細(xì)砂為主。2014年北槽河床質(zhì)采樣分析結(jié)果表明[1]，北槽中下段南側(cè)邊灘床沙以砂為主，砂的含量≥50%，粉砂的含量為10%～40%，黏土的含量≤10%；北側(cè)邊灘床沙的粉砂含量為50%～70%，砂的含量≤20%，黏土含量為10%～30%。北槽中下段灘面平均中值粒徑在0.035～0.070 mm之間(不同季節(jié))，此種泥沙在波浪作用下極易起動(dòng)。長(zhǎng)江口7月～9月是大風(fēng)/臺(tái)風(fēng)的多發(fā)季節(jié)，占全年的80%左右。臺(tái)風(fēng)浪的能量大，水下灘面細(xì)顆粒泥沙被風(fēng)浪掀起，成為航槽驟淤的主要泥沙來(lái)源，現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)到的長(zhǎng)江口大風(fēng)天后的底部含沙量可達(dá)幾十千克每立方米[2]。

波浪作用下的泥沙起動(dòng)問(wèn)題，是河口海岸動(dòng)力學(xué)中的基礎(chǔ)問(wèn)題，也是泥沙研究中的重要課題。對(duì)于波浪作用下的泥沙起動(dòng)問(wèn)題，已有很多重要研究成果。從研究方法來(lái)看，大體可分為2類。第一類方法是將理論分析與水槽試驗(yàn)相結(jié)合，建立比較通用的波浪作用下泥沙的起動(dòng)公式。如竇國(guó)仁等[3]在全面分析泥沙粒徑的受力情況下，通過(guò)對(duì)顆粒間的粘結(jié)力、薄膜水固體性質(zhì)導(dǎo)致的附加靜水壓力和波浪慣性力的考慮，導(dǎo)出了適用于粗、細(xì)顆粒泥沙起動(dòng)的統(tǒng)一公式；曹祖德等[4]從邊界層理論出發(fā)，得出波、流共同作用下的床面剪切力，進(jìn)而通過(guò)大量泥沙起動(dòng)試驗(yàn)，繪制了波、流共同作用下的泥沙起動(dòng)Shields曲線，進(jìn)一步建立了層流和紊流階段的泥沙起動(dòng)公式；劉家駒[5]根據(jù)波浪作用下沙粒在重力、水平推力、繞流上舉力及黏著力的滾動(dòng)力矩極限平衡條件下得到了泥沙的起動(dòng)波高；趙子丹[6]在Madsen和Grant[7]研究的基礎(chǔ)上，對(duì)波浪作用下的床面剪切力進(jìn)行了修正，進(jìn)而對(duì)波浪作用下泥沙起動(dòng)公式進(jìn)行了修正，并利用大量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了公式的有效性；周益人和尹昌安[8]在通過(guò)理論分析，提出波浪邊界層泥沙起動(dòng)概念，借助水流泥沙起動(dòng)研究方法，得到波浪作用下泥沙起動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)曲線并給出相應(yīng)的計(jì)算公式，并用大量試驗(yàn)資料進(jìn)行了驗(yàn)證；李壽千等[9]基于波浪邊界層理論及單向流泥沙起動(dòng)Shields曲線，推證出了波浪泥沙起動(dòng)Shields曲線。第二類方法是經(jīng)驗(yàn)類，其中有些采用水槽試驗(yàn)，對(duì)某些特定泥沙的起動(dòng)特性或者起動(dòng)臨界條件進(jìn)行了研究[10-13]。

采用長(zhǎng)江口北槽中下段的灘面泥沙，利用波浪長(zhǎng)直水槽進(jìn)行了不同水深、不同波周期條件下的泥沙起動(dòng)試驗(yàn)研究，得到長(zhǎng)江口北槽中下段灘面泥沙的起動(dòng)特性，為長(zhǎng)江口大風(fēng)天航道驟淤研究提供支撐。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

波浪作用下泥沙起動(dòng)試驗(yàn)在波浪水槽中進(jìn)行，水槽尺寸為135 m×1.0 m×1.2 m(長(zhǎng)×寬×高)，水槽尾部設(shè)有人字形消波器及消浪斜坡。試驗(yàn)段前后端布置波高儀，測(cè)量波浪要素；含沙量采用分層取樣、過(guò)濾稱重法和OBS濁度儀相結(jié)合的方法測(cè)量，其中OBS濁度儀試驗(yàn)前通過(guò)標(biāo)定，建立水體濁度與泥沙濃度的相關(guān)關(guān)系，從而得到泥沙含量。OBS濁度儀的標(biāo)定結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 OBS濁度儀的標(biāo)定結(jié)果Fig. 1 Calibration of OBS

1.2 試驗(yàn)布置

在水槽中段開(kāi)設(shè)一段長(zhǎng)3.0 m，高0.08 m的貯泥槽，試驗(yàn)時(shí)泥沙鋪設(shè)其中(圖2)。試驗(yàn)段開(kāi)始和結(jié)尾處各布波高儀1臺(tái)，用以測(cè)量試驗(yàn)波高；試驗(yàn)段中部布置流速儀1臺(tái)，用以測(cè)量近底流速；鋪沙后段共布置3個(gè)OBS濁度儀，用以測(cè)量不同水深位置的含沙量。在鋪沙中點(diǎn)略靠后側(cè)布置了1臺(tái)濁度儀和取水樣裝置，二者布置在一套可自動(dòng)升降的裝置上，此臺(tái)濁度儀和所取水樣點(diǎn)位一致。

圖2 試驗(yàn)布置示意Fig. 2 The test layout

1.3 試驗(yàn)?zāi)嗌?/h3>

試驗(yàn)沙樣取自北槽中下段灘面泥沙，采用激光粒度儀對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集的沙樣進(jìn)行顆分測(cè)量。首先取出適量沙樣在燒杯中稀釋并加入適量雙氧水和分散劑，靜置一天后攪拌均勻，經(jīng)超聲波振蕩后，全部倒入激光粒度儀進(jìn)行顆分測(cè)量，然后整理沙樣顆分結(jié)果，繪制級(jí)配曲線圖(見(jiàn)圖3)。

圖3 試驗(yàn)?zāi)嗌臣?jí)配曲線Fig. 3 Test sediment grading curve

本次試驗(yàn)?zāi)嗌骋源址凵昂蜆O細(xì)沙為主，泥沙中值粒徑為0.063 mm，黏土含量約10%。

1.4 試驗(yàn)組次

本次試驗(yàn)進(jìn)行了不同水深(30 cm、35 cm、40 cm)、不同波周期(1.0 s、1.5 s、2.0 s)條件下的泥沙起動(dòng)試驗(yàn)，試驗(yàn)組次見(jiàn)表1。本次試驗(yàn)?zāi)康闹皇峭ㄟ^(guò)試驗(yàn)獲取北槽灘面泥沙的起動(dòng)條件；其二是了解不同水深和波浪周期對(duì)長(zhǎng)江口北槽床面泥沙起動(dòng)規(guī)律的影響。通過(guò)試驗(yàn)分析得到的臨界起動(dòng)切應(yīng)力，可以反推得到現(xiàn)場(chǎng)不同水深、不同波周期條件下，床面泥沙的起動(dòng)波高。對(duì)于分析長(zhǎng)江口波浪作用下泥沙起動(dòng)特性進(jìn)而分析長(zhǎng)江口航道回淤提供技術(shù)支撐。

試驗(yàn)開(kāi)始前，將試驗(yàn)?zāi)嗌尺M(jìn)行了充分?jǐn)嚢?，取適量泥沙浸水并自然密實(shí)1天，測(cè)定其容重為1.75 g/cm3，該值和北槽原狀土的容重相近。因試驗(yàn)中鋪好的泥沙無(wú)法取出測(cè)其容重，所以待泥沙自然密實(shí)1天后開(kāi)始試驗(yàn)，認(rèn)為試驗(yàn)?zāi)嗌吵跏既葜貫?.75 g/cm3。本次試驗(yàn)未對(duì)不同密實(shí)時(shí)間(不同初始容重)的泥沙進(jìn)行試驗(yàn)。

1.5 試驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)前先將浸泡并攪拌好的泥沙均勻鋪在水槽的貯泥槽中，并將泥沙床面抹平，之后緩慢注入自來(lái)水至試驗(yàn)水深，待泥沙自然密實(shí)1天后開(kāi)始試驗(yàn)。每組試驗(yàn)前均重新攪拌鋪沙、自然密實(shí)1天。試驗(yàn)時(shí)，波高先從小波開(kāi)始，然后逐漸增大。波浪作用是逐次進(jìn)行的，在小波作用下，觀察到底沙沒(méi)有起動(dòng)，停止造波，等床面泥沙完全靜止穩(wěn)定后，再進(jìn)行下一個(gè)波高的試驗(yàn)。試驗(yàn)人員在鋪沙段觀察水體顏色、泥面的變化情況，同時(shí)通過(guò)OBS濁度儀監(jiān)測(cè)水體中濁度值的變化。本次試驗(yàn)?zāi)嗌碁榧?xì)顆粒泥沙，泥沙起動(dòng)以底沙的卷起、懸揚(yáng)為主，同時(shí)又有部分底泥的輸移[9]。試驗(yàn)過(guò)程中，根據(jù)直接觀察和含沙量變化過(guò)程分析，以床面泥沙“大量懸揚(yáng)”作為泥沙起動(dòng)的判別標(biāo)準(zhǔn)。

在小波浪作用下，床面表層泥沙有輕微的蕩漾、蠕動(dòng)，但泥沙并無(wú)卷起現(xiàn)象；波高加大時(shí)，參與晃動(dòng)的泥沙增多，在床面薄弱的地方有小團(tuán)的泥沙卷起、懸揚(yáng)；當(dāng)波高增加到一定強(qiáng)度時(shí)，大量泥沙參與運(yùn)動(dòng)，近底形成高濃度的含沙水體，在波浪的持續(xù)作用下，部分泥沙懸揚(yáng)至上部水體，水體逐漸變得渾濁，此時(shí)，濁度計(jì)的信號(hào)也明顯變大。本次起動(dòng)試驗(yàn)以底沙大量起動(dòng)即床面漩渦遍布、泥沙以濃煙形式從床面多個(gè)位置上懸起、部分顆粒發(fā)生躍動(dòng)以及濁度計(jì)信號(hào)明顯增加等多個(gè)現(xiàn)象同時(shí)發(fā)生時(shí)作為起動(dòng)的判別標(biāo)準(zhǔn)。

1.6 關(guān)于泥沙起動(dòng)和揚(yáng)動(dòng)的區(qū)別

1) 從概念(現(xiàn)象)描述來(lái)看，泥沙起動(dòng)是指當(dāng)水流逐步加強(qiáng)到超過(guò)一定限度以后，床面的泥沙顆粒開(kāi)始脫離靜止?fàn)顟B(tài)而進(jìn)入運(yùn)動(dòng)。泥沙揚(yáng)動(dòng)是指當(dāng)床面泥沙起動(dòng)以后，隨著流速的繼續(xù)增加，泥沙躍起的高度和距離也隨著增加，當(dāng)流速大到某一程度，泥沙脫離床面懸移。

2) 從泥沙屬性來(lái)看，泥沙起動(dòng)是指泥沙由靜止到運(yùn)動(dòng)，這個(gè)運(yùn)動(dòng)可能是滑動(dòng)、滾動(dòng)或躍移，一般情況下泥沙起動(dòng)臨界條件研究的主要對(duì)象是推移質(zhì)(也有細(xì)顆粒的泥沙由于床面上的紊動(dòng)猝發(fā)而由低流速水團(tuán)挾帶進(jìn)入主流區(qū)，或者由不平整床面上局部的水流分流卷?yè)P(yáng)而起進(jìn)入主流區(qū)，這兩種形式均有可能使床面泥沙由靜止直接進(jìn)入懸浮狀態(tài))；泥沙揚(yáng)動(dòng)是關(guān)于泥沙什么時(shí)候開(kāi)始進(jìn)入懸移質(zhì)運(yùn)動(dòng)的臨界條件，也就是說(shuō)揚(yáng)動(dòng)臨界條件研究的對(duì)象是懸移質(zhì)。

3) 從運(yùn)動(dòng)形式及過(guò)程來(lái)看[14]，一般情況下，泥沙顆粒運(yùn)動(dòng)過(guò)程可概括為：起動(dòng)→滾動(dòng)(間或滑動(dòng))→滾動(dòng)和躍移相間→連續(xù)躍移→躍移和懸移相間→懸移，泥沙顆粒由推移運(yùn)動(dòng)進(jìn)入懸移運(yùn)動(dòng)一般都要經(jīng)過(guò)躍移運(yùn)動(dòng)過(guò)程。但實(shí)際情況還有2種轉(zhuǎn)化的過(guò)程和形式，一種是由于床面附近的紊動(dòng)猝發(fā)過(guò)程，即由于床面上的紊動(dòng)“猝發(fā)”作用，低流速水團(tuán)可以直接挾帶一部分泥沙上升到主流區(qū)，使其呈懸浮狀態(tài)；另一種形式主要是對(duì)于較顯著的不平整床面，產(chǎn)生局部的水流分離，從而將床面上的泥沙卷?yè)P(yáng)起來(lái)送入到主流區(qū)；這兩種形式通常可以使床面泥沙不經(jīng)過(guò)躍移，甚至直接由靜止進(jìn)入懸浮狀態(tài)。一般情況下，懸移質(zhì)主要是和推移質(zhì)進(jìn)行交換，而不是直接和床沙進(jìn)行交換。

4) 從波浪水槽試驗(yàn)現(xiàn)象來(lái)看，在一定強(qiáng)度的波浪振蕩作用下，床面表層泥沙有輕微的蕩漾、蠕動(dòng)，但泥沙并無(wú)卷起現(xiàn)象；波高加大時(shí)，參與晃動(dòng)的泥沙增多，在床面薄弱的地方有小團(tuán)的泥沙卷起、懸揚(yáng)；當(dāng)波高增加到一定強(qiáng)度時(shí)，大量泥沙參與運(yùn)動(dòng)，在波浪的持續(xù)作用下，部分泥沙懸揚(yáng)至上部水體，水體逐漸變得渾濁。在相同動(dòng)力條件下，床面有的泥沙顆粒起動(dòng)并以推移質(zhì)形式輸移，而有的泥沙顆粒已達(dá)到揚(yáng)動(dòng)條件而懸浮。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 本次試驗(yàn)結(jié)果分析

圖4為試驗(yàn)過(guò)程中隨著波高變化，含沙量的變化過(guò)程(此處含沙量為距底5 cm處的值)。從圖中可以看出，在波浪作用下，近底的含沙量有一個(gè)突然增大的時(shí)刻，這個(gè)時(shí)刻代表床面泥沙達(dá)到起動(dòng)條件，泥沙起動(dòng)進(jìn)入水體。試驗(yàn)過(guò)程中波高逐次增加，在較小波高的波浪作用下，床面泥沙有少量起動(dòng)，近底含沙量略有增加。待波高增加到一定數(shù)值后，床面上較多或成群的泥沙開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，此次試驗(yàn)是以底沙大量起動(dòng)為判別標(biāo)準(zhǔn)。

圖4 含沙量變化過(guò)程Fig. 4 The change process of sediment concentration

波浪作用下泥沙起動(dòng)試驗(yàn)直接得到的參數(shù)是相應(yīng)水深的波周期及起動(dòng)波高，為了綜合表達(dá)波浪作用下泥沙的起動(dòng)特性，并更加便于實(shí)際應(yīng)用，將泥沙起動(dòng)條件進(jìn)一步整理為近底的起動(dòng)流速和起動(dòng)剪切力。

波浪作用下的床面最大剪切力一般可表示為

(1)

式中：u*為波浪摩阻速度；fw為波浪底摩阻系數(shù)；ρ為水體密度。Ubm為波浪水質(zhì)點(diǎn)近底最大速度，一般采用微幅波理論得到：

(2)

波浪底摩阻系數(shù)的確定，不同的流態(tài)計(jì)算方法不同。很多學(xué)者進(jìn)行了研究，得到了不同的經(jīng)驗(yàn)公式[15-16]。文中摩阻系數(shù)的確定采用Jonsson的研究成果。

層流：

(3)

光滑紊流：

(4)

粗糙紊流：

(5)

當(dāng)波浪邊界層位于過(guò)渡區(qū)時(shí)，以上公式無(wú)法計(jì)算摩阻系數(shù)。根據(jù)張慶河等[17]的研究成果，采用以下摩阻系數(shù)的表達(dá)式：

fw=f2[f1fwL+(1-f1)fws+(1-f2)fwR]

(6)

式中：fwL為層流邊界層條件下的摩阻系數(shù)；fws為光滑紊流邊界層的摩阻系數(shù)；fwR為粗糙紊流邊界層的摩阻系數(shù)；f1，f2為加權(quán)系數(shù)。其計(jì)算式：

其中，Re1=2.5×105；Re3=24.98(am/ks)1.15。

波浪起動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1，其中起動(dòng)波高是波高儀測(cè)量結(jié)果，流速Ubm是根據(jù)式(2)計(jì)算得到，摩阻流速根據(jù)式(1)計(jì)算得到，起動(dòng)切應(yīng)力根據(jù)式(1)計(jì)算得到。從表中可以看出，相同水深條件下，波浪周期越長(zhǎng)，泥沙的起動(dòng)波高越小；相同波浪周期條件下，水深越大，泥沙起動(dòng)波高越大；對(duì)于自然密實(shí)1天的長(zhǎng)江口現(xiàn)場(chǎng)泥沙(中值粒徑0.063 mm)，波浪作用下泥沙的起動(dòng)臨界剪切力平均約為0.325 N/m2。

表1 波浪作用下泥沙起動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果Tab. 1 Test results of sediment incipient motion under wave action

2.2 本次試驗(yàn)結(jié)果與已有成果對(duì)比分析

2.2.1 和已有公式計(jì)算結(jié)果比較

竇國(guó)仁等[3]根據(jù)泥沙顆粒的受力情況，導(dǎo)出了適用于粗、細(xì)顆粒泥沙的波浪作用下泥沙起動(dòng)的統(tǒng)一式(7)。

(7)

根據(jù)起動(dòng)波高計(jì)算式(7)，計(jì)算本文試驗(yàn)條件下的起動(dòng)結(jié)果見(jiàn)表2，其中系數(shù)a根據(jù)少量動(dòng)和普遍動(dòng)取值分別為0.051和0.079[3]。

表2 波浪作用下泥沙起動(dòng)計(jì)算結(jié)果Tab. 2 Calculated results of sediment incipient motion

泥沙的起動(dòng)判別標(biāo)準(zhǔn)分為少量動(dòng)、大量動(dòng)和普遍動(dòng)。當(dāng)床面上個(gè)別或少量泥沙來(lái)回晃動(dòng)時(shí)為少量動(dòng)；當(dāng)床面上較多或成群的泥沙開(kāi)始運(yùn)動(dòng)時(shí)為大量動(dòng)；當(dāng)床面上泥沙普遍發(fā)生運(yùn)動(dòng)且可以觀察到成層輸移時(shí)為普遍動(dòng)[9]。

對(duì)比泥沙起動(dòng)的計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果，試驗(yàn)起動(dòng)波高較少量動(dòng)計(jì)算的起動(dòng)波高大，較普遍動(dòng)計(jì)算的起動(dòng)波高小。本文的試驗(yàn)是以泥沙大量動(dòng)作為起動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)，起動(dòng)波高介于二者之間是合理的，試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果比較一致。

2.2.2 和已有試驗(yàn)成果比較

肖輝等[10]針對(duì)浙江蒼南電廠工程附近海域的泥沙，進(jìn)行了波浪作用下泥沙的起動(dòng)試驗(yàn)。試驗(yàn)?zāi)鄻又兄盗綖?.008 4 mm，黏土含量大于40%，屬于淤泥質(zhì)細(xì)粉砂，待試驗(yàn)?zāi)鄻幼匀幻軐?shí)1天后進(jìn)行起動(dòng)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。本文試驗(yàn)的泥沙中值粒徑為0.063 mm，較文獻(xiàn)[10]的粗；黏土含量約為10%，較文獻(xiàn)[10]黏土含量低。從本文和文獻(xiàn)[10]的波浪作用下泥沙起動(dòng)的試驗(yàn)結(jié)果看，本文的泥沙起動(dòng)剪切力較文獻(xiàn)[10]小，是因?yàn)楸疚牡哪嗌沉捷^粗，含泥量較低，較易于起動(dòng)。本文試驗(yàn)結(jié)果和文獻(xiàn)[10]比較一致。

表3 波浪作用下泥沙起動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果Tab. 3 Test results of sediment incipient motion under wave action

文獻(xiàn)[9]中也在波流水槽中開(kāi)展了波浪泥沙起動(dòng)試驗(yàn)，試驗(yàn)?zāi)嗌沉綖?.068 mm，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。文獻(xiàn)[9]的試驗(yàn)?zāi)嗌沉胶捅疚牡南喈?dāng)，含泥量未知，在水槽水深30.5 cm，周期2.0 s條件下，泥沙普遍動(dòng)的起動(dòng)波高為4.90 cm；本文試驗(yàn)中，水槽水深30 cm，周期2.0 s條件下，泥沙起動(dòng)波高為6.5 cm，與文獻(xiàn)[9]相比較大。因文獻(xiàn)[9]的試驗(yàn)?zāi)嗌澈嗔课粗?，相近的水深和波浪周期條件下，波浪作用下泥沙的起動(dòng)波高小于本次試驗(yàn)的起動(dòng)波高，總體二者結(jié)果比較一致。

表4 波浪泥沙起動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果Tab. 4 Test results of sediment incipient motion under wave action

3 結(jié) 語(yǔ)

采用長(zhǎng)江口北槽中下段灘面現(xiàn)場(chǎng)泥沙，在波浪長(zhǎng)直水槽中進(jìn)行了波浪作用下泥沙的起動(dòng)試驗(yàn)研究。針對(duì)密實(shí)1天的泥沙，分別進(jìn)行了不同水深、不同波周期的泥沙起動(dòng)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：相同水深條件下，波浪周期越大，泥沙的起動(dòng)波高越??；相同波浪周期條件下，水深越大，泥沙起動(dòng)波高越大；對(duì)于自然密實(shí)1天(24小時(shí))的長(zhǎng)江口現(xiàn)場(chǎng)泥沙(中值粒徑0.063 mm)，波浪作用下泥沙的起動(dòng)臨界剪切力平均約為0.325 N/m2。本次試驗(yàn)結(jié)果和已有的波浪泥沙起動(dòng)公式計(jì)算結(jié)果以及其他試驗(yàn)結(jié)果較為一致。