黄河水下三角洲高浓度黏性泥沙流变特性及其影响因素

2021-07-22刘晓磊陈安铎张红陆杨马路宽贾永刚

海洋学报 2021年5期

刘晓磊，陈安铎，张红，陆杨，马路宽，贾永刚

( 1. 中国海洋大学山东省海洋环境地质工程重点实验室，山东青岛 266100；2. 青岛海洋科学与技术试点国家实验室海洋地质过程与环境功能实验室，山东青岛 266237)

1 引言

黏性泥沙在水流、波浪载荷作用下运动情况复杂，易引发泥沙淤积[1]、冲刷[2]等问题，同时在一定的波浪条件下会流化形成流动性较大的浮泥层[3]，进一步失稳引发重力流形式的沉积物运动[4]，从而改变海底地形地貌，并对港口、航道、海底管线等工程设施安全造成一定影响[5]。黄河水下三角洲位于渤海湾和莱州湾交汇处，水动力条件复杂，黏性泥沙广泛分布[6]，同时也是胜利油田的所在地，分布有多条海底管线和多座海洋平台。因此，研究黄河水下三角洲黏性泥沙在海洋动力作用下的流动变形特性，对深入理解该区海底地形地貌演化和海底地质灾害防治具有重要意义。

黏性泥沙的流变特性是指在外荷载作用下，黏性泥沙对流动和变形的抵抗能力，反映了黏性泥沙的结构性和强度，控制着黏性泥沙的力学性质和运动规律[7]。由于海底环境复杂，样品获取困难，目前国内外学者多关注河口[8]、港口[9]、湖泊[10]及海湾[11]黏性泥沙的流变特性，影响因素涉及pH、含水率[12]、盐度[13]、固结时间[11]和温度[14]等。连云港淤泥随剪切速率增加呈现3 种流变性质[15]。在水流（单向剪切）作用下，适宜采用Bingham 模型来描述淤泥流变特性；在波浪（双向剪切）作用下，适宜采用非线性黏弹性体模型来描述淤泥流变特性[16]。低剪切速率时高浓度黏性泥石流体具有应力过冲现象与剪切稀化特征[17]。受限于仪器设备和实际需求，现有流变试验多在剪切速率0～100 s-1下开展，而在真实的海洋环境中，尤其是极端天气下，海流流速极大，黏性泥沙可能处于高剪切速率荷载作用之下，因此开展高剪切速率下黏性泥沙的流变特性研究十分必要。在黄河水下三角洲海域，冯秀丽等[18]率先通过对砂质粉土和粉质黏土触变性的对比试验研究，阐述了黄河水下三角洲粉土的触变性，刘涛等[19-20]研究了循环荷载下和波浪作用下黄河水下三角洲粉土液化流动特性。但以上研究局限于土体液化后的抗剪强度和表观黏度，并未引入具体的流变模型来分析黏性泥沙的流变特性。因此，全剪切速率下黄河水下三角洲黏性泥沙流变特性的研究亟待开展。

基于上述现状，本文在黄河水下三角洲埕岛海域现场采集原状黏性泥沙，制备不同固结时间和不同含水率的高浓度黏性泥沙样品，采用R/S 流变仪开展多组全剪切速率下的流变试验，研究黏性泥沙流变特性，并对含水率和固结时间影响下的流变模型进行了讨论，为下一步开展海底泥沙运动过程的数值模拟奠定了试验基础。

2 试验设计

2.1 原状黏性泥沙样品采集

采用Teledyne Odom 公司生产的Echotrac MKⅢ双频测深仪（高频210 Hz，低频24 Hz）对黄河水下三角洲埕岛海域进行调查。调查区域大小为2 km×6 km，结果显示整个调查区广泛分布有8～24 cm 厚的浮泥，为浮泥发育区。在研究区选取6 个取样点，利用密封性较强的蚌式取样器采集原状表层泥沙样（图1）。根据《土工试验方法标准》对原状泥沙样进行一系列基本物理性质测试（表1）。结果表明，原状泥沙样含水率约40%～50%，平均含水率42%，含水率均高于液限，Q1 站位原状泥沙样含水率甚至达到了1.59 倍液限，表明其具有很强的流动性[21]。

表1 原状泥沙基本物理性质Table 1 Physical properties of natural sediments

图1 研究区浮泥分布Fig. 1 The distribution of fluid mud thickness in the study area

2.2 流变试验仪器与原理

流变试验采用美国博勒飞（Brookfield）公司生产的R/S 流变仪，搭配V40-20 型转子（表2）。试验时，流变仪的测量转子在装有试验土样的测量杯中转动，对土样进行剪切，搭配智能控制软件Rheo3000，实现程序智能控制与数据采集，得到不同剪切速率下的不排水抗剪强度。测量中采用控制应变模式，逐级增加剪切速率到目标值，得到流变曲线。

表2 R/S 流变仪基本参数Table 2 Basic parameters of R/S rheometer

2.3 样品制备与测试

将6 个站位原状黏性泥沙样均匀混合烘干后，去除贝壳等杂质，充分搅拌保证均匀；加3.5%盐水配置成含水率35%～60%的样品，其中42%为研究区域原状泥沙平均含水率。泥浆试样的微观结构与固结过程密切相关[22-23]。为了研究固结时间对流变特性的影响，对含水率45%的样品设置不同固结时间对照组。在样品加到测量杯后将测量杯封口防止水蒸发影响试验结果，分别静置0 min、15 min、60 min、120 min后进行试验。细粒土与水混合后，其微观结构已经发生了变化，试样需要一定的固结时间才能恢复其微观结构[11]。为了更接近泥沙天然状态，测试都是在样品放入流变仪测量筒5 min 后开始进行的。样品的详细情况如表3 所示。

表3 样品信息表Table 3 Information of samples

3 试验结果与分析

3.1 海底黏性泥沙典型流变曲线

在不同固结时间、含水率下得到高浓度黏性泥沙流变曲线，以100 s-1为界限将曲线分为“低剪切速率”和“高剪切速率”，如图2、图3 所示。由图2 可知，高浓度黏性泥沙整体剪切应力随含水率的增加而增大，剪切应力随剪切速率的增加先增加后降低，最后随剪切速率增加线性增加。特别的，含水率50%及以上高浓度黏性泥沙流变曲线在高剪切速率下出现“上翘”趋势。固结时间对流变曲线的影响明显（图3），剪切应力随着固结时间的增加而整体增加，其中固结0 min 和15 min 的剪切应力在高剪切速率下差距缩小。

图2 不同含水率高浓度黏性泥沙流变曲线Fig. 2 Rheological curves of dense cohesive sediment with different moisture contents

图3 含水率45%高浓度黏性泥沙不同固结时间流变曲线Fig. 3 Rheological curves of dense cohesive sediment with moisture content of 45% at different consolidation times

3.2 流变曲线分析

黏性泥沙往往表现出固态和液态双重属性，黏性泥沙在剪切荷载作用下结构破坏可以看作是黏性泥沙由固态到流态的相态转化过程。对比以上多条流变曲线，可将黏性泥沙在剪切荷载作用下破坏过程分为3 个阶段：分别为两个临界剪切速率。因整个相态转换在低剪切速率下已全部完成，单独将低剪切速率下流变曲线拿出分析，如图4。

图4 低剪切速率下高浓度黏性泥沙流变曲线Fig. 4 Rheological curve of dense cohesive sediment in low shear rate

Ⅰ. 当0＜γ˙ ＜γ ˙1时，剪切速率极低，高浓度黏性泥沙结构未发生破坏。流变曲线过原点，剪应力随着剪切速率增大而增大。高浓度黏性泥沙表现出固相特性。

Ⅱ. 当 γ˙1＜ γ˙ ＜ γ˙2时，高浓度黏性泥沙的结构开始发生破坏，剪应力随着剪切速率的增加而降低。本阶段为高浓度黏性泥沙固态向流态转变阶段。 γ˙1为起始剪切速率，表征高浓度黏性泥沙结构开始发生剪切破坏。

Ⅲ. 当 γ˙2＜γ˙时，高浓度黏性泥沙结构已经完全破坏，剪应力随剪切速率增加而增加，本阶段高浓度黏性泥沙已经由固态完全转化为流态。为高浓度黏性泥沙完全进入流态时的剪切速率。

4 流变模型及其影响因素

4.1 海底黏性泥沙流变模型

已有很多研究人员以试验分析或理论推导的方法，提出了多种非牛顿流体流变模型[24]。常用以下3 种流变模型来描述黏性泥沙流特性。

（1）幂律模型

幂律模型是最简单的流体剪切模型，可用来描述剪切增稠流体行为，表达式为：

式中，τ为剪切应力；为剪切速率；η0为稠度系数；K为常数；n称为流体的流动指数，当n＜1 时，流体表现出剪切变稀的行为，当n＝1 时，流体表现出牛顿流体行为，当n＞1 时，流体表现出剪切增稠的行为。

（2）Bingham 模型

Bingham 模型常用来描述黏塑性黏性泥沙的流变曲线，这种流变曲线是一条有正截距的直线。具体模型表达式如下：

式中， τ为剪切应力； γ˙为剪切速率；τy为屈服应力；η0为稠度系数。τy是流体发生流动的临界剪切应力，η0则表征流体的流动性，η0越大则流体流动性越大。

（3）Herschel-Bulkley 模型

Herschel 和Bulkley 于1926 年在研究橡胶材料时提出了Herschel-Bulkley 模型，具体模型表达式如下：

式中，τy为屈服应力；μp和n为常数。当n＜1 时，流体为假塑性流体；n＞1 时，流体为膨胀性流体；n＝1 时，该模型退化为Bingham 模型。

鉴于黄河水下三角洲海底黏性泥沙平均含水率为42%，故选取该组实验结果建立黄河水下三角洲海底黏性泥沙典型流变模型。由本文2.2 可知，黏性泥沙样品在流变仪剪切荷载作用下会出现相态转换。为了更好地描述黏性泥沙样品的流变特性，本文所做的流变模型拟合指的是仅针对流态阶段做的模型拟合。如图5 所示，高浓度黏性泥沙流变曲线近似为一条具有橫截距的直线，Bingham 模型能较好地描述高浓度黏性泥沙的流变特性。高浓度黏性泥沙表现出非牛顿流体中黏塑性流体的特性。

图5 含水率42%高浓度黏性泥沙流变曲线及模型拟合Fig. 5 Rheological curve and model fitting of dense cohesive sediment with moisture content of 42%

4.2 固结时间的影响

如图3 所示，固结时间对高浓度黏性泥沙流变曲线具有显著影响。引入Bingham 模型对曲线进行拟合，各参数统计如表4 所示。如图6 所示，屈服应力和稠度系数与固结时间呈线性关系，屈服应力和稠度系数随着固结时间的增加而增加。屈服应力在固结120 min 后增加了35%，说明黄河水下三角洲高浓度黏性泥沙具有快速固结的特点。

图6 固结时间与流变参数拟合曲线Fig. 6 The fitting curve between consolidation time and rheological parameters

表4 各固结时间Bingham 模型参数Table 4 Bingham model parameters at different consolidation times

固结15 min 样品和直接测试的样品的流变曲线在高剪切速率下发生了汇合，而固结60 min 和120 min样品的流变曲线则始终处于未固结样品流变曲线的上方。说明虽然固结一段时间后黏性泥沙样品颗粒之间形成了一定的结构，但较短固结时间下形成的结构是可逆的。在高速剪切速率作用下结构完全被破坏，恢复到了未固结的状态。而长固结时间下形成的结构则较为稳定，在高剪切速率下强度依然有明显的升高。

4.3 含水率的影响

当高浓度黏性泥沙的含水率大于50%时，流变曲线表现出了与传统剪切变稀流体模型不同的“上翘”的趋势，这种不同的趋势在双对数坐标下更为明显（图7），6 种含水率黏性泥沙的流变曲线出现了两种趋势。为了更好地分析不同含水率黏性泥沙流变特性，以50%为界限把低含水率黏性泥沙和高含水率黏性泥沙分开分析。

图7 不同含水率高浓度黏性泥沙双对数坐标下流变曲线Fig. 7 Rheological curves of dense cohesive sediment with different moisture content in logarithmic coordinates

低含水率高浓度黏性泥沙全剪切速率下，流变曲线与Bingham 模型拟合程度较高，屈服应力、稠度系数随含水率的增加呈指数降低。

对于含水率大于50%的高浓度黏性泥沙样品，以含水率55%的样品为例分析其流变模型。如图8 所示，黏度先是随着剪切速率的增加而急剧减小，当剪切速率超过了“临界点”后黏度随着剪切速率增加出现了轻微的变大，高浓度黏性泥沙在高剪切速率下表现出了剪切增稠行为。此时Bingham 模型已不能描述高浓度黏性泥沙全剪切速率下的流变特性，引入Power 模型，以“临界点”为界限将流变曲线分为两个阶段，分别进行流变模型的拟合，如图9。各含水率高浓度黏性泥沙流变模型参数汇总见表5。

图8 黏度曲线Fig. 8 Viscosity curve

图9 黏性泥沙流变曲线分段拟合Fig. 9 Section fitting of rheological curve of cohesive sediment

如表5 所示，除高含水率高浓度黏性泥沙剪切增稠阶段外，Bingham 模型依然适用。含水率与Bingham模型相关参数拟合曲线如图10 所示。用公式（4）、（5）表示稠度系数、屈服应力随含水率的变化规律。

图10 含水率与屈服应力、稠度系数拟合曲线Fig. 10 The fitting curve between moisture content and rheological parameters

表5 各含水率高浓度黏性泥沙流变模型参数Table 5 Parameters of dense cohesive sediment rheological model

式中， ω为含水量。在高剪切速率阶段Power 模型中的流动系数n均大于1。高浓度黏性泥沙均表现出了剪切增稠的性质，随着含水率的增加，n值逐渐增加，剪切增稠行为逐渐明显。在风暴等极端海况下，现场黏性泥沙常处于高剪切速率荷载作用之下，极有可能会发生剪切增稠现象。用下结构完全被破坏恢复到了未固结的状态，而长固结时间下形成的结构则较为稳定，在高剪切速率下强度依然有明显的升高。

（3）不同含水率对高浓度黏性泥沙的流变模型有影响，Bingham 模型适用于低含水率高浓度黏性泥沙全剪切速率及高含水率高浓度黏性泥沙低剪切速率下流变特性的描述；高含水率高浓度黏性泥沙在高剪切速率下表现出剪切增稠现象，Power 模型更能准确地描述此时高浓度黏性泥沙的流变特性。

（4）基于流变试验结果，建立了考虑固结时间和含水率影响的海底高浓度黏性泥沙流变模型及参数范围，为下一步开展海底黏性泥沙运动过程的数值模拟提供支持。