河口淤泥的起动及冲刷规律

田琦，白玉川

(天津大学 河流海岸泥沙研究室，天津 300072)

我国淤泥质海岸有广泛的分布，主要分布在辽东湾、渤海湾、莱州湾、苏北、长江口、浙闽港湾和珠江口外等岸线，其总长度在4 000 km以上，约占全国海岸线长度的1/4.我国属淤泥质河口的有长江口、黄河口和珠江口，基本包括了我国的所有大江大河口.淤泥质海岸在欧洲北海沿岸、法国西海岸、美国、南美洲、印度等均有广泛的分布.

浮泥是淤泥质海岸河口地区特有的一种泥沙运动形态，由于浮泥与航道港口淤积、海岸河口演变、航行水深利用等许多实际问题有关，因而引起了广大科技人员的重视，在淤泥物理特性［1-3］、起动冲刷［4-9］等方面开展了许多研究，并在实际应用中取得了一定的成果.

1 河口淤泥物理性质

表1 泥样中细颗粒含量Table 1 Fine particle concentration in soil samples

图1 泥样颗分曲线Fig.1 Particle size distributions of mud

分别对不同密度的泥样进行流变测试见表2、图2，从中可以看出:在变切变速率下，随泥样密度增大，剪应力增加，粘滞系数增大.对于同一密度的泥样，切变速率增大，剪应力增大，粘滞系数减小，符合宾汉流体.宾汉极限剪应力τB与密度ρ的关系符合指数分布(图3).粘滞系数η与密度的关系也符合指数分布(图4).

图2 淤泥剪应力与剪切速率的关系Fig.2 The relationship between shear stress and shear rate

图3 宾汉极限剪应力与密度的关系Fig.3 Relationship between Binham yield stress and density

图4 粘滞系数与密度的关系Fig.4 Relationship between viscosity and density

表2 流变参数Table 2 Rheological parameter

宾汉极限剪应力τB与密度ρ的关系可以用下式表示:

粘滞系数η与密度ρ的关系可以用下式表示:

2 水流作用下淤泥的起动与起悬特性

2.1 起动流速公式的建立

对于淤泥的起动，目前有3种:1)以单颗粒泥沙受力分析为出发点，考虑颗粒间粘结力，建立起来的临界起动切应力或流速公式，如武汉水利电力学院窦国仁及唐存本等建立的公式;2)认为粘性颗粒泥沙的临界起动切应力主要取决于泥沙的类型和密实程度，以此为出发点建立的以淤积物含沙量或者干容重为参数的起动判别式;3)把淤泥的临界起动与其本身的宾汉切应力联系起来建立起动判别式.本文中按照钱宁的观点，在处理方法上仍采用“单颗粒泥沙”模型，在试验判别时，以“少量起动”为泥沙起动试验的判别标准.

根据王尚毅希尔兹曲线处理泥沙起动问题的研究方法，建立塘沽淤泥起动模型.起动流速公式为

式中，uc为泥沙起动流速，hc为泥沙起动时的水深，γw=0.01 cm2/s，u*为起动摩阻流速.

2.2 试验设备

试验在天津大学泥沙试验室进行，试验水槽尺寸为6 m×0.35 m×0.25 m，水槽底部有一段1 m×0.35 m×0.05 m的凹槽，用于放置淤泥.试验水槽为自循环式，水的流动则由一个无极变速的电动水泵控制.用声学多普勒流速仪(ADV)测量瞬时流速，在测量断面上每隔1 cm为一个测点，测量水流断面流速分布.试验装置见图5，试验数据通过数据采集系统处理.

图5 试验装置Fig.5 Schematic diagram of experimental apparatus

2.3 试验方法和现象

在凹槽段铺满淤泥，保持泥面水平并与凹槽墙等高，避免因水流断面变化而引起水流性质的变化，从而影响试验结果.然后向槽中充水，实验水深为15 cm，泥样密度1.15～1.53 g/cm3，在入水口处加栅板，使水流在床面上呈现均匀紊流的性质，启动水泵，调节流速逐渐变大，观察实验现象.

作者简介：罗艳荣，女，四川省遂宁市人，成都医学院，讲师，硕士研究生，研究方向：高校学生思想政治研究和学生管理。

当流速较小时，泥液面保持静止，泥液和清水之间具有一清晰的交界面，交界面光滑平直.此时水流作用力没有克服宾汉极限剪切力，淤泥不起动，随着水流流速的加大，泥面开始发生变化.首先由于水流的加大，淤泥整体所受剪切力变大，泥面随水流发生错动.接着泥面上一层很薄的稀释层发生悬扬，试验中此种现象很容易使人产生错觉，以为淤泥已经发生起动，实际上，此时淤泥尚处于“将动未动”阶段，床面上遗留的小颗粒受到水流扫荡，并在床面上滚动，而淤泥仍处于稳定状态.随着流速的进一步增大，水流紊动作用不断加强，泥面上凹出颗粒已被扫荡干净，床面局部地方不时有小块淤泥被冲起，淤泥呈散粒状在床面上滚，并摩擦床面而使其他地方的泥面受到破坏，此时床面产生缕状悬沙“烟雾”进入水体，流速即为悬扬起动流速.此时可观察到泥面由于受紊动力的作用，在其表面产生鱼鳞状的泥纹，床面布满了很浅的、指甲大小的泥坑.

2.4 试验结果分析

表3 不同密度下的淤泥起动Table 3 Incipient motion of mud under different densities

表4 不同水深条件下的淤泥起动Table 4 Incipient motion of mud under different depth

图6 试验研究范围Fig.6 The range of research

图7 不同密度下淤泥的起动流速分布Fig.7 Incipient velocity of mud under different densities

图8 不同水深条件下的淤泥起动Fig.8 Incipient velocity of mud under different depths

本文验证范围为图6中阴影区域.

图9 试验数据点在希尔兹曲线上的分布Fig.9 The data distribution in Shiled＇s curve

图10 底泥起动时不同水深处垂向流速的概率密度分布Fig.10 Probability density distribution of vertical velocity at different depths from the bottom

从物理意义上说，相关函数定性的反映了湍流的涡体尺度.因为湍流是由各种不同尺度的涡体运动所组成，在流场中同一点不同时间量测湍流强度，显然大涡体通过测点的相关时间长，小涡体的时间短，从空间影响范围讲，大涡体的影响范围大，小涡体的影响范围小，因而其相关值也不同，但任何涡体的影响范围都是有限的，因而其相关值也有限，在0～1之间变化，超过此范围，两点之间的湍流速度无关.从图11中可以看出，水流底部的自相关系数最小，越往上自相关系数越大，说明水流底部的脉动最为强烈.

图11 底泥起动时不同水深处自相关系数的变化曲线Fig.11 The correlation coefficient at different depths from the bottom

3 水流作用下淤泥的冲刷试验

3.1 冲刷公式的建立

许多学者对淤积固结条件下粘性细泥沙起动冲刷进行了理论及试验研究，积累了大量的数据和资料［11-12］.

本文建立冲刷率(E=d m/d t)公式为

式中:d m/d t为冲刷率，kg·m－2·s－1;me为冲刷常数，通过实验数据计算可以得到冲刷系数me= 0.068 6 kg·N－1·s－1.

3.2 试验现象及结果

对于密度为1.25 g/cm3的泥样，在水深15 cm的条件下，加大流速使其超过该密度对应的起动流速值，使淤泥进入冲刷阶段，这时床面切应力大于临界起动切应力，可以清楚看到淤泥被成层、成片掀起，水流很快变浑浊.停止试验并放水后，可看到床面淤泥呈高低不平的条沟形状.表5列出了不同水流条件下的冲刷切应力的值，分别计算出相对应的冲刷率值.从图12中可以看出，冲刷率与冲刷切应力成正比.

表5 不同水流条件下的冲刷Table 5 Erosion of different flow conditions

图12 冲刷率与剪切力的关系Fig.12 Relationship between Erosion rate and shear stress

4 结论

淤泥质河口海岸在我国具有广泛分布，研究淤泥的运动规律十分必要.本文以天津塘沽地区淤泥为研究对象，采用理论分析与水槽试验方法，对河口地区淤泥特性和运动规律进行了研究，有如下主要结论:

1)在淤泥的流变特性方面研究发现:在变切变速率下，随泥样密度增大，剪应力增加，粘滞系数增大.宾汉极限剪应力与密度关系符合指数分布、粘滞系数与密度关系符合指数分布.

2)淤泥的起动符合希尔兹曲线，随淤泥密度增大，起动流速相应加大.随着水深不断减小，底泥起动流速逐渐增大.越靠近底部，湍动强度越大.

3)计算了不同水流条件下底泥的冲刷率，得出冲刷率与冲刷切应力成正比并通过实验数据计算得到冲刷系数.

当前，我国港口航道建设蓬勃发展，河口海岸地区的泥沙问题是工程人员极为关注的.本文开展的淤泥运动实验和理论研究是一项基础研究，对促进港口航道工程建设中灾害防治和预测，以及海岸带资源的开发、利用研究具有较重要的理论意义和参考价值.需要指出的是，本文的实验是针对特定地区(天津塘沽)的泥样展开的实验室分析，后续工作中，结合多个地区淤泥综合实验，比对河口海岸地区实测资料，从而验证实验结果并提高结论的适应性将是进一步努力的方向.

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