范力陽(yáng)，陳國(guó)平，馬洪蛟，李慶銀

(1.河海大學(xué) 港口海岸與近海工程學(xué)院，南京 210098; 2.黃河水利委員會(huì) 山東水文水資源局，濟(jì)南 250100)

水壓力對(duì)黏性原狀土起動(dòng)流速影響的試驗(yàn)研究

范力陽(yáng)1，陳國(guó)平1，馬洪蛟1，李慶銀2

(1.河海大學(xué) 港口海岸與近海工程學(xué)院，南京 210098; 2.黃河水利委員會(huì) 山東水文水資源局，濟(jì)南 250100)

為探究水壓力對(duì)黏性原狀土起動(dòng)的影響，在一套能模擬不同大小的水壓力的封閉管道試驗(yàn)系統(tǒng)中進(jìn)行了黏性原狀土起動(dòng)試驗(yàn)。結(jié)果表明：當(dāng)水柱高度從35 cm提高到435 cm時(shí)，黏性原狀土的起動(dòng)摩阻流速是0.35 m水柱高度下流速的2.52～3.06倍；黏性原狀土的起動(dòng)流速隨著水壓力的增大而增大；水柱高度、原狀土的粒徑級(jí)配以及原狀土的密實(shí)度是起動(dòng)摩阻流速的主要影響因素。該試驗(yàn)成果可為黏性原狀土起動(dòng)流速的進(jìn)一步研究提供參考。

水壓力；黏性原狀土；起動(dòng)流速；粒徑級(jí)配；干密度

1 研究背景

水壓力對(duì)泥沙起動(dòng)產(chǎn)生影響，竇國(guó)仁[1]和張瑞瑾[2]認(rèn)為實(shí)質(zhì)上是水壓力的變化導(dǎo)致泥沙顆粒的薄膜水附加壓力的變化，間接影響泥沙的起動(dòng)流速。對(duì)于薄膜水附加壓力理論，目前存在一些爭(zhēng)議，就現(xiàn)有研究成果來(lái)看，該力只可能是薄膜水附加壓力。長(zhǎng)江宜昌等水文站不同水深起動(dòng)流速的實(shí)測(cè)資料證實(shí)了水深對(duì)起動(dòng)流速的作用，這種作用確實(shí)不是流速分布的影響造成的[3]。首先考慮薄膜水附加壓力的是竇國(guó)仁與張瑞瑾。竇國(guó)仁[1]利用交叉石英絲試驗(yàn)，通過(guò)改變石英絲所受的靜水壓力，驗(yàn)證了壓力水頭對(duì)薄膜水附加壓力的影響，從而間接證明了壓力水頭對(duì)泥沙起動(dòng)流速的影響；張瑞瑾[2]認(rèn)為，顆粒起動(dòng)受黏結(jié)力的影響，但是其原因是薄膜水特別是其中的牢固結(jié)合水有單向壓力傳遞的特性，因此黏結(jié)力包含水柱壓力及大氣壓力2部分，這實(shí)質(zhì)上也承認(rèn)了水壓力是影響起動(dòng)流速的因素。格里辛格(E.H.Grissinger)曾就黏土性質(zhì)對(duì)泥沙沖刷的影響進(jìn)行過(guò)一些研究，得出了2點(diǎn)結(jié)論：①在一般情況下，土壤中黏土含量的增加，將會(huì)加大土壤的抗沖能力;②試樣受壓與不受壓可以使沖刷率差到10倍[4]。

基于前人的研究成果，本文在一套能模擬不同水壓力的封閉管道試驗(yàn)系統(tǒng)中進(jìn)行了黏性原狀土起動(dòng)試驗(yàn)，探究水壓力對(duì)黏性原狀土起動(dòng)的影響。

2 黏性原狀土起動(dòng)試驗(yàn)

模擬不同水壓力的原狀土起動(dòng)試驗(yàn)裝置如圖1所示。矩形管道的斷面尺寸為15 cm×3 cm(長(zhǎng)×寬)，有效長(zhǎng)度為2.5 m，土樣放置在距離進(jìn)口1.5 m、出口1.0 m的位置，在土樣上游0.9 m、下游0.4 m處各布置1根測(cè)壓管。瞬時(shí)流量由超聲波流量計(jì)直接讀出。矩形管道內(nèi)斷面平均流速最大可達(dá)8.8 m/s。

圖1 試驗(yàn)裝置簡(jiǎn)圖Fig.1 Sketch of the test equipment

試驗(yàn)中設(shè)置了5級(jí)水壓條件，水柱高度分別為35,135,235,335,435 cm。受試樣和試驗(yàn)條件所限，共選取3個(gè)原狀土土樣進(jìn)行起動(dòng)試驗(yàn)，對(duì)選取的原狀土樣進(jìn)行粒徑分析，表1列出了原狀土樣的基本性質(zhì)，圖2為原狀土樣YZK03-3，YZK11-3，YZK11-4的粒徑級(jí)配曲線。

表1 原狀土樣基本性質(zhì)Table 1 Basic properties of undisturbed soil samples

圖2 不同原狀土樣粒徑級(jí)配曲線Fig.2 Gradation curves of undisturbed soil samples

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 原狀土起動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)于充分發(fā)展的紊流，作用于管道壁面的切應(yīng)力τ與作用于水柱兩端面的壓力差的關(guān)系可表示為[5-6]

(1)

式中：R為水力半徑，R=A/χ，其中A為斷面面積，χ為濕周；J為水力坡度，J=ΔZ/L，ΔZ為上下游測(cè)壓管水柱高度差，L為測(cè)壓管間距；ρ為水的密度；g為重力加速度;U*為摩阻流速。

由式(1)解得

(2)

圖3 原狀土樣起動(dòng)摩阻流速隨水柱高度變化Fig.3 Variation of incipient friction velocity of undisturbed soil sample vs. water column height

試驗(yàn)以微團(tuán)少量起動(dòng)作為原狀土的起動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)。微團(tuán)少量起動(dòng)的具體描述為：泥面邊緣及中心位置多處出現(xiàn)間歇性片狀剝離，泥面出現(xiàn)淺坑。當(dāng)原狀土發(fā)生起動(dòng)時(shí)，記錄下此時(shí)上、下游測(cè)壓管水柱高度讀數(shù)，計(jì)算測(cè)壓管水柱高度差 ，再通過(guò)式(2)算得起動(dòng)摩阻流速U*c。原狀土樣在不同水壓力條件下的起動(dòng)摩阻流速實(shí)測(cè)值如圖3所示。

從總體來(lái)看，隨著水壓力的增大，所有試樣的起動(dòng)摩阻流速均隨之增大。值得注意的是，隨著水壓力的增大，不同試樣的起動(dòng)摩阻流速增幅存在差異：對(duì)編號(hào)為YZK03-3的原狀土而言，水柱高度平均每增加100 cm，起動(dòng)摩阻流速增加0.33 cm/s，比較435 cm和35 cm水柱高度下的起動(dòng)摩阻流速，前者是后者的2.56倍；對(duì)于編號(hào)為YZK11-3，YZK11-4的原狀土，這2組數(shù)據(jù)分別為0.68 cm/s和2.52倍、1.19 cm/s和3.06倍。

根據(jù)文獻(xiàn)[7],水對(duì)泥沙顆粒的壓力Fδ的影響因素可概括為

Fδ=f(ρ,g,H,d,γ0) 。

(3)

式中：γ0為床面泥沙干密度；d為泥沙顆粒的粒徑；H為水柱高度。

根據(jù)式(3)，影響水柱壓力的因素主要有3個(gè)：水柱高度、泥沙粒徑組成以及泥沙干密度(即床面泥沙的密實(shí)度)。水柱壓力為阻礙泥沙起動(dòng)的力，水柱壓力越大，所需要的起動(dòng)摩阻流速也越大。顯然，水柱高度越高,土的細(xì)顆粒含量越多、砂含量越少、顆粒之間的黏性越強(qiáng)，土的密實(shí)度越高，原狀土受到的水柱壓力越大。下面從原狀土的粒徑組成以及密實(shí)度2個(gè)方面分析形成不同的起動(dòng)摩阻流速隨水柱高度變化的曲線的原因。

對(duì)于原狀土樣YZK03-3來(lái)說(shuō)，黏粒(d<0.005 mm, 下同)和粉粒(0.005 mm

對(duì)于原狀土樣YZK11-3來(lái)說(shuō)，黏粒含量最高，為18%，粉粒含量較高，為58.8%，而且土的組成中不含粗砂(0.5 mm

原狀土樣YZK11-4的粒徑分布與YZK11-3很相似，黏粒和粉粒的含量都較高，其中黏粒含量為16.4%(略低于YZK11-3的黏粒含量)，粉粒含量(66%)要高于YZK11-3, 而且土中幾乎不含粗砂，只有極少量的中砂，所以YZK11-4的顆粒之間的黏性也較大，和YZK11-3相近。但由于YZK11-4的干密度遠(yuǎn)大于YZK11-3的干密度，密實(shí)度方面差別比較大，因此在同樣的水柱高度下，YZK11-4受到的水柱壓力最大，在3個(gè)原狀土樣中是最難起動(dòng)的。

根據(jù)以上分析，在水柱高度相同的情況下，主要是原狀土的級(jí)配以及密實(shí)度影響了原狀土的起動(dòng)摩阻流速。隨著水柱高度的增加，不同土樣在粒徑組成以及密實(shí)度方面的差異造成的水柱壓力的差異被水柱高度放大，因此3個(gè)原狀土樣的起動(dòng)摩阻流速平均增幅(圖3中曲線的斜率)存在差別：細(xì)顆粒含量(黏粒和粉粒的含量之和)較高且密實(shí)度較高的YZK11-4號(hào)原狀土的起動(dòng)摩阻流速平均增幅最大，細(xì)顆粒含量較高但密實(shí)度不高的YZK11-3次之，細(xì)顆粒含量和密實(shí)度都不高的YZK03-3最小。

3.2 試驗(yàn)值與公式計(jì)算值對(duì)比分析

以上分析是基于原狀土起動(dòng)試驗(yàn)得到的，下面將試驗(yàn)值與國(guó)內(nèi)常用的新淤黏土的起動(dòng)流速公式的計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比分析。

表2 不同水柱高度下起動(dòng)流速實(shí)測(cè)值與公式計(jì)算值的對(duì)比Table 2 Comparison between measured and calculated data of incipient velocity under different water column heights

竇國(guó)仁公式[1]為

(4)

張瑞瑾公式[2]為

(5)

式中Ucz為張瑞瑾公式計(jì)算的起動(dòng)流速。由于本文試驗(yàn)數(shù)據(jù)是在封閉管路中得到的，與原狀土所處的天然環(huán)境有所差別，為了與竇國(guó)仁公式、張瑞瑾公式的計(jì)算值(Ucd和Ucz)進(jìn)行比較，必須將管道內(nèi)的起動(dòng)垂線平均流速轉(zhuǎn)換為自然條件下的起動(dòng)垂線平均流速。

研究表明[8]，當(dāng)土質(zhì)相同時(shí)，試驗(yàn)室條件下的起動(dòng)摩阻流速與自然條件下的起動(dòng)摩阻流速是一致的。這樣，試驗(yàn)中起動(dòng)摩阻流速U*c與天然起動(dòng)流速Uc之間的換算關(guān)系為[1]

(6)

表2給出了利用式(4)—式(6)分別求得的YZK03-3，YZK11-3，YZK11-4這3個(gè)黏性原狀土樣在不同水柱高度下的起動(dòng)流速實(shí)測(cè)值與公式計(jì)算值。

從表2中可以看出，天然起動(dòng)流速隨著水深增加而迅速增大，而由公式計(jì)算得到的起動(dòng)流速增幅遠(yuǎn)小于天然起動(dòng)流速：對(duì)YZK03-3而言，水柱高度為435 cm的Ucd和Ucz分別是35 cm水柱高度下相應(yīng)公式計(jì)算值的1.34倍和1.71倍；對(duì)YZK11-3而言，這一組數(shù)據(jù)是1.35倍和1.69倍；對(duì)YZK11-4而言，這一組數(shù)據(jù)則是1.36倍和1.68倍。由此還可看出，YZK11-3的流速計(jì)算值的增幅和YZK11-4的基本相同，但是YZK11-3的干密度為1.27 g/cm3， YZK11-4的干密度為1.47 g/cm3，式(4)和式(5)計(jì)算值并沒(méi)有體現(xiàn)出密實(shí)度的影響，而這一點(diǎn)在試驗(yàn)值中有所體現(xiàn)。出現(xiàn)這些差異的主要原因是式(4)和式(5)都是對(duì)結(jié)構(gòu)均勻的新淤黏性土而言，而原狀土的結(jié)構(gòu)和組成都很復(fù)雜，兩者的密實(shí)度存在差異。

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)3個(gè)不同性質(zhì)的黏性原狀土樣進(jìn)行起動(dòng)試驗(yàn)，并結(jié)合理論分析研究了水壓力對(duì)黏性原狀土起動(dòng)流速的影響，可以得出以下結(jié)論：

(1) 水壓力對(duì)黏性原狀土的起動(dòng)流速有影響，水柱高度為435 cm時(shí)的黏性原狀土的起動(dòng)摩阻流速是35 cm水柱高度下的流速的2.52～3.06倍。

(2) 在相同水壓力情況下對(duì)不同粒徑級(jí)配、密實(shí)度的原狀土樣而言，水壓力對(duì)其起動(dòng)流速的影響不盡相同。

(3) 由于原狀土結(jié)構(gòu)和組成都很復(fù)雜，建立適用于原狀土且精度良好的起動(dòng)流速計(jì)算公式還需要大量開(kāi)展原狀土起動(dòng)試驗(yàn)，獲取足夠多的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

[1] 竇國(guó)仁.論泥沙起動(dòng)流速[J]. 水利學(xué)報(bào)，1960，(4):46-62.

[2]張瑞瑾. 河流動(dòng)力學(xué)[M].北京：中國(guó)工業(yè)出版社，1960.

[3] 韓其為，何明民. 泥沙起動(dòng)規(guī)律及起動(dòng)流速[M]. 北京：科學(xué)出版社，1999：38-41.

[4] 錢 寧，萬(wàn)兆惠. 泥沙運(yùn)動(dòng)力學(xué)[M]. 北京：科學(xué)出版社，2003.

[5] 洪大林. 粘性原狀土沖刷特性研究[D]. 南京：河海大學(xué)，2005.

[6] 洪大林，繆國(guó)斌，申 霞，等. 黏性原狀土起動(dòng)流速試驗(yàn)研究[J]. 人民長(zhǎng)江，2012，43(2)：39-42.

[7] 竇國(guó)仁. 再論泥沙起動(dòng)流速[J]. 泥沙研究, 1999,(6):1-9.

[8] 張書(shū)農(nóng). 河流動(dòng)力學(xué)[M]. 北京：水利電力出版社，1988.

(編輯：占學(xué)軍)

Influence of Water Pressure on Incipient Velocityof Cohesive Undisturbed Soil

FAN Li-yang1, CHEN Guo-ping1, MA Hong-jiao1, LI Qing-yin2

(1.College of Harbor, Costal and Offshore Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China;2.Shandong Hydrology and Water Resources Bureau, Yellow River Conservancy Commission,Jinan 250100, China)

In order to study the influence of water pressure on incipient velocity of undisturbed clay, we carried out test on the incipient velocity by using a closed rectangular pipe which could provide different water pressures. Results show that incipient frictional velocity of undisturbed clay in the presence of 4.35 m water column height is 2.52-3.06 times that under 0.35 m height. In other words, incipient velocity of undisturbed clay increases with the increasing of water pressure. Besides, water column height, grain gradation and compactness of undisturbed clay are also main factors affecting the incipient frictional velocity.The experimental results can provide reference for further studies on incipient velocity of cohesive undisturbed soil.

water pressure; undisturbed clay; incipient velocity; gradation of grain；dry density

2016-02-17；

2016-04-08

范力陽(yáng)(1991-)，男，湖南常德人，碩士研究生，主要從事河口海岸水動(dòng)力與泥沙運(yùn)動(dòng)研究，(電話)13776628420(電子信箱)fly_hhu@163.com。

10.11988/ckyyb.20160124

2017,34(4):5-8

TV14

A

1001-5485(2017)04-0005-04