晋江围海工程黏性原状土冲刷率试验研究

吴月勇，陈国平，严士常，周 雅，钟雄华

（河海大学港口海岸及近海工程学院海岸灾害与防护教育部重点实验室，南京210098）

晋江围海工程黏性原状土冲刷率试验研究

吴月勇，陈国平，严士常，周 雅，钟雄华

（河海大学港口海岸及近海工程学院海岸灾害与防护教育部重点实验室，南京210098）

通过物理模型试验，对福建晋江围海工程的6组粉沙、8组细沙、7组中粗沙原状土样进行冲刷率试验。根据实测的冲刷率和床面切应力来分析原状泥沙的冲刷率表达式。考虑中值粒径对冲刷率表达式的影响，分别得出了粉沙、细沙、中粗沙的冲刷率表达式中的能量指数和冲刷系数。结果表明：粉沙、细沙、中粗沙的冲刷率分别与相对剩余切应力的0.5次方、1次方、1.25次方成正比，且随着粒径的增大，冲刷系数逐渐减小，中粗沙的冲刷系数仅为粉沙的十分之一。此外，粒径较小的粉沙和细沙的冲刷系数有随土样黏性颗粒含量的增加而成非线性减小的趋势，黏性颗粒含量较小的中粗沙的冲刷系数则随着黏性颗粒含量的增加无明显关系。

黏性原状土；中值粒径；冲刷率；冲刷系数；黏性颗粒

多年来国内外学者对原状泥沙冲刷特性做了很多研究，现在普遍认为泥沙的冲刷性质由泥沙自身的条件及水流条件有关，Partheniades［1］、雷文韬［2］等认为泥沙冲刷率与相对剩余切应力呈指数关系，但是对于指数的取值与冲刷系数的确定还存在着不少争议。蒋磊［3］、李华国［4］、孙志林［5］、王军［6］、时连强［7］等做了原状土的冲刷性质研究，但是他们试验所用的土样粒径范围变化较小，仅为粉沙试样，无法分析冲刷率表达式各项随粒径大小的关系；此外，洪大林［8］、田琦［9］、曹叔尤［10］等认为冲刷率与相对剩余切应力成线性关系且并未分析土中黏性颗粒含量的多少对冲刷系数的影响。本文基于前人结论，对福建晋江围海工程取样点的21个黏性原状土试验土样进行冲刷率物理模型试验，按土样类别总结了黏性非均匀原状土的冲刷率表达式并分析了黏土含量的多少对各类泥沙冲刷系数的影响。

1 试验装置与土样

1.1 试验装置

针对黏性原状土的起动流速大的特点，试验采用封闭有压的有机玻璃水槽，其系统由几部分组成，具体见图1。方形有机玻璃水槽长200 cm，试样放置在圆形土样筒内，在土样筒的上下游各布置一个测压管，上下游测压管间距为130 cm，上游测压管位置距土样筒的中心距离为90 cm，下游测压管位置距土样筒的中心距离为40 cm。土样由土样筒下方的升降装置控制其升降速度，水槽的最大流量可达30 L/s，矩形水槽有效段的最大流速可达6.67 m/s，其流量由直读式电磁流量计直接读出。

图1实验装置Fig.1 Experimental device

1.2 试验土样

试验泥沙取自晋江滨海新区填海造地工程外护岸和堤头，原状土样采取严格按《水运工程岩土勘察规范》要求执行，分层采取以保证土样不扰动，满足试验项目和试验方法的需要。共计21个试样，试样中值粒径从10.8～804 μm不等，按中值粒径大小将土样分为粉沙、细沙、中粗沙三类。21个土样都含有不同含量的黏性颗粒（粒径小于0.005 mm的颗粒）。就土样中值粒径分类而言，粉沙含有的黏性颗粒含量最多，范围为（8%～25%）；细沙含有的黏性颗粒含量其次，范围为（7.5%～18%）；中粗沙含有的黏性颗粒含量最少，范围为（0.5%～9.2%）。图2～图4分别为粉沙、细沙、中粗沙的典型沙样粒径分布图。

图2 粉沙的典型沙样粒径分布Fig.2 Typical grain size distribution of silt

图3 细沙的典型沙样粒径分布Fig.3 Typical grain size distribution of fine sand

图4 中粗沙的典型沙样粒径分布Fig.4 Typical grain size distribution of medium coarse sand

2 起动切应力与冲刷率试验

2.1 起动、冲刷条件的界定

将“芯样表面出现许多小的局部破坏或撕裂并伴随少量冲刷发生”，定义为“临界起动”。对每个芯样进行临界起动切应力、冲刷率试验，由于冲刷率表达式对泥沙的起动切应力的大小十分敏感，因此对每个试样都经过反复试验以确定临界起动切应力，确保试验精度。

在水槽底部安装土样升降装置，在试验过程中，当土样随水流的冲刷逐渐崩溃降低时，适时调整土样高度使其表面与水槽底部齐平。试验时，根据土样开始冲刷时的流量大小，选择合适的冲刷高度Δh，分别有3 mm，5 mm，6 mm，10 mm；当土样表面基本与水槽底部平齐时，控制升降装置上顶的行程及时间，例如“5 mm，200 s”，同时观察土样上表面在当时的流速下是否有明显高出水槽底部，若土样在该时间段内始终与水槽底部保持平齐，则说明冲刷速率和岩芯上移速率平衡，则该岩芯上移速度即为冲刷速率。每个土样从开始冲刷开始逐渐调大流量，得到相应的冲刷速率，每个土样按流量大小进行3～5组冲刷速率试验。

2.2 起动切应力与冲刷率计算方法

（1）调节流量和水头直到泥沙开始起动，床面切应力τ与摩阻流速的关系

式中：τ为床面切应力，N/m2；U*为摩阻流速，m/s；γ为水的重度，等于1×104N·m-3；p1-p2为上下游测压管压力差；R为水力半径，m；Δz为上下游测压管水头差，m；l为两测压管间距，m；J为水力坡度。

（2）试验中，根据土样冲刷高度Δh（mm）及冲刷历时Δt（s），测得的冲刷率与单位时间冲刷高度关系如下

式中：E为原状土冲刷率，kg·m-2·s-1；ρs为沉积密度，g·cm-3。

参考前人研究成果，拟定公式基本结构为式（3）

将式（3）改写为对数形式得到式（4）、式（5）。

式中：M为冲刷系数，kg·m-2s-1，其是一个反应土抗冲刷性能的一个重要指标，其值越小代表土越难被冲刷；τb为床面切应力；τc为床面临界起动切应力，（-1）为无量纲的相对剩余切应力；n为能量指数。

3 实验结果

将21组土样按中值粒径大小分类，进行起动和冲刷率试验，表1～表3为试验实测的原状土样的起动、冲刷率的数据结果。值得注意的是表1～表3中所指的起动切应力τc特指土样起动时的临界床面切应力；在每组土样完全起动后，通过逐级增加流量的方法，根据土样情况进行3～5组不等的冲刷率试验，根据式（1）计算得到对应的床面切应力。21个土样的起动冲刷结果见表1～表3。

可以发现，土样的起动切应力与中值粒径d50没有明显的关系，原因应该是由于黏性原状土的启动现象以微团为单位，并不是以颗粒起动为特征，再加上原状土的不均匀性，使得中值粒径相差无几的土样起动切应力相差较大，这一点洪大林［8］等的原状土试验也有类似的结论。此外，尽管中值粒径相近土样的起动切应力相差较大，但是相应的使土样达到冲刷条件的床面切应力也较大，因此式（3）～式（5）用基本上可以消除起动切应力差异性的影响。

表1 粉沙冲刷率试验结果Tab.1 Test results of silt scour rate

表2 细沙冲刷率试验结果Tab.2 Test results of fine sand scour rate

4 冲刷率试验结果分析

4.1 冲刷率表达式参数的确定

将实验所得的各个土样的冲刷率、相对剩余切应力按式（5）进行线性拟合，结果如图5～图7所示，横坐标为相对剩余切应力的自然对数形式，纵坐标为冲刷率的自然对数形式；斜率表示指数能量指数n，e的截距次幂为土样按类别的综合冲刷系数M。图5～图7的相关系数都达到了60%及以上，拟合性较好。由图5可知其斜率近似等于0.5，冲刷系数为3.34×10-2kg·m2·s-1，表明粉沙冲刷率与相对剩余切应力的0.5次方成正比，即与流速的一次方成正比。图6表示细沙冲刷率与相对剩余切应力关系，其斜率近似等于1，冲刷系数为8.4×10-3kg·m-2·s-1，表明细沙冲刷率与相对剩余切应力的1次方成正比，即与流速的平方成正比。图7表示中粗沙冲刷率与相对剩余切应力的关系，其斜率为1.25，冲刷系数为2.6×10-3kg·m2·s-1，表明粉沙冲刷率与相对剩余切应力的1.25次方成正比，即与流速的2.5次方成正比。显而易见随着泥沙中值粒径的增大，黏性原状土的能量指数n增大，冲刷系数减小，其中粉沙的冲刷系数较中粗沙冲刷系数大一个数量级，由此可见粒径越大土样越难被冲刷，这是符合一般客观事实的。

表3 中粗沙冲刷率试验结果Tab.3 Test results of medium coarse sand scour rate

综上，根据冲刷率试验得出的冲刷率表达式为，当（τb＞τc）时有

由上述三式可知冲刷率表达式中的能量指数n和泥沙的中值粒径有关，它随着泥沙粒径的增大而增大，粉沙土样能量指数n约为0.5，细沙土样能量指数n约为1，中粗沙沙土样能量指数n约为1.25。此外，由于本实验所用的土样并非黏性颗粒含量较大的淤泥土样，故中值粒径的大小对原状土抗冲刷性影响较大，冲刷系数随着泥沙粒径的增大而减小，表明在粒径在10.8～804 μm的黏性原状土样的抗冲刷能力随着粒径增大逐渐增强。

图5 粉沙冲刷率与相对剩余切应力的关系Fig.5 Relation between scour rate and relatively residual shear stress for silt

图6 细沙冲刷率与相对剩余切应力的关系Fig.6 Relation between scour rate and relatively residual shear stress for fine sand

图7 中粗沙冲刷率与相对剩余切应力的关系Fig.7 Relation between scour rate and relatively residual shear stress for medium coarse sand

图8 粉沙冲刷系数与黏土含量关系Fig.8 Relation between scour coefficient and clay content for silt

图9 细沙冲刷系数随黏土含量关系Fig.9 Relation between scour coefficient and clay content for fine sand

图10 中粗沙冲刷系数与黏土含量的关系Fig.10 Relation between scour coefficient and clay content for medium coarse sand

4.2 黏性颗粒含量对冲刷系数的影响

众多学者的著作中都研究过淤泥中黏性细颗粒含量的多少对泥沙起动、冲刷的影响，现在普遍认为黏性含量越高，泥沙越难被冲刷，但他们试验采用的土样多为黏性颗粒含量较高的淤泥、粉沙。本次试验重点考虑黏性颗粒含量不大的粉沙、细沙、中粗沙原状土中冲刷系数随黏性颗粒含量大小的变化。

由图8、图9可知粒径较小的粉沙和细沙的粘性原状土的冲刷系数随黏性颗粒含量的增加有呈非线性降低的趋势。这表明细颗粒粉沙和细沙的黏土含量对其抗冲刷性能有重要影响，黏性土含量越高，土样越难被冲刷，这点性质与淤泥的性质相似，蒋磊［3］也曾得出类似的结论，所不同的是蒋磊所用土样仅为粉沙，且其认为冲刷系数随黏性颗粒含量的增加成线性变化。

由图10可知中粗沙黏性原状土的冲刷系数则随黏土含量的增加无明显规律，由于试验泥沙的黏性颗粒含量皆小于10%，因此可以认为中粗沙由于粒径较大，在黏性土含量小于10%时，黏性颗粒含量的多少对中粗沙的抗冲刷性能无明显关系，这是由于中粗沙颗粒的重力作用此时较大，土样的抗冲刷性能受黏性颗粒的粘结作用与中粗沙颗粒的重力作用共同作用。因此，试图建立黏性颗粒含量与冲刷系数的关系是不现实的。

5 结论

试验选用的黏性原状土中值粒径范围较广，从10.5～804 μm，按照中值粒径从小到大将土样分为6个粉沙、8个细沙、7个中粗沙，且都含有一定量的黏性颗粒，经过试验分析得到了如下结论：

（1）粉沙的冲刷率与相对剩余切应力的0.5次方成正比，细沙冲刷率与相对剩余切应力成线性关系，中粗沙冲刷率与相对剩余切应力的1.25次方成正比。

（2）试验得出粉沙的冲刷系数为3.34×10-2kg·m-2·s-1，细沙的冲刷系数为8.4×10-3kg·m-2·s-1，中粗沙冲刷系数为2.6×10-3kg·m-2·s-1。说明冲刷系数与土样的粒径有关，粒径越大，冲刷系数越小，且中粗沙冲刷系数与粉沙相差一个数量级，表明中粗沙比粉沙的抗冲刷性强得多。

（3）同一种土样的冲刷系数并非一成不变的，试验发现粉沙、细沙土样中冲刷系数有随着黏性颗粒的增加而非线性减小的趋势。

（4）对于黏性颗粒含量较小的中粗沙而言（黏性颗粒含量＜10%），冲刷系数的大小与黏性颗粒的含量则无明显关系，土样的抗冲刷性能受黏性颗粒的粘结作用与中粗沙颗粒的重力作用共同作用。

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［2］雷文韬，夏军强，谈广鸣.黏性泥沙冲刷源项公式的改进［J］.泥沙研究，2013（5）：35-40．LEI W T，XIA J Q，TAN G M.Refining calculation of erosion source term of cohesive sediment［J］.Journal of Sediment Re⁃search，2013（5）：35-40．

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［5］孙志林，张翀超，黄赛花，等.黏性非均匀沙的冲刷［J］.泥沙研究，2011（3）：44-48．SUN Z L，ZHANG C C，HUANG S H，et al.Scour of cohesive nonuniform sediment［J］.Journal of Sediment Research，2011 （3）：44-48．

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［9］田琦，白玉川.河口淤泥的起动及冲刷规律［J］.哈尔滨工程大学学报，2011，32（3）：276-281．TIAN Q，BAI Y C.Research on the properties and motion of mud in an estuary［J］.Journal of Harbin Engineering University，2011，32（3）：276-281．

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Scour rate experimental research on cohesive undisturbed soil from the reclamation project in Jinjiang

WU Yue⁃yong,CHEN Guo⁃ping,YAN Shi⁃chang,ZHOU Ya,ZHONG Xiong⁃hua
（Key Laboratory of Coastal Disaster and Defence Ministry of Education,College of Harbor,Coastal and Offshore Engineering,Hohai University,Nanjing 210098,China）

Based on physical model test,six groups samples of silt,eight groups samples of fine sand and seven groups samples of medium coarse sand from the reclamation project in Jinjiang,Fujian were tested for the scour rate.The scour rate formula of cohesive undisturbed soil was analyzed according to the measured scour rate and bed shear stress.The impact of median diameter on the value of the scour rate formula was considered,the energy index and scour coefficient of scour rate formula for the silt,fine sand,medium coarse sand were obtained separately.The text result shows that for those silt,the scour rate and the relative residual shear stress is proportional to the 0.5, there is a linear relationship between scour rate and the relatively residual shear stress for fine sand,besides,the scour rate and relatively surplus shear stress of medium coarse sand is proportional to the 1.25.And the scour coeffi⁃cient has a tendency to decrease with the increasing of median diameter,the scour coefficient of medium coarse sand only one⁃tenth of the silt.In addition,the scour coefficient of silt and fine sand have a non⁃linear tendency to decrease with the increasing of clay content,however,the scour coefficient of the medium coarse sand which have smaller particle clay content has no significant relationship with the increasing of clay particles.

cohesive undisturbed soil;median diameter;scour rate;scour coefficient;clay particles

TU 411

A

1005-8443（2016）06-0635-06

2016-06-27；

2016-08-26

吴月勇（1992-），男，江苏省南京人，硕士研究生，主要从事波浪与建筑相互作用研究。

Biography：WU Yue⁃yong（1992-），male，master student.