人工填筑黏性土起动冲刷特性试验

2012-07-16陈春柏

水利水电科技进展 2012年6期

张强，王寅，陈春柏

(1.南昌工程学院水利与生态工程学院，江西南昌 330099;2.江西省水文水资源与水环境重点实验室，江西南昌 330099)

关于泥沙的起动和冲刷，目前已有了很多研究成果，近年来也有不少学者开始研究黏性土的起动冲刷，但所涉及的研究对象多为黏性原状土或是水库、河床中淤积固结的黏性沙，对人工填筑黏性土的研究很少。人工填筑黏性土的起动与散粒体泥沙的起动有着明显的不同，对散粒体泥沙来说，其起动一般以单个颗粒散体形式为起动单元，而对于人工填筑黏性土来说，由于颗粒间的黏结力作用，其起动以成块或成团的形式进行。到目前为止，还没有提出比较统一的对起动和冲刷机理的科学解释，因此对人工填筑黏性土的起动冲刷研究具有十分重要的理论意义。

为了研究人工填筑黏性土起动冲刷特性，本文采用试验方法研究人工填筑黏性土的起动冲刷特性，并根据试验结果分析人工填筑黏性土起动切应力、冲刷率分别与各自影响因素之间的对应关系，得出了无量纲的起动切应力和冲刷率的计算式。

1 试验装置

以往对泥沙基本运动规律进行试验研究时，运用的试验装置主要是普通明渠水槽和环形水槽［1-2］。在一般普通明渠水槽中控制试验条件比较困难，而且普通明渠水槽流速不大，对起动切应力较大的人工填筑黏性土无法适用。试验采用封闭有机玻璃管道水槽作为人工填筑黏性土起动冲刷的试验装置，水槽断面为高3 cm、宽12 cm的矩形，长200 cm。试验时，试样放置在内径为7 cm的土样筒内，在土样筒的上下游各布置一个测压管，上下游测压管位置距土样筒中心距离均为60 cm。土样筒下方的顶土装置为一橡胶活塞，在试验过程中，采用手动升降螺杆来控制橡胶活塞以调整试样在土样筒内的高度。流量由电磁流量计测出，管道最大平均流速为3 m/s。试样装置见图1。

图1 封闭有机玻璃管道水槽示意图

2 起动切应力试验

试验选取的人工填筑黏性土为人工碾压土，土样为黄色，黏性颗粒(指粒径小于0.005 mm的颗粒)质量分数为15.32%，中值粒径为0.05 mm，不均匀系数为14.51，试验土样颗粒级配曲线见图2。试验中观察土样在水流作用下的起动，并测量其相应流量，利用河流动力学、土力学等基本理论和方法对试验结果进行分析、归纳和总结。

图2 试验土样颗粒级配曲线

将土适当晒干、碾碎后置于干净的容器中，加入适量水搅拌均匀，使土样处于完全饱和状态，静置一段时间之后用质量为32 kg的碾压滚筒进行分层均匀碾压，并用试样盒取样。采用烘干法测量土样干密度，利用顶土装置将装有试验土样的试样盒顶入土样筒。先把土样存放于土样筒中，开动水泵并调节阀门控制流量，待水流充满整个玻璃水槽且矩形管道中流态稳定后再将土样推上使其表面暴露于矩形有压流管道底面。缓慢调节阀门，使管道中流速缓慢增大，观察试验土样起动情况。当试验土样达到起动标准时，记下管道中流量，即可通过计算得出该土样的起动切应力。

人工碾压条件下，土体的起动切应力随着干密度的变化而变化。共完成10 组起动切应力试验，测得的数据为干密度、含水量、起动流速等，如表1 所示。

表1 起动切应力试验结果

到目前为止，建立的泥沙起动平衡条件主要有水平方向力的平衡、铅直方向力的平衡和力矩的平衡3 类，而力的平衡作为滑动平衡条件较合适，力矩的平衡作为滚动平衡条件较合适。土体微团的起动有与散体泥沙起动相类似的地方，故可以借鉴散体泥沙的起动平衡条件。临界起动切应力与干密度有关的经验公式［3-5］可表示为

式中:τc为土体起动切应力;ρd为土体的干密度;ε为系数，与黏结力系数、微团尺寸及阻力系数有关;n为指数。

式(1)中量纲不和谐，为了建立量纲和谐的计算公式，同时考虑散体泥沙起动拖曳力公式形式［3］和人工填筑黏性土起动主要影响因素，参照式(1)，提出以下计算公式:

式中:k为系数;ρ为清水密度;g为重力加速度;R为水力半径;m为指数。

对于计算公式中的系数和指数的求解，首先对公式(2)两边取对数，问题转化为对n个数据点的数据拟合，然后利用SPSS 统计分析软件求出回归系数，最终得到人工填筑黏性土起动切应力计算公式为

3 冲刷率试验

冲刷率试验仍然在原起动试验的水槽中进行，所采用的试验土样和起动切应力试验土样一致。本研究忽略水流中的挟沙量，只讨论清水时土体的冲刷率，重点分析冲刷率与水流指标、土体物理指标之间的关系。

将制备好的土样放入装置的土样筒中，利用顶土装置将其顶入。启动水泵，调节流量，观察土体表面的起动情况，待土体开始起动之后固定流量进行观察，土样随水流的冲刷逐渐崩溃降低，当土样表面与水槽底部高差超过3 mm 时，通过手动升降螺杆调整土样高度使其表面基本与水槽底部齐平，使土样筒所在断面流速不发生较大变化，确保试验精度。利用土样筒上的刻度读取土样冲刷高度Δh，并用秒表记录冲刷时间Δt。读取电磁流量计得到流量大小，除以矩形有压流水槽的横截面积即得流速，再根据有关公式即可算出水流切应力。

不同组次具有不同含水量的土样在不同流量条件下的冲刷率计算公式为

式中:E为冲刷率，m/s;Δh为冲刷高度，m;Δt为冲刷时间，s。

试验需测量的数据有含水量、干密度、流量、冲刷率，结果见表2。

表2 冲刷率试验结果

考虑到切应力是影响土体冲刷的主要因素，许多研究者都通过现场或室内试验来确定冲刷率与水流切应力及临界起动切应力的关系式［6-11］，这类公式形式为

式中:K为一个复杂的系数，表示土的抗冲性能;τ为水流切应力;τ0为发生冲刷时的床面切应力;p为指数。

式(5)将土的抗冲性能用一个复杂的系数来表示，未明确影响土的抗冲性能的主要参数。根据表2可知，随着土样的干密度逐渐增加，冲刷率迅速减小，因此在建立人工填筑黏性土冲刷率计算公式时必须考虑到干密度对冲刷率的影响。参照公式(5)，提出量纲和谐的计算公式:

式中:l为系数;q，s为指数。

利用SPSS 统计分析软件求出式(6)中的系数和指数，得到人工填筑黏性土冲刷率计算公式为)

4 人工填筑黏性土和自然淤积黏性泥沙起动冲刷对比分析

人工填筑黏性土和黏性泥沙起动冲刷有很大的差别，王军等［5，12］曾做过黏性泥沙的起动冲刷试验。图3为文献［5］试验采用的长江细颗粒泥沙沙样级配曲线，中值粒径为0.05 mm。

图3 长江细颗粒泥沙沙样级配曲线

表3为长江细颗粒泥沙淤积固结过程中起动切应力试验结果［5］和本文公式计算结果的比较。从表3可以看出，式(3)计算结果普遍比试验结果大，说明人工填筑黏性土的黏结力比淤积固结的黏性泥沙大得多，较难起动;随着干密度的增大，人工填筑黏性土和黏性泥沙的起动切应力都增大。

表3 黏性泥沙起动切应力试验结果和本文公式计算结果的比较

人工填筑黏性土和黏性泥沙冲刷有很大的差别。表4为长江细颗粒泥沙淤积固结过程中黏性泥沙冲刷率试验结果［5］和本文公式计算结果的比较。从表4可以看出，干密度对黏性泥沙冲刷率影响比较明显，在干密度一定的情况下，式(7)计算结果普遍比试验结果小，说明人工填筑黏性土较难冲刷，需要较大的水流切应力;随着干密度的增大，人工填筑黏性土和黏性泥沙的冲刷率都减小，两者规律一致，但式(7)在不同密度下的计算结果差别不是很明显。