鄱陽湖黏性底質(zhì)淤泥固結(jié)起動規(guī)律試驗

周蘇芬,黃志文,王志超

(1.江西省水利科學(xué)院,江西 南昌 330029; 2.江西省鄱陽湖流域生態(tài)水利技術(shù)創(chuàng)新中心,江西 南昌 330029)

水動力作用下的細(xì)顆粒泥沙運(yùn)動是淤泥質(zhì)湖區(qū)湖灘淤積和地貌演變的主要因素。細(xì)顆粒泥沙極易形成絮團(tuán)或絮網(wǎng)結(jié)構(gòu),發(fā)生絮凝沉降現(xiàn)象,引起泥沙淤積,產(chǎn)生固結(jié)現(xiàn)象,從而加大細(xì)顆粒泥沙重新起動所需的流速。黏性細(xì)顆粒泥沙起動主要受到水流切應(yīng)力、上舉力、自身重力及顆粒之間黏結(jié)力的作用。水流作用力是黏性細(xì)顆粒泥沙起動的主要動力,自身重力及顆粒間的黏結(jié)力是黏性細(xì)顆粒泥沙起動的阻力,并隨著密實程度的逐漸增加,顆粒間的黏結(jié)力將成為影響泥沙起動的關(guān)鍵因素之一[1]。影響?zhàn)ば约?xì)顆粒泥沙起動的因素較多,Zreik等[2]發(fā)現(xiàn)黏性細(xì)顆粒泥沙在淤積固結(jié)條件下起動主要受淤積歷時、溫度、淤積環(huán)境、淤積層厚度的影響;盧佩霞等[3]認(rèn)為黏性沉積物表面侵蝕的臨界剪切應(yīng)力與團(tuán)粒粒徑及有效密度呈冪函數(shù)關(guān)系。目前黏性泥沙的起動流速研究成果多是基于實測資料得出的經(jīng)驗關(guān)系,如竇國仁等[4-6]建立了適用于細(xì)顆粒泥沙的起動流速公式;Righetti等[7]推導(dǎo)出考慮黏結(jié)作用的黏性希爾茲曲線描述黏性泥沙的起動;呂平等[8]通過試驗研究黃河花園口淤泥和長江細(xì)顆粒泥沙起動與干容重及黏性顆粒含量之間的關(guān)系,并率定了經(jīng)驗公式;辛殿文等[9]在進(jìn)行現(xiàn)場沙樣淤積起動流速試驗時發(fā)現(xiàn)試驗結(jié)果與現(xiàn)有經(jīng)驗公式計算結(jié)果存在一定的差距后,提出了相關(guān)泥沙起動流速的經(jīng)驗公式;馬菲等[10]從水動力和黏性泥沙的組成及結(jié)構(gòu)等方面分析了影響?zhàn)ば阅嗌称饎拥囊蛩?甘甜等[11]通過分析固結(jié)黏性泥沙起動時的受力,推導(dǎo)了黏性泥沙起動公式;趙萬杰[12]根據(jù)黏性泥沙的起動試驗,建立了與干密度、含水率、黏性顆粒含量相關(guān)的起動流速經(jīng)驗公式;李華勇等[13]提出一種有壓流下細(xì)顆粒泥沙起動時刻定量判別與起動流速測量的方法。從以上研究可以發(fā)現(xiàn),由于水環(huán)境及泥沙自身等條件的不同,不同地區(qū)的黏性細(xì)顆粒泥沙起動流速與經(jīng)驗公式計算結(jié)果均存在一定的差距。

近年來,隨著五河上游水庫建設(shè)(如峽江、浯溪口和山口巖等控制性水利樞紐工程)[14]以及鄱陽湖流域水土保持工作的持續(xù)開展,年均入湖徑流量[15]和泥沙總量有所減少,但細(xì)顆粒泥沙占比增大,而含有一定數(shù)量的細(xì)顆粒泥沙容易發(fā)生絮凝現(xiàn)象[16]。形成的絮團(tuán)落淤到湖底后,因為水深和固結(jié)程度等條件不同,細(xì)顆粒泥沙重新起動難易程度存在較大差異,可能造成研究者對河床演變的預(yù)測產(chǎn)生較大誤差。張琍等[17]研究表明,鄱陽湖中心湖區(qū)、入江水道等區(qū)域淤積泥沙較細(xì),以懸沙為主,這就為鄱陽湖泥沙絮凝沉降提供了有利條件。通過室內(nèi)泥沙靜水沉降試驗并微距拍攝可以發(fā)現(xiàn)細(xì)顆粒泥沙相互吸附成團(tuán)(圖1),形成不同形狀的半透明絮團(tuán)結(jié)構(gòu),說明鄱陽湖黏性細(xì)顆粒泥沙存在絮凝現(xiàn)象,測得其發(fā)生絮凝的臨界粒徑為0.027～0.029mm[18]。本文對鄱陽湖湖底黏性細(xì)顆粒泥沙起動流速進(jìn)行了研究,研究結(jié)果對于理解鄱陽湖湖區(qū)黏性底質(zhì)淤泥固結(jié)起動規(guī)律、合理預(yù)測湖床演變趨勢具有現(xiàn)實意義。

圖1 沉降筒微距拍攝泥沙絮凝現(xiàn)象

1 試驗簡介

1.1 試驗裝置

試驗在鄱陽湖模型試驗研究基地矩形自循環(huán)式玻璃水槽中進(jìn)行。水槽長度為40m,寬度為1m,高度為1m,如圖2所示。試驗通過高精度電磁流量計控制流量,下游尾門控制控制水深,采用LS-3C光電旋漿流速儀測量流速,溫度計測量水溫。由于黏性泥沙起動流速較大,為增加水槽中的水流流速,在水槽下游用磚和水泥對水槽進(jìn)行縮窄,縮窄段長度為6m,寬度為0.5m,在縮窄段預(yù)留放置沙樣盒凹槽,凹槽長、寬、高分別為0.3m、0.2m、0.05m,使得沙樣盒與水槽底部齊平。為了避免水槽縮窄導(dǎo)致試驗區(qū)域流態(tài)不穩(wěn),在縮窄段前后用圓弧形導(dǎo)墻銜接,并在觀測段前、后方分別預(yù)留4.50m、1.2m長的水流過渡段。

圖2 泥沙起動試驗系統(tǒng)示意圖

1.2 沙樣處理

2020年12月,在湖區(qū)6個典型測點(diǎn),從北向南依次為屏峰、星子、都昌、吳城、棠蔭、康山進(jìn)行床沙取樣,取樣地點(diǎn)主要位于河床的淺灘處,如圖3所示。河床淺灘處床沙相對較細(xì),主要是汛期水體中懸移質(zhì)泥沙淤積形成。利用雙氧水對所取沙樣進(jìn)行多次清洗去除有機(jī)質(zhì),采用BT-9300ST激光粒度儀對烘干后的沙樣進(jìn)行粒度分析,各取樣點(diǎn)泥沙級配曲線如圖4所示。從圖4可以看出各取樣點(diǎn)泥沙級配差異不大,中值粒徑為0.020～0.045mm。選取于康山所采沙樣進(jìn)行黏性底質(zhì)淤泥固結(jié)起動試驗,其中值粒徑為0.026mm,黏性細(xì)沙(d<0.05mm)占比為80%左右。試驗前將沙樣加適量水?dāng)嚢杈鶆?靜置1d后去除析出的清水,再次攪拌均勻裝入沙樣盒內(nèi)。將沙樣盒置于淹沒沙樣盒的大盆中進(jìn)行水下淤積固結(jié),分別淤積1d、5d、10d、15d、20d、30d、40d后,取出沙樣放入玻璃水槽進(jìn)行固結(jié)起動試驗,觀測沙樣在水深為10cm、15cm、20cm、25cm、30cm時的起動流速(表1)。

圖3 鄱陽湖湖區(qū)及泥沙采樣點(diǎn)示意圖

圖4 鄱陽湖沙樣級配曲線

表1 不同工況下底質(zhì)淤泥起動流速

1.3 起動標(biāo)準(zhǔn)判斷

泥沙起動標(biāo)準(zhǔn)的確定是影響試驗結(jié)果精度的關(guān)鍵之一。王軍等[19]將固結(jié)狀態(tài)下黏性泥沙起動狀態(tài)分為少量動和大量動兩種臨界起動標(biāo)準(zhǔn),本次試驗將少量動,即沙樣表面形態(tài)出現(xiàn)間隙性的可以感知的變化,如淤積物表面出現(xiàn)陣陣煙狀物,或局部凹坑等狀況定為泥沙起動。泥沙的起動條件一般用拖曳力、垂線平均流速或水流的功率指標(biāo)來表達(dá),本文選用沙樣盒中心垂線平均流速作為判別泥沙的臨界起動流速。

首先將淤泥沙樣盒放入水槽凹槽中,為防止未到試驗要求水深時泥沙起動,緩慢向槽內(nèi)充水至試驗水深;然后打開控制流量閥門,將初始流量控制在較小值,觀察淤泥狀態(tài);逐漸增加流量,并通過下游尾門控制水深將其保持在試驗要求范圍,直到淤泥表面出現(xiàn)煙狀物或局部凹坑,即判定為泥沙開始起動;待水深、流速穩(wěn)定后采用LS-3C光電旋漿流速儀測量沙樣盒中心垂線平均流速作為泥沙的起動流速并記錄;將尾門開度減小,逐漸抬高水槽內(nèi)水位達(dá)到下一要求水位;重復(fù)上述試驗步驟,直至該淤積歷時全部水深起動流速測量完成。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 淤積歷時對起動流速的影響

從淤積歷時與起動流速關(guān)系曲線(圖5(a))可以看出,隨著淤積歷時的延長,試驗沙樣起動流速呈增大趨勢。相同水深沙樣起動流速隨著淤積歷時的增加出現(xiàn)4個發(fā)展階段:1～5 d時沙樣起動流速隨著淤積歷時的增加快速增加,此時細(xì)顆粒泥沙占比較大,在落淤過程中發(fā)生絮凝沉降,形成絮團(tuán)或絮網(wǎng),相對于單顆粒泥沙起動來說,起動流速快速增加,此時湖底泥沙處于新落淤階段;5～10 d時絮團(tuán)或絮網(wǎng)間的空隙進(jìn)一步被細(xì)顆粒泥沙填滿,開始出現(xiàn)固結(jié)現(xiàn)象,但固結(jié)速度較慢,顆粒之間的黏結(jié)力增長較慢,所以此時起動流速增速放緩,湖底泥沙處于固結(jié)初期階段;10～15 d時起動流速增速重新加快,主要是因為隨著時間的延長,泥沙顆粒間的孔隙率進(jìn)一步降低,逐漸呈密實狀態(tài),湖底泥沙到達(dá)加速固結(jié)階段;但泥沙顆粒間的孔隙率不會隨著淤積歷時的增加無限降低,當(dāng)孔隙率達(dá)到上限值時,淤積歷時對起動流速的影響很小,因而15～40 d時起動流速增速又逐漸放緩,此時為固結(jié)穩(wěn)定階段。從上述發(fā)展?fàn)顩r可以推測:在固定水深條件下,隨著淤積歷時的不斷增加,其對黏性底質(zhì)淤泥起動流速的影響逐漸減弱,起動流速趨于穩(wěn)定。

圖5 淤積歷時和水深與起動流速關(guān)系

2.2 水深對起動流速的影響

從水深與泥沙起動流速曲線關(guān)系(圖5(b))可以看出,泥沙起動流速隨著水深增大而增大,呈正相關(guān)關(guān)系。淤積1d、水深10cm時起動流速為32.62cm/s;淤積40d、水深30cm時起動流速達(dá)104.63cm/s;當(dāng)淤積歷時在15d及以上時,起動流速隨著水深的增加而增加的速率基本相同。此外,圖5(b)表明淤積歷時相同時,泥沙起動流速與水深有較好的相關(guān)關(guān)系,對不同淤積歷時所測的起動流速值進(jìn)行擬合,結(jié)果見表2。公式擬合相關(guān)系數(shù)R2均大于0.95,擬合效果較好。

表2 試驗數(shù)據(jù)擬合關(guān)系式

2.3 試驗結(jié)果分析

我國老一代學(xué)者對于黏性泥沙起動規(guī)律開展了大量研究,并提出了黏性細(xì)顆粒泥沙起動流速經(jīng)驗公式。為進(jìn)一步分析鄱陽湖底質(zhì)淤泥起動規(guī)律,將本文試驗所得起動流速結(jié)果與竇國仁[4]、張瑞瑾[5]和沙玉清[6]起動流速公式計算結(jié)果進(jìn)行比較。

竇國仁[4]公式、張瑞瑾[5]公式和沙玉清[6]公式分別為

(1)

(2)

(3)

式中:uc為起動流速,m/s;ε為孔隙率,對一般穩(wěn)定淤泥取0.4;d為粒徑,mm;h為水深,m;m為泥沙起動狀態(tài)(個別動為0.265,少量動為0.320,大量動為0.408);Ks為河床粗糙度,對于平整床面,當(dāng)d≤0.5mm時,Ks=0.5mm,當(dāng)d>0.5mm時,Ks=d50;εk為黏結(jié)力系數(shù),取2.56cm3/s2;γs、γ分別為泥沙顆粒和水的容重,對于天然泥沙,一般取(γs-γ)/γ=1.65。根據(jù)交叉試驗絲試驗,δ=0.213×10-4cm。

對比結(jié)果見圖6。從圖6可以看出淤積1d的泥沙在不同水深下的起動流速與竇國仁[4]、張瑞瑾[5]及沙玉清[6]起動流速公式計算結(jié)果比較接近,最大絕對誤差在10cm/s以內(nèi)。淤積5～30d的泥沙起動流速均大于竇國仁[4]、張瑞瑾[5]及沙玉清[6]起動流速公式計算值,且沉降歷時越長,試驗值與計算值的差值越大。其中,與竇國仁[4]公式計算結(jié)果相差最大,相差最大值淤積5d為20.46cm/s,淤積10d為26.57cm/s,淤積20d為58.96cm/s,淤積30d為65.21cm/s,淤積40d為66.09cm/s。分析產(chǎn)生差別的主要原因,竇國仁[4]、張瑞瑾[5]及沙玉清[6]起動流速公式都是針對新淤黏性土,此時泥沙由于淤積歷時較短,泥沙的密實程度較低,顆粒間的黏結(jié)力不大,抗起動阻力較小,相對較容易起動。而隨著淤積歷時的增加,泥沙固結(jié)程度增加,細(xì)顆粒泥沙間的黏結(jié)力逐漸增大,泥沙起動所需的流速越大。

圖6 試驗結(jié)果與經(jīng)驗公式比較

從圖6可以看出,鄱陽湖黏性底質(zhì)淤泥固結(jié)起動規(guī)律與竇國仁[4]、張瑞瑾[5]和沙玉清[6]起動流速公式存在一定的差異。黏性淤泥不同淤積歷時起動流速不同主要是淤積過程中不斷密實而使得淤積物干容重產(chǎn)生變化,參照唐存本[20]黏性淤積物干容重大小對起動流速有重要影響的觀點(diǎn),建立鄱陽湖康山站黏性底質(zhì)淤泥固結(jié)起動流速公式:

(4)

式中:γt為淤積歷時t時淤積物干容重;γd為淤積穩(wěn)定后淤積物干容重;α、β、n為經(jīng)驗參數(shù)。

根據(jù)張耀哲等[21]的研究結(jié)論,黏性泥沙淤積過程中γt與γd的比值和t、淤積穩(wěn)定年限td、d及孔隙率ε0有關(guān),即:

(5)

式中φ為經(jīng)驗指數(shù)。ε0、φ取值見表3;康山站泥沙d=0.026mm,故ε0、n分別取0.6、1/4。

表3 ε0、φ取值

根據(jù)表2及試驗數(shù)據(jù),擬合康山站黏性淤泥起動流速公式為

(6)

當(dāng)t=1d時,β=0.25;1d

屏峰、星子、都昌、吳城、棠蔭、康山床沙采樣結(jié)果顯示,各取樣點(diǎn)泥沙級配差異不大,除都昌d=0.02mm,其余各測點(diǎn)d>0.025mm,式(5)中ε0、φ取值基本在0.025mm≤d≤0.05mm范圍,故式(6)對于鄱陽湖除都昌附近其他區(qū)域的底質(zhì)淤泥起動流速具有一定的適用性。

3 結(jié) 論

a.隨著淤積歷時的延長,由于黏性細(xì)顆粒泥沙淤積固結(jié)密實程度不同,起動流速的增長經(jīng)歷4個發(fā)展階段,即新落淤階段起動流速隨淤積歷時快速增大,固結(jié)初期階段起動流速增速放緩,加速固結(jié)階段起動流速增速進(jìn)一步加大,到固結(jié)穩(wěn)定階段后,起動流速增速放緩,并逐漸趨于穩(wěn)定。

b.鄱陽湖黏性底質(zhì)淤泥隨著所處水深的增大,重新起動的難度增加,起動流速增大。

c.試驗結(jié)果與竇國仁[4]、張瑞瑾[5]及沙玉清[6]起動流速公式相比,淤積1 d泥沙起動流速較接近,隨著淤積歷時的增加,試驗值與竇國仁[4]、張瑞瑾[5]及沙玉清[6]起動流速公式計算值相差越來越大。

d.根據(jù)試驗結(jié)果擬合了康山附近黏性淤泥起動流速公式,該公式對鄱陽湖其他區(qū)域黏性淤泥起動的判別也具有一定的適用性。