劉 潔,周 鵬,孟彩俠

(1. 重慶交通大學(xué) 國(guó)家內(nèi)河航道工程技術(shù)研究中心,重慶400074; 2. 重慶交通大學(xué) 河海學(xué)院,重慶 400074)

河流所攜帶的泥沙在水庫(kù)、河口、港池及海岸等地區(qū)落淤后,會(huì)與水流混合形成具有一定流動(dòng)性的近底含沙懸浮體。20世紀(jì)50年代,C．C．INGLIS 等[1]在研究Thames河口的泥沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律時(shí),首次將近底高含沙水體稱為浮泥(fluid mud),此后該名詞逐漸為學(xué)界所接受,特指理化性質(zhì)有別于一般低濃度含沙水體的近底細(xì)顆粒泥沙、有機(jī)物和水的混合體,是一種普遍存在于淤泥質(zhì)沉積環(huán)境中的因懸沙落淤或土體液化起懸的中間產(chǎn)物[2]。

在我國(guó),浮泥廣泛存在于海灣(如遼東灣、渤海灣)、河口(如長(zhǎng)江口、珠江口)、港口(如天津港、連云港、上海港、廣州港等)及水庫(kù)(如小浪底水庫(kù))中[3-4]。浮泥的存在給很多工程帶來(lái)了實(shí)際問(wèn)題,一方面是港池、航道驟淤問(wèn)題非常嚴(yán)重,鉗制了港口吞吐量增長(zhǎng),增加了港池航道疏浚維護(hù)成本;另一方面由于細(xì)顆粒泥沙能吸附污染物并能隨水流輸運(yùn),其排放會(huì)造成水環(huán)境的二次污染[5]。為解決浮泥在港池、航道的淤積問(wèn)題,從20世紀(jì)50年代開(kāi)始,一些學(xué)者便對(duì)浮泥成因、運(yùn)動(dòng)及監(jiān)測(cè)開(kāi)展了研究,且取得了一定成果,指導(dǎo)了工程發(fā)展[6-11]。筆者基于國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究成果,對(duì)浮泥形成機(jī)制及觀測(cè)方法,浮泥特性及輸移規(guī)律進(jìn)行了分類和總結(jié),為工程實(shí)踐提供理論依據(jù)。

1 浮泥形成及觀測(cè)

1.1 浮泥形成

根據(jù)學(xué)者們形成的共識(shí)可知[12-14]:豐富的細(xì)顆粒泥沙來(lái)源和多樣的外部水動(dòng)力環(huán)境是形成浮泥的必要條件,根據(jù)浮泥形成過(guò)程不同可歸納為3種情況。第1種是在潮流、波浪及水流等動(dòng)力產(chǎn)生的切應(yīng)力大于細(xì)顆粒泥沙的臨界起動(dòng)應(yīng)力時(shí),泥沙顆粒起動(dòng)懸揚(yáng),并隨水流運(yùn)移到航道或掩護(hù)區(qū)而落淤,黏性泥沙在沉降過(guò)程中,由于絮凝作用會(huì)逐漸形成絮團(tuán)顆粒,當(dāng)絮團(tuán)顆粒濃度達(dá)到一定程度后會(huì)逐漸呈現(xiàn)蜂窩狀的高含沙絮團(tuán)結(jié)構(gòu),并且與靠近河床底部的上層水體間出現(xiàn)清晰界面,當(dāng)濃度繼續(xù)增大至流變特性發(fā)生改變時(shí)便形成了浮泥,如圖1;第2種是海床表層淤泥軟化后在水平方向發(fā)生流動(dòng)后聚集在一起形成浮泥;第3種是具有一定坡度的海灘、航槽邊坡或峽谷坡面上的泥沙在大風(fēng)浪等作用下起動(dòng)后形成高含沙水體,在重力作用下向坡腳運(yùn)移匯聚而形成浮泥。一般而言,淤泥質(zhì)海岸和河口地區(qū)浮泥較為常見(jiàn),因?yàn)檫@些地區(qū)泥沙粒徑小,泥沙容易懸浮和產(chǎn)生絮凝。李九發(fā)等[15]在研究長(zhǎng)江河口浮泥形成機(jī)理及變化過(guò)程中指出:在長(zhǎng)江口徑潮流相互作用下存在一個(gè)咸淡水混合過(guò)渡帶,此處大量泥沙匯聚,易促進(jìn)細(xì)顆粒泥沙絮凝沉降,近河底常出現(xiàn)高濃度的浮泥層。

圖1 浮泥形成過(guò)程Fig. 1 Formation process of fluid mud

浮泥特性與其密度具有十分密切的關(guān)系,大多數(shù)學(xué)者[6,13,16-17]一般采用密度或含沙量來(lái)區(qū)分浮泥(國(guó)內(nèi)多采用密度區(qū)分,國(guó)外多采用含沙量區(qū)分)。當(dāng)浮泥流動(dòng)性明顯消失時(shí),流變性參數(shù)隨浮泥重度增大而明顯加大時(shí)的浮泥特性為浮泥上界;當(dāng)含沙水體中泥沙在絮凝沉降過(guò)程中,底部泥漿與上部水體出現(xiàn)清晰界面,泥漿流型由牛頓體轉(zhuǎn)為賓漢流體時(shí)的浮泥特性為浮泥下界。以浮泥密度來(lái)定義浮泥界限時(shí),浮泥密度基本介于1 020～1 300 kg/m3。黃勝等[17]認(rèn)為:浮泥密度上限為1 250 kg/m3,下限為1 030 kg/m3;李九發(fā)等[18]測(cè)得長(zhǎng)江口浮泥密度介于1 040～1 250 kg/m3;李昆鵬等[19]在研究小浪底水庫(kù)浮泥對(duì)后期異重流運(yùn)行影響時(shí),以1 250 kg/m3作為浮泥上限。

國(guó)外學(xué)者通常還采取另一種區(qū)分浮泥的方法,即以水體含沙量來(lái)定義浮泥界限。N．V．M．ODD等[8]認(rèn)為:浮泥含沙濃度上限為1 200 kg/m3,下限為1 080 kg/m3;G．C．KINEKE等[20]將懸浮泥沙濃度400 kg/m3定義為浮泥層濃度上限,將10 kg/m3定義為浮泥層濃度下限;J．C.WINTERWERP等[21]將浮泥定義為含沙濃度在膠凝點(diǎn)以上,即介于10～100 kg/m3的黏性泥沙懸浮體。

1.2 浮泥觀測(cè)

國(guó)內(nèi)外針對(duì)浮泥觀測(cè)已有較長(zhǎng)歷史,且觀測(cè)方法較為多樣,依據(jù)觀測(cè)方法原理不同可分為4類[22]。第1類,以浮力原理進(jìn)行某一重度的浮泥界面深度測(cè)量,如測(cè)深砣法。龐啟秀[13]以三爪砣測(cè)深垂線采集了大量浮泥樣本,確定了天津港適航淤泥重度為12.7 kN/m3。第2類,以射線穿透不同密度的物質(zhì)衰減快慢不同原理來(lái)測(cè)量浮泥的密度值,如γ射線原理測(cè)量法。上海航道局自1976—2000年先后采用FE-101雙頻回聲探測(cè)儀、浮泥分層取樣器、高濃度γ射線測(cè)沙儀并結(jié)合CTD,發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)江口南槽有浮泥,而北槽未見(jiàn)浮泥[23]。第3類,以超聲波反射或散射的原理測(cè)量浮泥密度或含沙量,如超聲波原理測(cè)量法、音叉密度測(cè)量法。李九發(fā)等[18]在長(zhǎng)江口利用Innerspace-449熱敏式雙頻道回聲探測(cè)儀測(cè)量了浮泥上下界面,并利用HSDM聲學(xué)高密度測(cè)沙儀測(cè)量了浮泥的密度值。第4類,基于超聲波、射線或浮力原理融合而形成的觀測(cè)系統(tǒng),如耦合測(cè)量法。許寶華等[24]采用SILAS走航式水底浮泥連續(xù)密度測(cè)量系統(tǒng),對(duì)象山港航道淤泥回淤厚度進(jìn)行了觀測(cè),其觀測(cè)結(jié)果有較高的精確度。A．S．OGSTON等[25]和R．P．HALE等[26]分別采用搭載光學(xué)后向散射傳感器OBS觀測(cè)系統(tǒng),在加利福尼亞北部陸架觀測(cè)到了浮泥層形成并以重力流形式向海運(yùn)動(dòng)的過(guò)程。近年來(lái),也出現(xiàn)了新的浮泥觀測(cè)方法,如欒紅等[27]利用Iandsat8系列高分遙感衛(wèi)星資料對(duì)珠江口懸沙進(jìn)行了四季遙感反演和分析,得到了珠江口海域懸浮泥沙各季節(jié)的典型分布特征。

上述技術(shù)具有不同的優(yōu)缺點(diǎn):測(cè)深砣測(cè)量法費(fèi)時(shí)費(fèi)力,測(cè)量精度受人為操作影響大;γ射線測(cè)量法分辨率高且直觀,不易受到外界因素干擾,但測(cè)量時(shí)速度較超聲波測(cè)量慢;超聲波測(cè)量法易受到外界因素干擾,有時(shí)難以界定浮泥上下層界面及厚度;耦合測(cè)量法精度高,但操作困難。

1.3 浮泥厚度

浮泥沖淤受眾多因素影響,準(zhǔn)確計(jì)算和預(yù)測(cè)深水浮泥淤積厚度仍有困難,但也有部分學(xué)者已從理論推導(dǎo)并結(jié)合實(shí)測(cè)資料擬合了浮泥厚度估算公式。白玉川等[28]基于波浪懸沙和挾沙機(jī)理,得到波浪作用下泥沙濃度分布函數(shù),并對(duì)河口海岸區(qū)域及航道驟淤進(jìn)行了研究,給出了4種河口驟淤厚度計(jì)算方法。針對(duì)港池和航道沖淤?gòu)?qiáng)度計(jì)算問(wèn)題,國(guó)內(nèi)常采用基于平均概化角度對(duì)港池和航道回淤厚度進(jìn)行計(jì)算[29]:

(1)

式中:p為在t時(shí)間內(nèi)的淤積厚度;ωk為泥沙沉速;Sk為淺灘水域含沙量;γ0為淤積物干密度;K1、K2分別為經(jīng)驗(yàn)系數(shù),取K1=0.35,K2=0.13;H1、H2分別為開(kāi)挖前后的平均水深;i為水流與航道軸交角。

丁濟(jì)森等[30]采用劉家駒公式[29]和羅肇森公式[7]對(duì)日照港原油碼頭港池和航道淤積厚度進(jìn)行了預(yù)測(cè),發(fā)現(xiàn)這兩種方法得到的平均淤積強(qiáng)度及總淤積量很接近。

W．H．MCANALLY 等[31]基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,提出了流體泥漿厚度隨時(shí)間變化的指數(shù)經(jīng)驗(yàn)計(jì)算式:

H=M[1-e-α1 β1 T]2.5

(2)

式中:H為浮泥層厚度;α1、β1分別為系數(shù),基于M(波浪振幅和河床固結(jié)程度)確定,分別取α1=0.021 6,β1=0.346;T為時(shí)間。

2 浮泥特性

2.1 固結(jié)特性

浮泥形成的初始階段,會(huì)發(fā)生受阻沉降,之后浮泥會(huì)逐漸聚合形成一個(gè)邊界層,這一過(guò)程被稱為初次固結(jié);沉降過(guò)程中,沉降區(qū)上邊界層會(huì)隨時(shí)間推移而逐漸下降,直到與河床邊界相遇而停止。浮泥固結(jié)時(shí)間可以持續(xù)幾小時(shí)到幾年,固結(jié)速率由間隙水或孔隙水從基質(zhì)中逸出速率控制,即使在脫水結(jié)束后,顆粒內(nèi)部重排也可能造成二次固結(jié)[32]。此外,沉積的浮泥在相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)可以抵抗侵蝕,這是因?yàn)楹芸赡茉诹黧w狀態(tài)下的浮泥已經(jīng)達(dá)到或接近“膠凝點(diǎn)”,即浮泥在靜止足夠長(zhǎng)時(shí)間后,將逐漸形成由顆粒間接觸支撐,通過(guò)自重排出孔隙水,不斷強(qiáng)化固結(jié)強(qiáng)度,抵抗再懸浮等影響[33-34]。許寶華[35]進(jìn)行了室內(nèi)靜水條件下不同濃度浮泥的固結(jié)試驗(yàn),結(jié)果表明浮泥在靜水條件下固結(jié)均需要經(jīng)歷均勻沉降、過(guò)度沉降、壓縮沉降等階段,在其他條件相同情況下,含沙量越高,均勻沉降所需的時(shí)間越長(zhǎng),過(guò)度沉降時(shí)間就越短。泥沙絮凝后在骨架尚未形成時(shí),抗剪強(qiáng)度為零,在沉降階段,重度會(huì)迅速增加,當(dāng)重度達(dá)到1.2 g/cm3左右,其增加速度趨緩,進(jìn)入壓實(shí)固結(jié)階段。

2.2 流變特性

圖2 典型流變模型Fig. 2 Typical rheological model

近年來(lái),生物對(duì)浮泥流變特性的影響也逐漸引起了學(xué)界注意。FANG Hongwei等[41]基于生物膜對(duì)流變性影響方面的考慮,測(cè)定比較了不同生長(zhǎng)階段的無(wú)生物膜和有生物膜泥漿的流變性能,發(fā)現(xiàn)水生生物所分泌的生物膜能嵌入和滲透到絮凝沉積物空隙中,使得泥漿初期具有塑性流體的流變特征,且剪切速率與剪切應(yīng)力成正比,當(dāng)剪切速率超過(guò)規(guī)定值時(shí),表面應(yīng)力卻幾乎保持不變,當(dāng)生物膜消失后,流變屈服應(yīng)力會(huì)下降。

2.3 觸變性

浮泥除表現(xiàn)出剪切變稀或剪切增稠的現(xiàn)象之外,其流變特性還與時(shí)間效應(yīng)相關(guān),被稱為浮泥的觸變性[42]。對(duì)浮泥觸變性認(rèn)識(shí)早期是通過(guò)絮凝沉降試驗(yàn)而來(lái)。張軍[43]在研究黃河泥沙異重流的特性、運(yùn)動(dòng)及機(jī)制中,分析黏性泥沙絮凝成因時(shí),認(rèn)為當(dāng)絮網(wǎng)隨著時(shí)間調(diào)整其結(jié)構(gòu)形態(tài)階段,因流變性質(zhì)也隨時(shí)間變化,懸浮體就成為了觸變體。E．KNAPPE等[44]研究天然沉積物流變性時(shí)發(fā)現(xiàn):半彈性沉積物具有觸變性行為,靜態(tài)屈服應(yīng)力明顯大于動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力。動(dòng)態(tài)屈服試驗(yàn)結(jié)果表明:天然火山附近的海底泥漿在增加應(yīng)變率與減小應(yīng)變率部分之間有顯著差異,泥漿流變性與微觀結(jié)構(gòu)具有時(shí)間依賴性,粒子濃度越高,這種滯后現(xiàn)象越明顯;靜態(tài)屈服試驗(yàn)結(jié)果表明:泥漿最初為結(jié)構(gòu)化,當(dāng)克服表觀屈服應(yīng)力后,沉積物會(huì)變得非結(jié)構(gòu)化,并開(kāi)始加速流動(dòng)。K．DULLAERT等[45]在考慮剪切應(yīng)力對(duì)絮凝顆粒聚集、破裂及布朗運(yùn)動(dòng)影響基礎(chǔ)上,提出了基于非彈性懸浮介質(zhì)的觸變體系流動(dòng)特征結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型,并通過(guò)一系列突然變化剪切速率引起的瞬態(tài)試驗(yàn)進(jìn)行評(píng)估,結(jié)果表明該模型能定量描述因剪切速率突然改變所引起的應(yīng)力瞬變。FANG Hongwei等[41]在研究生物膜對(duì)流變性影響時(shí),觀察到生物膜沉積物具有觸變性特征,且觸變性能反映出污泥在剪切作用下結(jié)構(gòu)強(qiáng)度逐漸破壞的特征性,在剪切速率不變時(shí),觸變性表現(xiàn)為剪切應(yīng)力隨剪切時(shí)間增加而減小,直到剪切應(yīng)力不變達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。

3 浮泥輸移

浮泥輸移主要受外部風(fēng)浪、潮流和波浪等動(dòng)力因素影響,因此目前對(duì)浮泥輸移的研究主要集中于外部動(dòng)力條件下的垂直方向上的懸揚(yáng)和傾斜方向上的重力流。

3.1 懸 揚(yáng)

浮泥形成后與上層水體間存在一個(gè)清晰穩(wěn)定的界面,當(dāng)水體流速增大到破壞水-泥界面穩(wěn)定時(shí),浮泥層中大量泥沙會(huì)卷入水體中,這被稱為浮泥的懸揚(yáng)。浮泥懸揚(yáng)主要有兩種情況:① 在外部能量及波浪等動(dòng)力條件輸入后,當(dāng)水流產(chǎn)生剪切應(yīng)力達(dá)到能足夠破壞浮泥與上層水體界面時(shí),浮泥中的泥沙顆粒會(huì)以懸揚(yáng)方式向上層水體輸移;② 紊流直接沖擊靜止懸浮層表面,在渦流擾動(dòng)下顆粒沉積物從表面剝離,從而使高密度泥沙顆粒懸浮,并向上層水體輸送。因此,在明確浮泥懸揚(yáng)的兩種情況后,多數(shù)學(xué)者對(duì)浮泥的臨界懸揚(yáng)條件和懸揚(yáng)率尤為關(guān)注,相關(guān)研究也主要是圍繞量化浮泥臨界懸揚(yáng)條件和懸揚(yáng)率展開(kāi)。

3.1.1 臨界懸揚(yáng)條件

第1類研究認(rèn)為:浮泥為賓漢體,當(dāng)水流剪切應(yīng)力大于賓漢應(yīng)力時(shí),某一流速條件下浮泥泥面失穩(wěn)進(jìn)入水體中,應(yīng)以界面失穩(wěn)時(shí)的水流速度作為臨界懸揚(yáng)流速,建立懸揚(yáng)起動(dòng)流速公式。曹祖德[46-47]研究發(fā)現(xiàn):在波浪作用下浮泥容重較小時(shí),浮泥界面將隨表面波的震蕩面做相應(yīng)起伏,只有當(dāng)表面波出現(xiàn)破碎時(shí),界面波才會(huì)發(fā)生局部破碎而引起浮泥中的泥沙懸浮;當(dāng)浮泥容重較大,表面波發(fā)生作用時(shí),浮泥松動(dòng),級(jí)配中細(xì)小的泥沙顆粒發(fā)生懸揚(yáng)。根據(jù)試驗(yàn)資料擬定了懸揚(yáng)起動(dòng)流速公式:

(3)

(4)

式中:u0為懸揚(yáng)起動(dòng)流速;Δρ為浮泥與水的密度差;ρ為水的密度;h為水深;v為水運(yùn)動(dòng)黏性系數(shù);vm為浮泥運(yùn)動(dòng)黏性系數(shù);μ0為浮泥和水的相對(duì)黏度;τB為賓漢切應(yīng)力。

第2類研究主要是確定臨界懸揚(yáng)流速與浮泥密度之間的關(guān)系。練繼建等[48]、范家驊[49]和XU Dong等[50]分別基于水槽試驗(yàn)并結(jié)合量綱分析,提出了半經(jīng)驗(yàn)半理論的黏性泥沙臨界懸揚(yáng)流速公式(表1)。

表1 臨界懸揚(yáng)流速經(jīng)驗(yàn)公式

表1中:臨界懸揚(yáng)流速Uc與浮泥密度ρm之間存在顯著的冪函數(shù)關(guān)系,且多采用分層流相對(duì)密度(ρm-ρ)/ρ關(guān)聯(lián)Uc,浮泥與水的密度差越大,Uc相應(yīng)增大;黏滯性μ增大,Uc也相應(yīng)增大[51],而水深h較ρm及μ對(duì)Uc影響相對(duì)較小。

第3類研究考慮了不同類型泥沙臨界懸揚(yáng)切應(yīng)力τc與ρm之間的關(guān)系,建立了以ρm或淤積物含沙量S為參數(shù)的起動(dòng)判別式[13,52],其一般表達(dá)式為:

τc=E1SE2或τc=E3(ρm-ρ)E4

(5)

式中:E1、E2、E3、E4分別為經(jīng)驗(yàn)系數(shù),其具體參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 臨界懸揚(yáng)切應(yīng)力經(jīng)驗(yàn)系數(shù)取值

這類公式考慮因素單一,臨界懸揚(yáng)切應(yīng)力隨浮泥密度增加呈現(xiàn)指數(shù)變化趨勢(shì),能適用于較大范圍密度的黏性泥沙,見(jiàn)圖3。但這類公式并沒(méi)有考慮外部動(dòng)力條件(如固結(jié)沉降、波浪紊流等因素)的影響,可能會(huì)導(dǎo)致與實(shí)測(cè)值有較大誤差。

圖3 浮泥密度與臨界懸揚(yáng)切應(yīng)力關(guān)系Fig. 3 Relationship between fluid mud density andcritical entrainment shear stress

楊美卿[53]在分析浮泥起動(dòng)臨界狀態(tài)時(shí),從細(xì)泥沙絮凝電化學(xué)理論出發(fā),分析了泥沙受力情況,并推導(dǎo)出了Shields參數(shù),含沙量與起動(dòng)切應(yīng)力之間的關(guān)系式為:

(6)

(7)

式中:θm為Shields參數(shù);d為顆粒粒徑;S為淤積物含沙量;Sm為淤泥沉積穩(wěn)定后的含沙量。

式(6)將有效重力項(xiàng)與顆粒黏著力項(xiàng)考慮在了起動(dòng)切應(yīng)力中,在一定程度上能綜合反映浮泥的淤積、固結(jié)、起動(dòng)和再懸浮的影響過(guò)程,但忽略了浮泥自身的高流動(dòng)性,因此并不完全適用于浮泥懸揚(yáng)起動(dòng)機(jī)理。

3.1.2 懸揚(yáng)率

在考慮渦旋引起的剪切流而導(dǎo)致浮泥懸揚(yáng)輸移時(shí),常構(gòu)建以浮泥界面的水深變化率(懸揚(yáng)率)與平均剪切速度或界面摩阻流速之比的無(wú)量綱懸揚(yáng)系數(shù)[32,37,54-55],其一般形式為:

(8)

式中:E*為懸揚(yáng)系數(shù);Ue為懸揚(yáng)率;U*為混合層平均流速或界面摩阻流速。

Δb1=g(ρ-ρ1)/ρ1

(9)

式中:ρ1為參考密度;h1為上層(低濃度)平均深度。

A．J．MEHTA等[55]從能量平衡角度出發(fā),考慮了浮泥紊動(dòng)對(duì)懸揚(yáng)率影響,并建立起浮泥紊動(dòng)層能量平衡方程式:

(10)

進(jìn)一步通過(guò)量綱分析法并略去鹽度擴(kuò)散項(xiàng)后得到與體積理查森數(shù)(Rib)之間的關(guān)系:

(11)

(12)

式中:U為混合層平均流速;A、D分別為常數(shù),需要實(shí)驗(yàn)確定(A．J．MEHTA等[54]通過(guò)擬合曲線測(cè)得A=0.005 2,D=0.000 016)。

M．BECKER等[57]研究了河口渾濁帶潮下沙丘中浮泥層的懸揚(yáng)問(wèn)題,觀測(cè)到威悉河口潮下沙丘存在主潮引起“卷吸”現(xiàn)象,進(jìn)一步分析后發(fā)現(xiàn)“卷吸”與沙丘后的特定湍流場(chǎng)發(fā)展有關(guān),與無(wú)強(qiáng)湍流場(chǎng)相比,強(qiáng)湍流場(chǎng)沙丘頂部的湍流應(yīng)力會(huì)加速浮泥層沿泥躍層方向的輸移。為此其采用忽略黏性項(xiàng)的懸揚(yáng)率公式來(lái)計(jì)算浮泥輸移:

(13)

式中:Ue為懸揚(yáng)率;Rib為體積理查森數(shù);ρ2為泥躍層以上的密度;ρL為泥躍層以下的密度;h為水深。

J．C．WINTERWERP等[58]對(duì)英國(guó)Crouch河疏浚過(guò)程中浮泥的懸揚(yáng)輸移過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn):模擬結(jié)果與實(shí)際觀測(cè)到的輸移擴(kuò)散結(jié)果具有一致性,其懸揚(yáng)模型為:

(14)

式中:Cs、Cσ分別為懸揚(yáng)系數(shù),取Cs=0.25,Cσ=0.42;τB=0.2Pa;u*,m為水-泥界面剪切速率;u*,s為擾動(dòng)項(xiàng);u為上層水流速;um為流體泥漿層速度。

3.2 重力流

重力流是由泥沙或泥沙-水混合物在重力作用下沿傾斜坡面運(yùn)動(dòng)的流體,通常也被稱為密度流,其動(dòng)力機(jī)制是在重力作用下因流體微小密度差而保持的運(yùn)動(dòng)[32]。在大陸架邊緣,存在劇烈的重力驅(qū)動(dòng)流(如濁流)將沉積物輸送至深水中的現(xiàn)象,這個(gè)沉積物輸移過(guò)程會(huì)對(duì)河口演變、海岸形態(tài)塑造及航道淤積產(chǎn)生重要影響[59]。學(xué)界對(duì)浮泥重力流輸移機(jī)制十分關(guān)注,然而目前浮泥重力流的研究手段仍以建立理論模型和現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)為主。

3.2.1 理論研究

通過(guò)建立浮泥平衡坡度模型,探求坡度與浮泥厚度、臨界剪切應(yīng)力之間的關(guān)系,揭示浮泥重力流輸移機(jī)制。唐磊等[60]在分析淤泥質(zhì)海岸近岸緩坡形成原因時(shí),認(rèn)為浮泥不是牛頓體,在重力作用下表現(xiàn)為賓漢流體的特征(只有當(dāng)浮泥層底部剪切應(yīng)力達(dá)到或超過(guò)賓漢臨界剪切應(yīng)力時(shí),才會(huì)發(fā)生流動(dòng)),從浮泥平衡坡度理論建立模型(圖4)為:

圖4 浮泥受力示意Fig. 4 Forces on fluid mud

(15)

式中:G′為有效重力;FB為底部剪切力;Pm為浮泥兩端壓力(浮泥厚度較小,假定兩端壓力相等);Pw為水壓力;N為上舉力。

將式(15)化為切應(yīng)力形式,可得到浮泥坡度平衡理論模型:

τb=ρmHg′sinθ

(16)

式中:τb為浮泥底部剪切應(yīng)力;H為浮泥層厚度;ρm為浮泥密度。

進(jìn)一步可得平衡坡度理論計(jì)算式:

(17)

式中:θ為坡度。

洪柔佳等[61]采用賓漢臨界剪切應(yīng)力τB=5.765×10-10e17.706ρm來(lái)檢驗(yàn)了平衡坡度理論模型的準(zhǔn)確性。

3.2.2 現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)

建立摩擦力與壓強(qiáng)梯度力的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式,解釋浮泥重力流運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象。L．D．WRIGHT等[62]對(duì)黃河三角洲前緣懸沙擴(kuò)散現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量試驗(yàn)表明:底泥主要以重力流的形式向渤海灣淺水區(qū)擴(kuò)散,這些底泥呈羽狀沿三角洲前緣下降,用方程來(lái)描述羽狀重力流的力平衡如式(18):

(18)

張軍[43]研究黃河泥沙異重流形成機(jī)制時(shí),忽略科氏力影響,得出了浮泥以異重流形式在斜坡上的摩擦與壓強(qiáng)梯度力的平衡關(guān)系為:

g″=g(ρd-ρt)/ρt

(19)

式(19)中:h″、β、ρd、g″這4個(gè)因素中任何一個(gè)改變都會(huì)對(duì)異重流產(chǎn)生影響,且泥沙濃度是產(chǎn)生異重流的直接因素。在異重流在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,泥水邊界之間存在的湍動(dòng)混合現(xiàn)象會(huì)使泥水與水不斷交換,致使ρd、g″不斷改變。

P．TRAYKOVSKI等[63]對(duì)Eel河沉積物觀測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn):波浪引起重力驅(qū)動(dòng)的流體泥漿在跨陸架輸移中占主導(dǎo)地位,且流體泥漿層似乎被表面重力波束縛,在底部區(qū)域形成較高濃度后會(huì)引發(fā)下坡流。建立了跨陸架邊界層底部摩擦與科氏加速度及壓力梯度間引起的剪應(yīng)力的平衡式,如式(20):

(20)

式中:f為科里奧利頻率;Δv為邊界層內(nèi)與邊界層上沿陸架的速度差;g′=gΔρ/ρ,Δρ為浮泥與清水密度差;β為斜坡坡度。

通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算后,進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)泥漿濃度高于20 kg/m3,科氏力在式(20)中并不是主導(dǎo)因素,略去科氏力并沿垂向積分可得Chzey方程,如式(21):

Hg′sinβ=CdU′2

(21)

式中:H為浮泥層的厚度;Cd為阻力系數(shù)(Cd=0.000 8～0.005);U′為泥漿輸移速度。

YANG Xiaochen等[64]基于非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格有限體積海岸-海洋模型,從流體泥漿與地層間的摩擦和剪力關(guān)系出發(fā),通過(guò)建立水-流體-泥漿耦合模型來(lái)模擬底層流體泥漿的輸移,其剪應(yīng)力關(guān)系如下:

(22)

(23)

式中:ρm、ρ分別為浮泥和水的密度;fs、fm分別為水層、底層與流體泥漿的摩擦系數(shù);u、v分別為泥漿在上部水層x、y方向上的速度;τsx、τsy分別為水-泥漿界面在x、y方向上的剪應(yīng)力;τbx、τby分別為泥床界面在x、y方向上的剪應(yīng)力。

近年來(lái),大型河流水庫(kù)群精細(xì)化調(diào)度正有序推進(jìn),而準(zhǔn)確掌握水沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律依舊是精確預(yù)測(cè)水庫(kù)淤積形態(tài)和庫(kù)容的基礎(chǔ),是實(shí)現(xiàn)水庫(kù)群減淤優(yōu)化調(diào)度發(fā)揮水庫(kù)綜合效益的首要問(wèn)題[4,65]。胡春宏[66]利用LISST在三峽庫(kù)區(qū)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)到庫(kù)區(qū)河段普遍存在泥沙絮團(tuán);李文杰等[67]通過(guò)實(shí)測(cè)三峽庫(kù)區(qū)瞬時(shí)流速和含沙量,推算出泥沙實(shí)際沉速是單顆粒泥沙沉速的10倍,證明庫(kù)區(qū)存在浮泥特征的床面淤積物。水沙數(shù)值計(jì)算結(jié)果也表明不考慮水庫(kù)淤積物的浮泥特性是導(dǎo)致數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)淤積形態(tài)不吻合的關(guān)鍵[68]。假東東等[68-69]認(rèn)為:三峽水庫(kù)近壩區(qū)泥沙顆粒較細(xì),使得淤積物表現(xiàn)出一定的浮泥特性,引入臨界平衡坡度作為浮泥失穩(wěn)流動(dòng)判別標(biāo)準(zhǔn),對(duì)近壩區(qū)泥沙淤積形態(tài)進(jìn)行模擬,計(jì)算結(jié)果符合庫(kù)區(qū)實(shí)測(cè)泥沙淤積形態(tài)特征,但未考慮浮泥流變特性;隨后考慮小浪底水庫(kù)浮泥賓漢體流變特性,將式(23)、式(24)應(yīng)用于小浪底水庫(kù)淤積形態(tài)數(shù)值模擬中,對(duì)小浪底庫(kù)區(qū)床面淤積形態(tài)進(jìn)行了分析,并與實(shí)際細(xì)顆粒泥沙輸移沖淤分布進(jìn)行對(duì)比,表明了該剪應(yīng)力模型也適用于描述水庫(kù)淤泥輸移,但研究中并未深入考慮黏性泥沙復(fù)雜理化性質(zhì)和外部水動(dòng)力荷載對(duì)浮泥流變特性的影響。

李昆鵬等[19]對(duì)小浪底水庫(kù)浮泥在后期異重流運(yùn)行響應(yīng)方面進(jìn)行了研究,通過(guò)原型觀測(cè)數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)水庫(kù)中存在浮泥,且水庫(kù)中的不動(dòng)浮泥層厚度在異重流發(fā)生后會(huì)顯著減少,間接說(shuō)明了水庫(kù)浮泥輸移或能以異重流的形式進(jìn)行。李濤等[70]在分析黃河水沙特性基礎(chǔ)上,對(duì)洪水異重流與浮泥作用水槽進(jìn)行了試驗(yàn)研究,表明水庫(kù)浮泥不僅會(huì)影響當(dāng)次洪水泥沙輸運(yùn),也會(huì)對(duì)后續(xù)洪水異重流輸運(yùn)有明顯影響;通過(guò)分析浮泥賓漢塑性體流變特性和異重流有效切應(yīng)力,提出了浮泥運(yùn)動(dòng)判別數(shù),但該研究未考慮外部水動(dòng)力條件和沉積環(huán)境對(duì)浮泥流變特性的影響。張俊華[4]對(duì)小浪底水庫(kù)輸沙規(guī)律進(jìn)行了研究,指出在洪水能量不足,異重流繼續(xù)前進(jìn)或異重流運(yùn)行至壩前閘門未及時(shí)開(kāi)啟時(shí),就地停滯會(huì)產(chǎn)生浮泥層,其根據(jù)后續(xù)異重流和前期浮泥層之間是否有混摻而定義了侵入型和界面型流動(dòng),并給出了浮泥特征厚度,如式(24):

(24)

式中:I為水庫(kù)浮泥層流動(dòng)判別數(shù);hm為水庫(kù)浮泥層厚度;J為渾液面比降;Si為異重流含沙量;C為經(jīng)驗(yàn)系數(shù),小浪底水庫(kù)C=1.84×10-21。

當(dāng)I>1,浮泥層方可流動(dòng);I≤1,浮泥層停滯;當(dāng)I=1時(shí),可得到水庫(kù)浮泥層臨界特征厚度hmc。

(25)

綜上,浮泥成為影響水庫(kù)淤積的主要因素之一,浮泥層對(duì)水庫(kù)淤積物分布形態(tài)和后續(xù)異重流輸沙具有明顯影響。目前,大型水庫(kù)浮泥問(wèn)題雖已引起學(xué)者們重視,且研究成果對(duì)大型水庫(kù)浮泥運(yùn)動(dòng)特性給予了一定解釋,但尚缺乏針對(duì)浮泥層生成機(jī)制和運(yùn)動(dòng)規(guī)律的系統(tǒng)探究。

4 結(jié) 論

1)浮泥形成機(jī)制非常復(fù)雜,受泥沙粒徑、物理化學(xué)特性及外部水動(dòng)力條件的影響。目前,浮泥觀測(cè)方法多樣,具有不同的優(yōu)缺點(diǎn),由于深水航道和深水庫(kù)區(qū)浮泥監(jiān)測(cè)困難,缺乏現(xiàn)場(chǎng)持續(xù)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù),目前多數(shù)學(xué)者只能根據(jù)一些特定情形開(kāi)展室內(nèi)研究,因此仍需在掌握浮泥特性的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步開(kāi)發(fā)精度更高的浮泥觀測(cè)方法。

2)浮泥具有固結(jié)、流變及觸變特性,而浮泥的流變、觸變特性不但與其力學(xué)特性有關(guān),還取決于其微觀結(jié)構(gòu),因此對(duì)浮泥流變、觸變特性的研究可從浮泥內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部荷載及生物因素綜合考慮,構(gòu)建宏觀流變特性與其微觀結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。

3)目前對(duì)浮泥問(wèn)題的研究集中在河口、海岸地區(qū),研究成果多為經(jīng)驗(yàn)公式和半理論半經(jīng)驗(yàn)公式,表達(dá)形式不一,難以普遍使用。此外,近年來(lái)研究發(fā)現(xiàn),浮泥也是影響水庫(kù)淤積形態(tài)和水庫(kù)排沙的主要因素之一,但是目前對(duì)水庫(kù)浮泥形成過(guò)程認(rèn)識(shí)有限,亟需針對(duì)水庫(kù)浮泥層生成機(jī)制和運(yùn)動(dòng)規(guī)律的系統(tǒng)研究。