浮泥特性及輸移規(guī)律綜述

劉 潔,周 鵬,孟彩俠

(1. 重慶交通大學 國家內河航道工程技術研究中心,重慶400074; 2. 重慶交通大學 河海學院,重慶 400074)

河流所攜帶的泥沙在水庫、河口、港池及海岸等地區(qū)落淤后,會與水流混合形成具有一定流動性的近底含沙懸浮體。20世紀50年代,C．C．INGLIS 等[1]在研究Thames河口的泥沙運動規(guī)律時,首次將近底高含沙水體稱為浮泥(fluid mud),此后該名詞逐漸為學界所接受,特指理化性質有別于一般低濃度含沙水體的近底細顆粒泥沙、有機物和水的混合體,是一種普遍存在于淤泥質沉積環(huán)境中的因懸沙落淤或土體液化起懸的中間產物[2]。

在我國,浮泥廣泛存在于海灣(如遼東灣、渤海灣)、河口(如長江口、珠江口)、港口(如天津港、連云港、上海港、廣州港等)及水庫(如小浪底水庫)中[3-4]。浮泥的存在給很多工程帶來了實際問題,一方面是港池、航道驟淤問題非常嚴重,鉗制了港口吞吐量增長,增加了港池航道疏浚維護成本;另一方面由于細顆粒泥沙能吸附污染物并能隨水流輸運,其排放會造成水環(huán)境的二次污染[5]。為解決浮泥在港池、航道的淤積問題,從20世紀50年代開始,一些學者便對浮泥成因、運動及監(jiān)測開展了研究,且取得了一定成果,指導了工程發(fā)展[6-11]。筆者基于國內外學者的研究成果,對浮泥形成機制及觀測方法,浮泥特性及輸移規(guī)律進行了分類和總結,為工程實踐提供理論依據。

1 浮泥形成及觀測

1.1 浮泥形成

根據學者們形成的共識可知[12-14]:豐富的細顆粒泥沙來源和多樣的外部水動力環(huán)境是形成浮泥的必要條件,根據浮泥形成過程不同可歸納為3種情況。第1種是在潮流、波浪及水流等動力產生的切應力大于細顆粒泥沙的臨界起動應力時,泥沙顆粒起動懸揚,并隨水流運移到航道或掩護區(qū)而落淤,黏性泥沙在沉降過程中,由于絮凝作用會逐漸形成絮團顆粒,當絮團顆粒濃度達到一定程度后會逐漸呈現(xiàn)蜂窩狀的高含沙絮團結構,并且與靠近河床底部的上層水體間出現(xiàn)清晰界面,當濃度繼續(xù)增大至流變特性發(fā)生改變時便形成了浮泥,如圖1;第2種是海床表層淤泥軟化后在水平方向發(fā)生流動后聚集在一起形成浮泥;第3種是具有一定坡度的海灘、航槽邊坡或峽谷坡面上的泥沙在大風浪等作用下起動后形成高含沙水體,在重力作用下向坡腳運移匯聚而形成浮泥。一般而言,淤泥質海岸和河口地區(qū)浮泥較為常見,因為這些地區(qū)泥沙粒徑小,泥沙容易懸浮和產生絮凝。李九發(fā)等[15]在研究長江河口浮泥形成機理及變化過程中指出:在長江口徑潮流相互作用下存在一個咸淡水混合過渡帶,此處大量泥沙匯聚,易促進細顆粒泥沙絮凝沉降,近河底常出現(xiàn)高濃度的浮泥層。

圖1 浮泥形成過程Fig. 1 Formation process of fluid mud

浮泥特性與其密度具有十分密切的關系,大多數(shù)學者[6,13,16-17]一般采用密度或含沙量來區(qū)分浮泥(國內多采用密度區(qū)分,國外多采用含沙量區(qū)分)。當浮泥流動性明顯消失時,流變性參數(shù)隨浮泥重度增大而明顯加大時的浮泥特性為浮泥上界;當含沙水體中泥沙在絮凝沉降過程中,底部泥漿與上部水體出現(xiàn)清晰界面,泥漿流型由牛頓體轉為賓漢流體時的浮泥特性為浮泥下界。以浮泥密度來定義浮泥界限時,浮泥密度基本介于1 020～1 300 kg/m3。黃勝等[17]認為:浮泥密度上限為1 250 kg/m3,下限為1 030 kg/m3;李九發(fā)等[18]測得長江口浮泥密度介于1 040～1 250 kg/m3;李昆鵬等[19]在研究小浪底水庫浮泥對后期異重流運行影響時,以1 250 kg/m3作為浮泥上限。

國外學者通常還采取另一種區(qū)分浮泥的方法,即以水體含沙量來定義浮泥界限。N．V．M．ODD等[8]認為:浮泥含沙濃度上限為1 200 kg/m3,下限為1 080 kg/m3;G．C．KINEKE等[20]將懸浮泥沙濃度400 kg/m3定義為浮泥層濃度上限,將10 kg/m3定義為浮泥層濃度下限;J．C.WINTERWERP等[21]將浮泥定義為含沙濃度在膠凝點以上,即介于10～100 kg/m3的黏性泥沙懸浮體。

1.2 浮泥觀測

國內外針對浮泥觀測已有較長歷史,且觀測方法較為多樣,依據觀測方法原理不同可分為4類[22]。第1類,以浮力原理進行某一重度的浮泥界面深度測量,如測深砣法。龐啟秀[13]以三爪砣測深垂線采集了大量浮泥樣本,確定了天津港適航淤泥重度為12.7 kN/m3。第2類,以射線穿透不同密度的物質衰減快慢不同原理來測量浮泥的密度值,如γ射線原理測量法。上海航道局自1976—2000年先后采用FE-101雙頻回聲探測儀、浮泥分層取樣器、高濃度γ射線測沙儀并結合CTD,發(fā)現(xiàn)長江口南槽有浮泥,而北槽未見浮泥[23]。第3類,以超聲波反射或散射的原理測量浮泥密度或含沙量,如超聲波原理測量法、音叉密度測量法。李九發(fā)等[18]在長江口利用Innerspace-449熱敏式雙頻道回聲探測儀測量了浮泥上下界面,并利用HSDM聲學高密度測沙儀測量了浮泥的密度值。第4類,基于超聲波、射線或浮力原理融合而形成的觀測系統(tǒng),如耦合測量法。許寶華等[24]采用SILAS走航式水底浮泥連續(xù)密度測量系統(tǒng),對象山港航道淤泥回淤厚度進行了觀測,其觀測結果有較高的精確度。A．S．OGSTON等[25]和R．P．HALE等[26]分別采用搭載光學后向散射傳感器OBS觀測系統(tǒng),在加利福尼亞北部陸架觀測到了浮泥層形成并以重力流形式向海運動的過程。近年來,也出現(xiàn)了新的浮泥觀測方法,如欒紅等[27]利用Iandsat8系列高分遙感衛(wèi)星資料對珠江口懸沙進行了四季遙感反演和分析,得到了珠江口海域懸浮泥沙各季節(jié)的典型分布特征。

上述技術具有不同的優(yōu)缺點:測深砣測量法費時費力,測量精度受人為操作影響大;γ射線測量法分辨率高且直觀,不易受到外界因素干擾,但測量時速度較超聲波測量慢;超聲波測量法易受到外界因素干擾,有時難以界定浮泥上下層界面及厚度;耦合測量法精度高,但操作困難。

1.3 浮泥厚度

浮泥沖淤受眾多因素影響,準確計算和預測深水浮泥淤積厚度仍有困難,但也有部分學者已從理論推導并結合實測資料擬合了浮泥厚度估算公式。白玉川等[28]基于波浪懸沙和挾沙機理,得到波浪作用下泥沙濃度分布函數(shù),并對河口海岸區(qū)域及航道驟淤進行了研究,給出了4種河口驟淤厚度計算方法。針對港池和航道沖淤強度計算問題,國內常采用基于平均概化角度對港池和航道回淤厚度進行計算[29]:

(1)

式中:p為在t時間內的淤積厚度;ωk為泥沙沉速;Sk為淺灘水域含沙量;γ0為淤積物干密度;K1、K2分別為經驗系數(shù),取K1=0.35,K2=0.13;H1、H2分別為開挖前后的平均水深;i為水流與航道軸交角。

丁濟森等[30]采用劉家駒公式[29]和羅肇森公式[7]對日照港原油碼頭港池和航道淤積厚度進行了預測,發(fā)現(xiàn)這兩種方法得到的平均淤積強度及總淤積量很接近。

W．H．MCANALLY 等[31]基于實驗數(shù)據進行擬合,提出了流體泥漿厚度隨時間變化的指數(shù)經驗計算式:

H=M[1-e-α1 β1 T]2.5

(2)

式中:H為浮泥層厚度;α1、β1分別為系數(shù),基于M(波浪振幅和河床固結程度)確定,分別取α1=0.021 6,β1=0.346;T為時間。

2 浮泥特性

2.1 固結特性

浮泥形成的初始階段,會發(fā)生受阻沉降,之后浮泥會逐漸聚合形成一個邊界層,這一過程被稱為初次固結;沉降過程中,沉降區(qū)上邊界層會隨時間推移而逐漸下降,直到與河床邊界相遇而停止。浮泥固結時間可以持續(xù)幾小時到幾年,固結速率由間隙水或孔隙水從基質中逸出速率控制,即使在脫水結束后,顆粒內部重排也可能造成二次固結[32]。此外,沉積的浮泥在相當長時間內可以抵抗侵蝕,這是因為很可能在流體狀態(tài)下的浮泥已經達到或接近“膠凝點”,即浮泥在靜止足夠長時間后,將逐漸形成由顆粒間接觸支撐,通過自重排出孔隙水,不斷強化固結強度,抵抗再懸浮等影響[33-34]。許寶華[35]進行了室內靜水條件下不同濃度浮泥的固結試驗,結果表明浮泥在靜水條件下固結均需要經歷均勻沉降、過度沉降、壓縮沉降等階段,在其他條件相同情況下,含沙量越高,均勻沉降所需的時間越長,過度沉降時間就越短。泥沙絮凝后在骨架尚未形成時,抗剪強度為零,在沉降階段,重度會迅速增加,當重度達到1.2 g/cm3左右,其增加速度趨緩,進入壓實固結階段。

2.2 流變特性

圖2 典型流變模型Fig. 2 Typical rheological model

近年來,生物對浮泥流變特性的影響也逐漸引起了學界注意。FANG Hongwei等[41]基于生物膜對流變性影響方面的考慮,測定比較了不同生長階段的無生物膜和有生物膜泥漿的流變性能,發(fā)現(xiàn)水生生物所分泌的生物膜能嵌入和滲透到絮凝沉積物空隙中,使得泥漿初期具有塑性流體的流變特征,且剪切速率與剪切應力成正比,當剪切速率超過規(guī)定值時,表面應力卻幾乎保持不變,當生物膜消失后,流變屈服應力會下降。

2.3 觸變性

浮泥除表現(xiàn)出剪切變稀或剪切增稠的現(xiàn)象之外,其流變特性還與時間效應相關,被稱為浮泥的觸變性[42]。對浮泥觸變性認識早期是通過絮凝沉降試驗而來。張軍[43]在研究黃河泥沙異重流的特性、運動及機制中,分析黏性泥沙絮凝成因時,認為當絮網隨著時間調整其結構形態(tài)階段,因流變性質也隨時間變化,懸浮體就成為了觸變體。E．KNAPPE等[44]研究天然沉積物流變性時發(fā)現(xiàn):半彈性沉積物具有觸變性行為,靜態(tài)屈服應力明顯大于動態(tài)屈服應力。動態(tài)屈服試驗結果表明:天然火山附近的海底泥漿在增加應變率與減小應變率部分之間有顯著差異,泥漿流變性與微觀結構具有時間依賴性,粒子濃度越高,這種滯后現(xiàn)象越明顯;靜態(tài)屈服試驗結果表明:泥漿最初為結構化,當克服表觀屈服應力后,沉積物會變得非結構化,并開始加速流動。K．DULLAERT等[45]在考慮剪切應力對絮凝顆粒聚集、破裂及布朗運動影響基礎上,提出了基于非彈性懸浮介質的觸變體系流動特征結構動力學模型,并通過一系列突然變化剪切速率引起的瞬態(tài)試驗進行評估,結果表明該模型能定量描述因剪切速率突然改變所引起的應力瞬變。FANG Hongwei等[41]在研究生物膜對流變性影響時,觀察到生物膜沉積物具有觸變性特征,且觸變性能反映出污泥在剪切作用下結構強度逐漸破壞的特征性,在剪切速率不變時,觸變性表現(xiàn)為剪切應力隨剪切時間增加而減小,直到剪切應力不變達到動態(tài)平衡狀態(tài)。

3 浮泥輸移

浮泥輸移主要受外部風浪、潮流和波浪等動力因素影響,因此目前對浮泥輸移的研究主要集中于外部動力條件下的垂直方向上的懸揚和傾斜方向上的重力流。

3.1 懸 揚

浮泥形成后與上層水體間存在一個清晰穩(wěn)定的界面,當水體流速增大到破壞水-泥界面穩(wěn)定時,浮泥層中大量泥沙會卷入水體中,這被稱為浮泥的懸揚。浮泥懸揚主要有兩種情況:① 在外部能量及波浪等動力條件輸入后,當水流產生剪切應力達到能足夠破壞浮泥與上層水體界面時,浮泥中的泥沙顆粒會以懸揚方式向上層水體輸移;② 紊流直接沖擊靜止懸浮層表面,在渦流擾動下顆粒沉積物從表面剝離,從而使高密度泥沙顆粒懸浮,并向上層水體輸送。因此,在明確浮泥懸揚的兩種情況后,多數(shù)學者對浮泥的臨界懸揚條件和懸揚率尤為關注,相關研究也主要是圍繞量化浮泥臨界懸揚條件和懸揚率展開。

3.1.1 臨界懸揚條件

第1類研究認為:浮泥為賓漢體,當水流剪切應力大于賓漢應力時,某一流速條件下浮泥泥面失穩(wěn)進入水體中,應以界面失穩(wěn)時的水流速度作為臨界懸揚流速,建立懸揚起動流速公式。曹祖德[46-47]研究發(fā)現(xiàn):在波浪作用下浮泥容重較小時,浮泥界面將隨表面波的震蕩面做相應起伏,只有當表面波出現(xiàn)破碎時,界面波才會發(fā)生局部破碎而引起浮泥中的泥沙懸浮;當浮泥容重較大,表面波發(fā)生作用時,浮泥松動,級配中細小的泥沙顆粒發(fā)生懸揚。根據試驗資料擬定了懸揚起動流速公式:

(3)

(4)

式中:u0為懸揚起動流速;Δρ為浮泥與水的密度差;ρ為水的密度;h為水深;v為水運動黏性系數(shù);vm為浮泥運動黏性系數(shù);μ0為浮泥和水的相對黏度;τB為賓漢切應力。

第2類研究主要是確定臨界懸揚流速與浮泥密度之間的關系。練繼建等[48]、范家驊[49]和XU Dong等[50]分別基于水槽試驗并結合量綱分析,提出了半經驗半理論的黏性泥沙臨界懸揚流速公式(表1)。

表1 臨界懸揚流速經驗公式

表1中:臨界懸揚流速Uc與浮泥密度ρm之間存在顯著的冪函數(shù)關系,且多采用分層流相對密度(ρm-ρ)/ρ關聯(lián)Uc,浮泥與水的密度差越大,Uc相應增大;黏滯性μ增大,Uc也相應增大[51],而水深h較ρm及μ對Uc影響相對較小。

第3類研究考慮了不同類型泥沙臨界懸揚切應力τc與ρm之間的關系,建立了以ρm或淤積物含沙量S為參數(shù)的起動判別式[13,52],其一般表達式為:

τc=E1SE2或τc=E3(ρm-ρ)E4

(5)

式中:E1、E2、E3、E4分別為經驗系數(shù),其具體參數(shù)見表2。

表2 臨界懸揚切應力經驗系數(shù)取值

這類公式考慮因素單一,臨界懸揚切應力隨浮泥密度增加呈現(xiàn)指數(shù)變化趨勢,能適用于較大范圍密度的黏性泥沙,見圖3。但這類公式并沒有考慮外部動力條件(如固結沉降、波浪紊流等因素)的影響,可能會導致與實測值有較大誤差。

圖3 浮泥密度與臨界懸揚切應力關系Fig. 3 Relationship between fluid mud density andcritical entrainment shear stress

楊美卿[53]在分析浮泥起動臨界狀態(tài)時,從細泥沙絮凝電化學理論出發(fā),分析了泥沙受力情況,并推導出了Shields參數(shù),含沙量與起動切應力之間的關系式為:

(6)

(7)

式中:θm為Shields參數(shù);d為顆粒粒徑;S為淤積物含沙量;Sm為淤泥沉積穩(wěn)定后的含沙量。

式(6)將有效重力項與顆粒黏著力項考慮在了起動切應力中,在一定程度上能綜合反映浮泥的淤積、固結、起動和再懸浮的影響過程,但忽略了浮泥自身的高流動性,因此并不完全適用于浮泥懸揚起動機理。

3.1.2 懸揚率

在考慮渦旋引起的剪切流而導致浮泥懸揚輸移時,常構建以浮泥界面的水深變化率(懸揚率)與平均剪切速度或界面摩阻流速之比的無量綱懸揚系數(shù)[32,37,54-55],其一般形式為:

(8)

式中:E*為懸揚系數(shù);Ue為懸揚率;U*為混合層平均流速或界面摩阻流速。

Δb1=g(ρ-ρ1)/ρ1

(9)

式中:ρ1為參考密度;h1為上層(低濃度)平均深度。

A．J．MEHTA等[55]從能量平衡角度出發(fā),考慮了浮泥紊動對懸揚率影響,并建立起浮泥紊動層能量平衡方程式:

(10)

進一步通過量綱分析法并略去鹽度擴散項后得到與體積理查森數(shù)(Rib)之間的關系:

(11)

(12)

式中:U為混合層平均流速;A、D分別為常數(shù),需要實驗確定(A．J．MEHTA等[54]通過擬合曲線測得A=0.005 2,D=0.000 016)。

M．BECKER等[57]研究了河口渾濁帶潮下沙丘中浮泥層的懸揚問題,觀測到威悉河口潮下沙丘存在主潮引起“卷吸”現(xiàn)象,進一步分析后發(fā)現(xiàn)“卷吸”與沙丘后的特定湍流場發(fā)展有關,與無強湍流場相比,強湍流場沙丘頂部的湍流應力會加速浮泥層沿泥躍層方向的輸移。為此其采用忽略黏性項的懸揚率公式來計算浮泥輸移:

(13)

式中:Ue為懸揚率;Rib為體積理查森數(shù);ρ2為泥躍層以上的密度;ρL為泥躍層以下的密度;h為水深。

J．C．WINTERWERP等[58]對英國Crouch河疏浚過程中浮泥的懸揚輸移過程進行數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn):模擬結果與實際觀測到的輸移擴散結果具有一致性,其懸揚模型為:

(14)

式中:Cs、Cσ分別為懸揚系數(shù),取Cs=0.25,Cσ=0.42;τB=0.2Pa;u*,m為水-泥界面剪切速率;u*,s為擾動項;u為上層水流速;um為流體泥漿層速度。

3.2 重力流

重力流是由泥沙或泥沙-水混合物在重力作用下沿傾斜坡面運動的流體,通常也被稱為密度流,其動力機制是在重力作用下因流體微小密度差而保持的運動[32]。在大陸架邊緣,存在劇烈的重力驅動流(如濁流)將沉積物輸送至深水中的現(xiàn)象,這個沉積物輸移過程會對河口演變、海岸形態(tài)塑造及航道淤積產生重要影響[59]。學界對浮泥重力流輸移機制十分關注,然而目前浮泥重力流的研究手段仍以建立理論模型和現(xiàn)場觀測為主。

3.2.1 理論研究

通過建立浮泥平衡坡度模型,探求坡度與浮泥厚度、臨界剪切應力之間的關系,揭示浮泥重力流輸移機制。唐磊等[60]在分析淤泥質海岸近岸緩坡形成原因時,認為浮泥不是牛頓體,在重力作用下表現(xiàn)為賓漢流體的特征(只有當浮泥層底部剪切應力達到或超過賓漢臨界剪切應力時,才會發(fā)生流動),從浮泥平衡坡度理論建立模型(圖4)為:

圖4 浮泥受力示意Fig. 4 Forces on fluid mud

(15)

式中:G′為有效重力;FB為底部剪切力;Pm為浮泥兩端壓力(浮泥厚度較小,假定兩端壓力相等);Pw為水壓力;N為上舉力。

將式(15)化為切應力形式,可得到浮泥坡度平衡理論模型:

τb=ρmHg′sinθ

(16)

式中:τb為浮泥底部剪切應力;H為浮泥層厚度;ρm為浮泥密度。

進一步可得平衡坡度理論計算式:

(17)

式中:θ為坡度。

洪柔佳等[61]采用賓漢臨界剪切應力τB=5.765×10-10e17.706ρm來檢驗了平衡坡度理論模型的準確性。

3.2.2 現(xiàn)場觀測

建立摩擦力與壓強梯度力的經驗關系式,解釋浮泥重力流運動現(xiàn)象。L．D．WRIGHT等[62]對黃河三角洲前緣懸沙擴散現(xiàn)場測量試驗表明:底泥主要以重力流的形式向渤海灣淺水區(qū)擴散,這些底泥呈羽狀沿三角洲前緣下降,用方程來描述羽狀重力流的力平衡如式(18):

(18)

張軍[43]研究黃河泥沙異重流形成機制時,忽略科氏力影響,得出了浮泥以異重流形式在斜坡上的摩擦與壓強梯度力的平衡關系為:

g″=g(ρd-ρt)/ρt

(19)

式(19)中:h″、β、ρd、g″這4個因素中任何一個改變都會對異重流產生影響,且泥沙濃度是產生異重流的直接因素。在異重流在運動過程中,泥水邊界之間存在的湍動混合現(xiàn)象會使泥水與水不斷交換,致使ρd、g″不斷改變。

P．TRAYKOVSKI等[63]對Eel河沉積物觀測時發(fā)現(xiàn):波浪引起重力驅動的流體泥漿在跨陸架輸移中占主導地位,且流體泥漿層似乎被表面重力波束縛,在底部區(qū)域形成較高濃度后會引發(fā)下坡流。建立了跨陸架邊界層底部摩擦與科氏加速度及壓力梯度間引起的剪應力的平衡式,如式(20):

(20)

式中:f為科里奧利頻率;Δv為邊界層內與邊界層上沿陸架的速度差;g′=gΔρ/ρ,Δρ為浮泥與清水密度差;β為斜坡坡度。

通過實測數(shù)據計算后,進一步發(fā)現(xiàn)泥漿濃度高于20 kg/m3,科氏力在式(20)中并不是主導因素,略去科氏力并沿垂向積分可得Chzey方程,如式(21):

Hg′sinβ=CdU′2

(21)

式中:H為浮泥層的厚度;Cd為阻力系數(shù)(Cd=0.000 8～0.005);U′為泥漿輸移速度。

YANG Xiaochen等[64]基于非結構化網格有限體積海岸-海洋模型,從流體泥漿與地層間的摩擦和剪力關系出發(fā),通過建立水-流體-泥漿耦合模型來模擬底層流體泥漿的輸移,其剪應力關系如下:

(22)

(23)

式中:ρm、ρ分別為浮泥和水的密度;fs、fm分別為水層、底層與流體泥漿的摩擦系數(shù);u、v分別為泥漿在上部水層x、y方向上的速度;τsx、τsy分別為水-泥漿界面在x、y方向上的剪應力;τbx、τby分別為泥床界面在x、y方向上的剪應力。

近年來,大型河流水庫群精細化調度正有序推進,而準確掌握水沙運動規(guī)律依舊是精確預測水庫淤積形態(tài)和庫容的基礎,是實現(xiàn)水庫群減淤優(yōu)化調度發(fā)揮水庫綜合效益的首要問題[4,65]。胡春宏[66]利用LISST在三峽庫區(qū)現(xiàn)場觀測到庫區(qū)河段普遍存在泥沙絮團;李文杰等[67]通過實測三峽庫區(qū)瞬時流速和含沙量,推算出泥沙實際沉速是單顆粒泥沙沉速的10倍,證明庫區(qū)存在浮泥特征的床面淤積物。水沙數(shù)值計算結果也表明不考慮水庫淤積物的浮泥特性是導致數(shù)值計算結果與實測淤積形態(tài)不吻合的關鍵[68]。假東東等[68-69]認為:三峽水庫近壩區(qū)泥沙顆粒較細,使得淤積物表現(xiàn)出一定的浮泥特性,引入臨界平衡坡度作為浮泥失穩(wěn)流動判別標準,對近壩區(qū)泥沙淤積形態(tài)進行模擬,計算結果符合庫區(qū)實測泥沙淤積形態(tài)特征,但未考慮浮泥流變特性;隨后考慮小浪底水庫浮泥賓漢體流變特性,將式(23)、式(24)應用于小浪底水庫淤積形態(tài)數(shù)值模擬中,對小浪底庫區(qū)床面淤積形態(tài)進行了分析,并與實際細顆粒泥沙輸移沖淤分布進行對比,表明了該剪應力模型也適用于描述水庫淤泥輸移,但研究中并未深入考慮黏性泥沙復雜理化性質和外部水動力荷載對浮泥流變特性的影響。

李昆鵬等[19]對小浪底水庫浮泥在后期異重流運行響應方面進行了研究,通過原型觀測數(shù)據,發(fā)現(xiàn)水庫中存在浮泥,且水庫中的不動浮泥層厚度在異重流發(fā)生后會顯著減少,間接說明了水庫浮泥輸移或能以異重流的形式進行。李濤等[70]在分析黃河水沙特性基礎上,對洪水異重流與浮泥作用水槽進行了試驗研究,表明水庫浮泥不僅會影響當次洪水泥沙輸運,也會對后續(xù)洪水異重流輸運有明顯影響;通過分析浮泥賓漢塑性體流變特性和異重流有效切應力,提出了浮泥運動判別數(shù),但該研究未考慮外部水動力條件和沉積環(huán)境對浮泥流變特性的影響。張俊華[4]對小浪底水庫輸沙規(guī)律進行了研究,指出在洪水能量不足,異重流繼續(xù)前進或異重流運行至壩前閘門未及時開啟時,就地停滯會產生浮泥層,其根據后續(xù)異重流和前期浮泥層之間是否有混摻而定義了侵入型和界面型流動,并給出了浮泥特征厚度,如式(24):

(24)

式中:I為水庫浮泥層流動判別數(shù);hm為水庫浮泥層厚度;J為渾液面比降;Si為異重流含沙量;C為經驗系數(shù),小浪底水庫C=1.84×10-21。

當I>1,浮泥層方可流動;I≤1,浮泥層停滯;當I=1時,可得到水庫浮泥層臨界特征厚度hmc。

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綜上,浮泥成為影響水庫淤積的主要因素之一,浮泥層對水庫淤積物分布形態(tài)和后續(xù)異重流輸沙具有明顯影響。目前,大型水庫浮泥問題雖已引起學者們重視,且研究成果對大型水庫浮泥運動特性給予了一定解釋,但尚缺乏針對浮泥層生成機制和運動規(guī)律的系統(tǒng)探究。

4 結 論

1)浮泥形成機制非常復雜,受泥沙粒徑、物理化學特性及外部水動力條件的影響。目前,浮泥觀測方法多樣,具有不同的優(yōu)缺點,由于深水航道和深水庫區(qū)浮泥監(jiān)測困難,缺乏現(xiàn)場持續(xù)監(jiān)測的數(shù)據,目前多數(shù)學者只能根據一些特定情形開展室內研究,因此仍需在掌握浮泥特性的基礎上,進一步開發(fā)精度更高的浮泥觀測方法。

2)浮泥具有固結、流變及觸變特性,而浮泥的流變、觸變特性不但與其力學特性有關,還取決于其微觀結構,因此對浮泥流變、觸變特性的研究可從浮泥內部結構和外部荷載及生物因素綜合考慮,構建宏觀流變特性與其微觀結構之間的關系。

3)目前對浮泥問題的研究集中在河口、海岸地區(qū),研究成果多為經驗公式和半理論半經驗公式,表達形式不一,難以普遍使用。此外,近年來研究發(fā)現(xiàn),浮泥也是影響水庫淤積形態(tài)和水庫排沙的主要因素之一,但是目前對水庫浮泥形成過程認識有限,亟需針對水庫浮泥層生成機制和運動規(guī)律的系統(tǒng)研究。