波浪作用下细颗粒泥沙起动试验研究

孔令双，徐 斌，陆 佳，贾 晓

(1. 上海河口海岸科学研究中心，上海 201201; 2. 上海河口海岸工程勘测设计有限公司，上海 201201)

长江口北槽中下段床面泥沙以粉砂和极细砂为主。2014年北槽河床质采样分析结果表明[1]，北槽中下段南侧边滩床沙以砂为主，砂的含量≥50%，粉砂的含量为10%～40%，黏土的含量≤10%；北侧边滩床沙的粉砂含量为50%～70%，砂的含量≤20%，黏土含量为10%～30%。北槽中下段滩面平均中值粒径在0.035～0.070 mm之间(不同季节)，此种泥沙在波浪作用下极易起动。长江口7月～9月是大风/台风的多发季节，占全年的80%左右。台风浪的能量大，水下滩面细颗粒泥沙被风浪掀起，成为航槽骤淤的主要泥沙来源，现场观测到的长江口大风天后的底部含沙量可达几十千克每立方米[2]。

波浪作用下的泥沙起动问题，是河口海岸动力学中的基础问题，也是泥沙研究中的重要课题。对于波浪作用下的泥沙起动问题，已有很多重要研究成果。从研究方法来看，大体可分为2类。第一类方法是将理论分析与水槽试验相结合，建立比较通用的波浪作用下泥沙的起动公式。如窦国仁等[3]在全面分析泥沙粒径的受力情况下，通过对颗粒间的粘结力、薄膜水固体性质导致的附加静水压力和波浪惯性力的考虑，导出了适用于粗、细颗粒泥沙起动的统一公式；曹祖德等[4]从边界层理论出发，得出波、流共同作用下的床面剪切力，进而通过大量泥沙起动试验，绘制了波、流共同作用下的泥沙起动Shields曲线，进一步建立了层流和紊流阶段的泥沙起动公式；刘家驹[5]根据波浪作用下沙粒在重力、水平推力、绕流上举力及黏着力的滚动力矩极限平衡条件下得到了泥沙的起动波高；赵子丹[6]在Madsen和Grant[7]研究的基础上，对波浪作用下的床面剪切力进行了修正，进而对波浪作用下泥沙起动公式进行了修正，并利用大量的实测数据验证了公式的有效性；周益人和尹昌安[8]在通过理论分析，提出波浪边界层泥沙起动概念，借助水流泥沙起动研究方法，得到波浪作用下泥沙起动标准曲线并给出相应的计算公式，并用大量试验资料进行了验证；李寿千等[9]基于波浪边界层理论及单向流泥沙起动Shields曲线，推证出了波浪泥沙起动Shields曲线。第二类方法是经验类，其中有些采用水槽试验，对某些特定泥沙的起动特性或者起动临界条件进行了研究[10-13]。

采用长江口北槽中下段的滩面泥沙，利用波浪长直水槽进行了不同水深、不同波周期条件下的泥沙起动试验研究，得到长江口北槽中下段滩面泥沙的起动特性，为长江口大风天航道骤淤研究提供支撑。

1 试验概况

1.1 试验设备

波浪作用下泥沙起动试验在波浪水槽中进行，水槽尺寸为135 m×1.0 m×1.2 m(长×宽×高)，水槽尾部设有人字形消波器及消浪斜坡。试验段前后端布置波高仪，测量波浪要素；含沙量采用分层取样、过滤称重法和OBS浊度仪相结合的方法测量，其中OBS浊度仪试验前通过标定，建立水体浊度与泥沙浓度的相关关系，从而得到泥沙含量。OBS浊度仪的标定结果见图1。

图1 OBS浊度仪的标定结果Fig. 1 Calibration of OBS

1.2 试验布置

在水槽中段开设一段长3.0 m，高0.08 m的贮泥槽，试验时泥沙铺设其中(图2)。试验段开始和结尾处各布波高仪1台，用以测量试验波高；试验段中部布置流速仪1台，用以测量近底流速；铺沙后段共布置3个OBS浊度仪，用以测量不同水深位置的含沙量。在铺沙中点略靠后侧布置了1台浊度仪和取水样装置，二者布置在一套可自动升降的装置上，此台浊度仪和所取水样点位一致。

图2 试验布置示意Fig. 2 The test layout

1.3 试验泥沙

试验沙样取自北槽中下段滩面泥沙，采用激光粒度仪对现场采集的沙样进行颗分测量。首先取出适量沙样在烧杯中稀释并加入适量双氧水和分散剂，静置一天后搅拌均匀，经超声波振荡后，全部倒入激光粒度仪进行颗分测量，然后整理沙样颗分结果，绘制级配曲线图(见图3)。

图3 试验泥沙级配曲线Fig. 3 Test sediment grading curve

本次试验泥沙以粗粉砂和极细沙为主，泥沙中值粒径为0.063 mm，黏土含量约10%。

1.4 试验组次

本次试验进行了不同水深(30 cm、35 cm、40 cm)、不同波周期(1.0 s、1.5 s、2.0 s)条件下的泥沙起动试验，试验组次见表1。本次试验目的之一是通过试验获取北槽滩面泥沙的起动条件；其二是了解不同水深和波浪周期对长江口北槽床面泥沙起动规律的影响。通过试验分析得到的临界起动切应力，可以反推得到现场不同水深、不同波周期条件下，床面泥沙的起动波高。对于分析长江口波浪作用下泥沙起动特性进而分析长江口航道回淤提供技术支撑。

试验开始前，将试验泥沙进行了充分搅拌，取适量泥沙浸水并自然密实1天，测定其容重为1.75 g/cm3，该值和北槽原状土的容重相近。因试验中铺好的泥沙无法取出测其容重，所以待泥沙自然密实1天后开始试验，认为试验泥沙初始容重为1.75 g/cm3。本次试验未对不同密实时间(不同初始容重)的泥沙进行试验。

1.5 试验过程

试验前先将浸泡并搅拌好的泥沙均匀铺在水槽的贮泥槽中，并将泥沙床面抹平，之后缓慢注入自来水至试验水深，待泥沙自然密实1天后开始试验。每组试验前均重新搅拌铺沙、自然密实1天。试验时，波高先从小波开始，然后逐渐增大。波浪作用是逐次进行的，在小波作用下，观察到底沙没有起动，停止造波，等床面泥沙完全静止稳定后，再进行下一个波高的试验。试验人员在铺沙段观察水体颜色、泥面的变化情况，同时通过OBS浊度仪监测水体中浊度值的变化。本次试验泥沙为细颗粒泥沙，泥沙起动以底沙的卷起、悬扬为主，同时又有部分底泥的输移[9]。试验过程中，根据直接观察和含沙量变化过程分析，以床面泥沙“大量悬扬”作为泥沙起动的判别标准。

在小波浪作用下，床面表层泥沙有轻微的荡漾、蠕动，但泥沙并无卷起现象；波高加大时，参与晃动的泥沙增多，在床面薄弱的地方有小团的泥沙卷起、悬扬；当波高增加到一定强度时，大量泥沙参与运动，近底形成高浓度的含沙水体，在波浪的持续作用下，部分泥沙悬扬至上部水体，水体逐渐变得浑浊，此时，浊度计的信号也明显变大。本次起动试验以底沙大量起动即床面漩涡遍布、泥沙以浓烟形式从床面多个位置上悬起、部分颗粒发生跃动以及浊度计信号明显增加等多个现象同时发生时作为起动的判别标准。

1.6 关于泥沙起动和扬动的区别

1) 从概念(现象)描述来看，泥沙起动是指当水流逐步加强到超过一定限度以后，床面的泥沙颗粒开始脱离静止状态而进入运动。泥沙扬动是指当床面泥沙起动以后，随着流速的继续增加，泥沙跃起的高度和距离也随着增加，当流速大到某一程度，泥沙脱离床面悬移。

2) 从泥沙属性来看，泥沙起动是指泥沙由静止到运动，这个运动可能是滑动、滚动或跃移，一般情况下泥沙起动临界条件研究的主要对象是推移质(也有细颗粒的泥沙由于床面上的紊动猝发而由低流速水团挟带进入主流区，或者由不平整床面上局部的水流分流卷扬而起进入主流区，这两种形式均有可能使床面泥沙由静止直接进入悬浮状态)；泥沙扬动是关于泥沙什么时候开始进入悬移质运动的临界条件，也就是说扬动临界条件研究的对象是悬移质。

3) 从运动形式及过程来看[14]，一般情况下，泥沙颗粒运动过程可概括为：起动→滚动(间或滑动)→滚动和跃移相间→连续跃移→跃移和悬移相间→悬移，泥沙颗粒由推移运动进入悬移运动一般都要经过跃移运动过程。但实际情况还有2种转化的过程和形式，一种是由于床面附近的紊动猝发过程，即由于床面上的紊动“猝发”作用，低流速水团可以直接挟带一部分泥沙上升到主流区，使其呈悬浮状态；另一种形式主要是对于较显著的不平整床面，产生局部的水流分离，从而将床面上的泥沙卷扬起来送入到主流区；这两种形式通常可以使床面泥沙不经过跃移，甚至直接由静止进入悬浮状态。一般情况下，悬移质主要是和推移质进行交换，而不是直接和床沙进行交换。

4) 从波浪水槽试验现象来看，在一定强度的波浪振荡作用下，床面表层泥沙有轻微的荡漾、蠕动，但泥沙并无卷起现象；波高加大时，参与晃动的泥沙增多，在床面薄弱的地方有小团的泥沙卷起、悬扬；当波高增加到一定强度时，大量泥沙参与运动，在波浪的持续作用下，部分泥沙悬扬至上部水体，水体逐渐变得浑浊。在相同动力条件下，床面有的泥沙颗粒起动并以推移质形式输移，而有的泥沙颗粒已达到扬动条件而悬浮。

2 试验结果与分析

2.1 本次试验结果分析

图4为试验过程中随着波高变化，含沙量的变化过程(此处含沙量为距底5 cm处的值)。从图中可以看出，在波浪作用下，近底的含沙量有一个突然增大的时刻，这个时刻代表床面泥沙达到起动条件，泥沙起动进入水体。试验过程中波高逐次增加，在较小波高的波浪作用下，床面泥沙有少量起动，近底含沙量略有增加。待波高增加到一定数值后，床面上较多或成群的泥沙开始运动，此次试验是以底沙大量起动为判别标准。

图4 含沙量变化过程Fig. 4 The change process of sediment concentration

波浪作用下泥沙起动试验直接得到的参数是相应水深的波周期及起动波高，为了综合表达波浪作用下泥沙的起动特性，并更加便于实际应用，将泥沙起动条件进一步整理为近底的起动流速和起动剪切力。

波浪作用下的床面最大剪切力一般可表示为

(1)

式中：u*为波浪摩阻速度；fw为波浪底摩阻系数；ρ为水体密度。Ubm为波浪水质点近底最大速度，一般采用微幅波理论得到：

(2)

波浪底摩阻系数的确定，不同的流态计算方法不同。很多学者进行了研究，得到了不同的经验公式[15-16]。文中摩阻系数的确定采用Jonsson的研究成果。

层流：

(3)

光滑紊流：

(4)

粗糙紊流：

(5)

当波浪边界层位于过渡区时，以上公式无法计算摩阻系数。根据张庆河等[17]的研究成果，采用以下摩阻系数的表达式：

fw=f2[f1fwL+(1-f1)fws+(1-f2)fwR]

(6)

式中：fwL为层流边界层条件下的摩阻系数；fws为光滑紊流边界层的摩阻系数；fwR为粗糙紊流边界层的摩阻系数；f1，f2为加权系数。其计算式：

其中，Re1=2.5×105；Re3=24.98(am/ks)1.15。

波浪起动试验结果见表1，其中起动波高是波高仪测量结果，流速Ubm是根据式(2)计算得到，摩阻流速根据式(1)计算得到，起动切应力根据式(1)计算得到。从表中可以看出，相同水深条件下，波浪周期越长，泥沙的起动波高越小；相同波浪周期条件下，水深越大，泥沙起动波高越大；对于自然密实1天的长江口现场泥沙(中值粒径0.063 mm)，波浪作用下泥沙的起动临界剪切力平均约为0.325 N/m2。

表1 波浪作用下泥沙起动试验结果Tab. 1 Test results of sediment incipient motion under wave action

2.2 本次试验结果与已有成果对比分析

2.2.1 和已有公式计算结果比较

窦国仁等[3]根据泥沙颗粒的受力情况，导出了适用于粗、细颗粒泥沙的波浪作用下泥沙起动的统一式(7)。

(7)

根据起动波高计算式(7)，计算本文试验条件下的起动结果见表2，其中系数a根据少量动和普遍动取值分别为0.051和0.079[3]。

表2 波浪作用下泥沙起动计算结果Tab. 2 Calculated results of sediment incipient motion

泥沙的起动判别标准分为少量动、大量动和普遍动。当床面上个别或少量泥沙来回晃动时为少量动；当床面上较多或成群的泥沙开始运动时为大量动；当床面上泥沙普遍发生运动且可以观察到成层输移时为普遍动[9]。

对比泥沙起动的计算结果和试验结果，试验起动波高较少量动计算的起动波高大，较普遍动计算的起动波高小。本文的试验是以泥沙大量动作为起动标准，起动波高介于二者之间是合理的，试验结果与计算结果比较一致。

2.2.2 和已有试验成果比较

肖辉等[10]针对浙江苍南电厂工程附近海域的泥沙，进行了波浪作用下泥沙的起动试验。试验泥样中值粒径为0.008 4 mm，黏土含量大于40%，属于淤泥质细粉砂，待试验泥样自然密实1天后进行起动试验，试验结果见表3。本文试验的泥沙中值粒径为0.063 mm，较文献[10]的粗；黏土含量约为10%，较文献[10]黏土含量低。从本文和文献[10]的波浪作用下泥沙起动的试验结果看，本文的泥沙起动剪切力较文献[10]小，是因为本文的泥沙粒径较粗，含泥量较低，较易于起动。本文试验结果和文献[10]比较一致。

表3 波浪作用下泥沙起动试验结果Tab. 3 Test results of sediment incipient motion under wave action

文献[9]中也在波流水槽中开展了波浪泥沙起动试验，试验泥沙粒径为0.068 mm，试验结果见表4。文献[9]的试验泥沙粒径和本文的相当，含泥量未知，在水槽水深30.5 cm，周期2.0 s条件下，泥沙普遍动的起动波高为4.90 cm；本文试验中，水槽水深30 cm，周期2.0 s条件下，泥沙起动波高为6.5 cm，与文献[9]相比较大。因文献[9]的试验泥沙含泥量未知，相近的水深和波浪周期条件下，波浪作用下泥沙的起动波高小于本次试验的起动波高，总体二者结果比较一致。

表4 波浪泥沙起动试验结果Tab. 4 Test results of sediment incipient motion under wave action

3 结 语

采用长江口北槽中下段滩面现场泥沙，在波浪长直水槽中进行了波浪作用下泥沙的起动试验研究。针对密实1天的泥沙，分别进行了不同水深、不同波周期的泥沙起动试验。试验结果表明：相同水深条件下，波浪周期越大，泥沙的起动波高越小；相同波浪周期条件下，水深越大，泥沙起动波高越大；对于自然密实1天(24小时)的长江口现场泥沙(中值粒径0.063 mm)，波浪作用下泥沙的起动临界剪切力平均约为0.325 N/m2。本次试验结果和已有的波浪泥沙起动公式计算结果以及其他试验结果较为一致。