劉 欣，張曉雷，吳浩然，劉書瑜

(華北水利水電大學(xué) 水利學(xué)院，河南 鄭州 450046)

細(xì)顆粒泥沙大量存在于水庫、河口港灣、湖泊、粉質(zhì)海岸中，對(duì)水庫淤后沖刷、港口航道的回淤、河口湖泊污染物吸附在黏性泥沙表面遷移擴(kuò)散問題、河流演變及治理有重要影響。因此，研究黏性細(xì)顆粒泥沙的起動(dòng)問題是解決工程泥沙問題的關(guān)鍵所在，具有重要的實(shí)際意義。

對(duì)于黏性泥沙的起動(dòng)研究，比較典型的泥沙起動(dòng)公式是20 世紀(jì)50～60 年代張瑞瑾、竇國仁、唐存本和沙玉清的公式[1-4]，它們以單顆粒受力分析為出發(fā)點(diǎn)，考慮顆粒間的黏結(jié)力，適合不同粒徑顆粒(含黏性泥沙)的起動(dòng)規(guī)律。然而受黏土物理化學(xué)特性、水動(dòng)力條件、水動(dòng)力和黏性床面耦合效應(yīng)的影響，黏性細(xì)顆粒泥沙的起動(dòng)一直以來都是一個(gè)復(fù)雜的、綜合性的課題，針對(duì)具體的實(shí)際工程和不同的研究目的時(shí)，仍需對(duì)現(xiàn)場(chǎng)泥樣的起動(dòng)規(guī)律、物理特性、流變特性進(jìn)行相關(guān)的試驗(yàn)研究。一些學(xué)者[5-10]圍繞黏土的物理化學(xué)特性對(duì)泥沙起動(dòng)的影響展開研究，探討?zhàn)ば约?xì)顆粒泥沙起動(dòng)與沉積密度、泥沙粒徑、土體液限∕自然含水率及液性指數(shù)等的關(guān)系，還有一些學(xué)者[11-14]從水動(dòng)力條件對(duì)泥沙起動(dòng)的影響入手，分別取不同粒徑或不同干密度的黏性泥沙研究水壓力、水深、水流含沙量等對(duì)起動(dòng)的影響。其中，針對(duì)沉積密度小于1.6 t∕m3的固結(jié)前黏性泥沙起動(dòng)的研究也受到眾多關(guān)注并取得豐碩的成果[15-18]。

目前，細(xì)顆粒泥沙起動(dòng)的研究已較為成熟，但鹽度影響下的細(xì)顆粒泥沙起動(dòng)問題的研究成果較少。鹽度對(duì)泥沙起動(dòng)流速的影響是由于鹽度對(duì)水動(dòng)力條件的改變還是完全取決于鹽度對(duì)細(xì)顆粒泥沙本身物理化學(xué)性質(zhì)的影響尚不可知。而潮汐河口是海水和內(nèi)陸河流交匯過渡地段，既有內(nèi)陸來沙也有海域來沙，有鹽淡水混合和鹽水入侵的問題，鹽度會(huì)顯著增強(qiáng)黏性泥沙的絮凝、團(tuán)聚效應(yīng)，進(jìn)而影響水沙起動(dòng)輸移。筆者通過水槽試驗(yàn)對(duì)細(xì)顆粒泥沙在不同鹽度條件下的起動(dòng)進(jìn)行研究，試驗(yàn)過程中依托粒子圖像測(cè)速系統(tǒng)(PIV)的激光片光源和CMOS 高速相機(jī)及數(shù)字圖像處理技術(shù)對(duì)泥沙起動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行量化，避免肉眼觀察判別的主觀性，定量判別泥沙的起動(dòng)流速。研究成果將有助于豐富泥沙起動(dòng)理論，揭示河床演變機(jī)理，完善河流管理體制，同時(shí)對(duì)船舶通航、洪水防治與生態(tài)修復(fù)等工程問題也具有重要意義。

1 試驗(yàn)設(shè)備及方法

1.1 試驗(yàn)沙樣

試驗(yàn)用沙一組取自黃河花園口灘地，經(jīng)篩分和沉降分選所得，由沙粒(6.9%)，粉沙(58.6%)和粒徑小于0.005 mm 的黏粒(34.5%)組成，中值粒徑為0.008 mm；另一組為珠江口原狀沙樣，由礫石(11.9%)，沙粒(47.5%)，粉沙(30.7%)和黏粒(9.9%)組成，中值粒徑為0.085 mm。首先，分別將各組沙樣攪拌均勻；然后，采用比重法測(cè)量沙樣濕密度，少量多次加水?dāng)嚢?，將沙樣密度統(tǒng)一配置成1.3 t∕m3(淤泥階段)；最后，采用電子鹽度計(jì)(WS-31)測(cè)量泥沙鹽度，少量多次加鹽攪拌，配置不含鹽泥沙及5‰、10‰、20‰、30‰、40‰鹽泥，以備試驗(yàn)鋪置。

1.2 試驗(yàn)裝置

采用可調(diào)坡自循環(huán)明渠水槽(圖1)開展不同鹽度條件下的淤泥起動(dòng)試驗(yàn)。水槽斷面為矩形，長13 m、寬0.25 m、高0.4 m，坡度調(diào)至5‰。為避免水槽進(jìn)口及尾門段對(duì)水流的擾動(dòng)，保證測(cè)量段恒定均勻紊流充分發(fā)展，水槽中段設(shè)置一段長1.6 m、寬0.25 m、高0.02 m 的凹槽，用于放置淤泥。沙樣鋪置到與水槽床面水平，并用刮泥板平整泥床表面以及泥床與凹槽兩端相接處，避免泥沙受地形影響而起動(dòng)。水槽底板及邊壁都由玻璃拼接而成，壁面光滑、平整且便于觀察。水槽進(jìn)口處依次設(shè)置蜂窩狀整流格柵、溢流板、導(dǎo)流管道、壓波板整流平波，出口設(shè)置合頁式尾門，滿足試驗(yàn)水流要求。水流循環(huán)系統(tǒng)由2 個(gè)獨(dú)立的泵送系統(tǒng)組成，水泵最大功率50 kW，可提供的最大流量為40 L∕s。由調(diào)頻器控制泵的功率大小，用電磁流量計(jì)測(cè)定流量，結(jié)合尾門開度調(diào)控流速。泥沙起動(dòng)過程中，采用PIV 系統(tǒng)采集泥床表面附近的水體灰度圖像。

圖1 試驗(yàn)裝置

1.3 試驗(yàn)方法

為掌握鹽水環(huán)境下細(xì)顆粒淤泥的起動(dòng)規(guī)律，自循環(huán)系統(tǒng)蓄水池依次配置淡水、5‰、10‰、20‰、30‰、40‰鹽水，試驗(yàn)水深恒定為0.155 m，僅控制鹽度這一單一變量開展試驗(yàn)。為弄清楚鹽度對(duì)泥沙起動(dòng)流速的影響是出于鹽度對(duì)水動(dòng)力條件的改變還是完全取決于鹽度對(duì)細(xì)顆粒泥沙本身物理化學(xué)性質(zhì)的影響，每組沙樣在鹽水環(huán)境下的起動(dòng)試驗(yàn)各分3 個(gè)系列:鹽水0‰泥(僅水體含鹽)、鹽水鹽泥(水體和泥沙均含鹽)和0‰水鹽泥(僅泥沙含鹽)起動(dòng)試驗(yàn)。

為判別淤泥的臨界起動(dòng)條件，開展基于過程的泥沙起動(dòng)變化規(guī)律研究。首先，水體灰度圖像與流速同步采集，將PIV 系統(tǒng)的激光器和攝像機(jī)布置在鋪泥段中部，使激光器發(fā)射的片光源水平且貼近泥面，照亮泥床近底層一個(gè)很薄的面，攝像機(jī)鏡頭與片光源垂直，用于捕捉泥沙起動(dòng)時(shí)近底層水體灰度圖像(圖2)；然后，采用MATLAB編程將灰度圖像轉(zhuǎn)化成灰度值；接著，繪制泥沙起動(dòng)過程中水體灰度隨流速變化曲線；最后，利用所繪水體灰度流速關(guān)系曲線拐點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)黏性泥沙起動(dòng)流速的定量判別。

圖2 泥沙起動(dòng)圖像采集

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 起動(dòng)現(xiàn)象及判別

圖3 為黃河花園口分選泥沙的起動(dòng)現(xiàn)象，以10‰水0‰泥(水體鹽度10‰，泥沙鹽度0‰)為例，當(dāng)流速較低時(shí)，床面附著顆粒微團(tuán)隨水流緩慢移動(dòng)，見圖3a)；增大流速，暴露在泥床表面的顆粒微團(tuán)縷狀條紋輸移，見圖3b)；再增大流速，床面縷狀條紋輸移且泥沙條紋長度增大、間距增密、輸移速度加快；當(dāng)流速增大到某一值后，輸沙停止，床面平整干凈；當(dāng)流速再次增大到某一值后，床面局部薄弱位置出現(xiàn)小坑，時(shí)而有少量泥沙從小坑處貼近床面懸移；當(dāng)流速進(jìn)一步增大，床面多處位置泥沙小塊剝離，持續(xù)少量泥沙從小坑處貼近床面懸移；再稍增大流速，小坑縱向撕裂拉長，泥沙“煙霧” 持續(xù)多處懸揚(yáng)，泥沙普遍起動(dòng)，見圖3c)～d)。鹽水環(huán)境下，黏性淤泥絮凝、團(tuán)聚作用增強(qiáng)，隨著流速的增大，床面要么紋絲不動(dòng)，要么起動(dòng)亦是局部沖刷，見圖3e)～f)。

圖3 黃河花園口沙樣起動(dòng)現(xiàn)象

圖4 為黃河花園口泥沙起動(dòng)流速灰度對(duì)應(yīng)關(guān)系，水體灰度值隨斷面平均流速v變化曲線很好地反映了泥沙起動(dòng)全過程。泥沙起動(dòng)過程中近底層水體灰度與流速成指數(shù)關(guān)系，灰度值先緩慢增大后急劇變大，將灰度急劇增大的突變值所對(duì)應(yīng)的流速作為起動(dòng)流速。泥沙起動(dòng)前灰度值隨流速增大時(shí)有波動(dòng)，正好對(duì)應(yīng)到各級(jí)流速下泥沙起動(dòng)和止動(dòng)的情況，當(dāng)床面浮泥及附著凸出顆粒隨泥沙帶走后，水流灰度值有所減??；隨著流速增大，床面局部小塊掀起，少許泥沙貼近床面輸移，灰度值又有所增大。水體或泥沙含鹽條件下，泥沙起動(dòng)前水體灰度變化幅度不大，甚至泥沙起動(dòng)流速的前一級(jí)流速下水體灰度值都無明顯變化。但是，稍增大流速，水體灰度值即陡然增大，特別是0‰水鹽泥(僅泥沙含鹽)試驗(yàn)，水體灰度值急劇增大至起動(dòng)前的2 倍。

圖4 黃河花園口沙樣起動(dòng)過程中水體灰度隨流速的變化

對(duì)于黏性泥沙含量占比僅為9.9%的珠江口泥沙而言，鹽度環(huán)境下泥沙雖會(huì)發(fā)生絮凝現(xiàn)象，但絮凝體結(jié)構(gòu)不如黃河花園口分選沙樣穩(wěn)固，小流量蓄水過程便能帶走一波泥沙，在逐級(jí)增大流速過程中，全床面均有泥沙貼近床面輸移。從床面特征及水體渾濁程度的變化難以找到泥沙起動(dòng)的臨界值。試驗(yàn)過程中以鋪沙段后面的玻璃底板上出現(xiàn)月牙狀泥沙小堆作為珠江口泥沙起動(dòng)試驗(yàn)的最后一級(jí)調(diào)控流速，這是由于珠江口沙樣級(jí)配較寬，起動(dòng)試驗(yàn)過程中經(jīng)水流分選最后沉積在鋪沙段后的泥沙顆粒較粗，不屬于黏土、粉沙質(zhì)范疇。

圖5 顯示珠江口泥沙流速灰度對(duì)應(yīng)關(guān)系。如圖5a)所示，鹽水0‰泥起動(dòng)過程中水體灰度值隨流速增大基本呈線性增長，且鹽水0‰泥在不同鹽度條件下隨流速變化趨勢(shì)基本一致，起動(dòng)流速相等。如圖5b)所示，鹽水鹽泥在同等鹽度條件下起動(dòng)時(shí)，水體灰度值先緩慢增大后急劇增大，最后一級(jí)形成月牙狀泥沙堆積的流速時(shí)，水體灰度值增長稍有減緩。相對(duì)于鹽水0‰泥起動(dòng)灰度值的線性增長，在低流速時(shí)鹽水鹽泥絮團(tuán)現(xiàn)象明顯，起動(dòng)顆粒及微團(tuán)數(shù)量偏少，但稍增大流速，絮凝體即發(fā)生絮散現(xiàn)象，分散成細(xì)顆粒泥沙起動(dòng)懸揚(yáng)，并且鹽水鹽泥起動(dòng)灰度值在不同鹽度條件下隨流速變化趨勢(shì)基本一致，起動(dòng)流速相同。如圖5c)所示，0‰水鹽泥絮凝現(xiàn)象較弱，稍增大流速，絮凝體即易發(fā)生絮散，但是各鹽度條件下，0‰水鹽泥的起動(dòng)流速等于鹽水鹽泥起動(dòng)流速，珠江口泥沙在鹽度條件下的“絮凝” “絮散” 基本不改變泥沙起動(dòng)特性。

圖5 珠江口沙樣起動(dòng)過程中水體灰度與流速的關(guān)系

2.2 淤泥起動(dòng)特性

圖6 為2 組沙樣起動(dòng)流速隨鹽度的變化關(guān)系。黏粒占比34.5%的黃河花園口泥沙，表現(xiàn)出黏性泥沙特性。水體或黏性泥沙的含鹽度越高，黏性泥沙越難起動(dòng)。水體及泥沙均不含鹽時(shí)起動(dòng)流速最小，為0.446 m∕s；40‰鹽泥在淡水條件下起動(dòng)流速最大，為0.673 m∕s。黏性泥沙起動(dòng)流速與水體鹽度或泥沙鹽度呈對(duì)數(shù)關(guān)系，鹽度0‰～10‰范圍內(nèi)起動(dòng)流速急劇增大，10‰～40‰范圍內(nèi)緩慢增大。對(duì)于同一含鹽度而言，0‰水鹽泥(僅泥沙含鹽)的起動(dòng)流速最大，鹽水鹽泥(水體和泥沙均含鹽)起動(dòng)流速次之，鹽水0‰泥(僅水體含鹽)起動(dòng)流速最小。

圖6 細(xì)顆粒淤泥起動(dòng)流速隨鹽度變化關(guān)系

對(duì)比黃河花園口沙樣3 個(gè)系列泥沙起動(dòng)規(guī)律可知:鹽度能增強(qiáng)水流對(duì)黏性泥沙的驅(qū)動(dòng)力以及黏性泥沙的黏性，使其抗剪切能力增強(qiáng)，但泥沙黏結(jié)力增強(qiáng)需要時(shí)間。對(duì)于鹽水0‰泥起動(dòng)試驗(yàn)，試驗(yàn)過程中鹽水逐漸滲入靜置的沙樣，沙樣鹽度略小于鹽水鹽泥起動(dòng)試驗(yàn)所用鹽泥的鹽度，并且從水槽蓄水至泥沙起動(dòng)約2 h 內(nèi)，鹽度影響下的泥沙黏結(jié)力未達(dá)到峰值，故而同等鹽度條件下，鹽水0‰泥起動(dòng)流速小于鹽水鹽泥起動(dòng)流速。另外，王夢(mèng)寒等[19]關(guān)于黏性泥沙流變特性的研究表明，本文以520 r∕min 的速率攪拌配置含鹽試驗(yàn)沙樣，攪拌速率會(huì)破壞含鹽泥沙的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，使得黏度減??；但是對(duì)于黃河花園口沙樣而言，黏性含量占比高達(dá)34.5%，鹽度對(duì)泥沙黏度的增大作用占主導(dǎo)作用，這也是鹽水鹽泥起動(dòng)流速大于鹽水0‰泥起動(dòng)流速的原因。鹽水鹽泥與0‰水鹽泥試驗(yàn)相比，雖然所用泥樣相同，但是鹽水浮力大于清水浮力，作用于黏性泥沙的上舉力更大，所以同等鹽度條件下，鹽水鹽泥起動(dòng)流速小于0‰水鹽泥起動(dòng)流速；另外，根據(jù)相似相溶原理，鹽水較0‰水更容易滲入鹽泥顆粒間鹽水分子中，從而更易驅(qū)動(dòng)泥沙微團(tuán)起動(dòng)。

黏性泥沙含量占比僅為9.9%的珠江口泥沙屬于粉沙質(zhì)，鹽度對(duì)泥樣的起動(dòng)影響甚微。水體沙樣均不含鹽時(shí)的起動(dòng)流速最低，為0.316 m∕s；僅鹽水0‰泥的起動(dòng)流速增大為0.352 m∕s。

對(duì)比珠江口沙樣3 個(gè)系列泥沙起動(dòng)規(guī)律可知:水流浮力的增加對(duì)含礫的粉沙質(zhì)起動(dòng)而言微不足道，鹽度對(duì)泥沙黏性的影響較小，高速攪拌就會(huì)使沙樣發(fā)生絮散。對(duì)于鹽水0‰泥起動(dòng)試驗(yàn)，鹽水滲入靜置泥床，顆粒間黏結(jié)力增大，起動(dòng)流速增大。然而珠江口泥沙在鹽度作用下絮凝團(tuán)聚作用較小，鹽度為5‰時(shí)，泥床抗剪切能力達(dá)到最大；鹽度大于5‰后，起動(dòng)流速隨鹽度無變化。對(duì)于鹽水鹽泥的起動(dòng)試驗(yàn)，鹽泥以520 r∕min 的速率加鹽攪拌制成，攪拌破壞了鹽泥的絮團(tuán)結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)鋪置時(shí)沙洋為“絮散” 顆粒，起動(dòng)試驗(yàn)歷時(shí)2 h 內(nèi)，未再次絮團(tuán)至穩(wěn)固結(jié)構(gòu)，故而鹽水鹽泥起動(dòng)流速小于鹽水0‰泥的起動(dòng)流速，并且從鹽泥制備到泥沙起動(dòng)過程中，鹽度與攪拌速率之間的博弈勢(shì)均力敵，鹽水鹽泥的起動(dòng)流速等于水體、泥沙均不含鹽時(shí)的起動(dòng)流速。對(duì)于0‰水鹽泥的起動(dòng)試驗(yàn)，其起動(dòng)流速等于鹽水鹽泥的起動(dòng)流速，表明鹽水與清水的浮力大小對(duì)于含礫石(11.9%)的粉沙質(zhì)淤泥起動(dòng)而言微不足道。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

將鹽水鹽泥試驗(yàn)結(jié)果趨勢(shì)與Bai 等[20]、楊兵等[21]的黏性淤泥起動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析(圖7)可知:Bai 淡水條件下實(shí)測(cè)起動(dòng)流速隨沙樣沉積密度呈指數(shù)增長，楊兵15‰鹽水環(huán)境下實(shí)測(cè)流速大于Bai 實(shí)測(cè)流速且隨沉積密度呈線性增長，至密度1.4 t∕m3時(shí)流速與Bai 實(shí)測(cè)比較接近。本文黃河花園口沙樣隨鹽度變化的起動(dòng)流速介于以上2 條曲線之間，且呈帶狀分布。其中，淡水條件下起動(dòng)流速與Bai 的相等，鹽水條件下最大流速略小于楊兵的實(shí)測(cè)值，這跟楊兵試驗(yàn)沙樣比本文試驗(yàn)沙樣更細(xì)，且鹽度大于10‰之后流速隨鹽度增長率較低有關(guān)。乍一看本文珠江口沙樣起動(dòng)流速與黏性沙的相差不大，實(shí)則由于珠江口沙樣級(jí)配較寬，從沙樣鋪置到泥沙起動(dòng)，泥沙濕密度從1.3 t∕m3沉降密實(shí)至1.4 t∕m3。

圖7 泥沙起動(dòng)流速試驗(yàn)值

3 結(jié)論

1)對(duì)于黏性淤泥，弱起動(dòng)床面沖刷率低，泥床近底層水體灰度變化約為10；普遍起動(dòng)床面沖刷率顯著提高，水體灰度—流速關(guān)系曲線發(fā)生突變的拐點(diǎn)之后的一級(jí)流速作為普遍起動(dòng)，相應(yīng)的水體灰度值急劇增大，可至起動(dòng)前的2 倍。

2)水體或黏性泥沙的含鹽度越高，黏性泥沙越難起動(dòng)。黏性泥沙起動(dòng)流速與水體鹽度或泥沙鹽度呈對(duì)數(shù)關(guān)系，鹽度0‰～10‰范圍內(nèi)起動(dòng)流速急劇增大，10‰～40‰范圍內(nèi)緩慢增大。對(duì)于同一含鹽度而言，鹽度能增強(qiáng)水流對(duì)黏性淤泥的驅(qū)動(dòng)力和黏性泥沙的黏性，使其抗剪切能力增強(qiáng)，但泥沙黏結(jié)力增強(qiáng)需要時(shí)間。0‰水鹽泥(僅泥沙含鹽)的起動(dòng)流速最大，鹽水鹽泥(水體和泥沙均含鹽)起動(dòng)流速次之，鹽水0‰泥(僅水體含鹽)起動(dòng)流速最小。

3)黏粒占比僅為9.9%、級(jí)配較寬的珠江口泥沙起動(dòng)特性有別于黏性泥沙，屬于含礫粉沙質(zhì)淤泥，在鹽水環(huán)境下會(huì)發(fā)生絮凝現(xiàn)象。以520 r∕min的攪拌速率配置的含鹽粉沙質(zhì)淤泥極易發(fā)生“絮散”，鹽度對(duì)粉砂質(zhì)淤泥的起動(dòng)影響甚微。