粉沙质海岸泥沙特性实验研究(徐宏明,张庆河)

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沙质海岸泥沙特性实验研究水利论文#^Ryp+h7E/r

宏明张庆河
(1.交通部天津水运工程科学研究所; 2.天津大学)

摘要:本研究根据泥沙性质,提出了滩面泥沙中值粒径介于0.03mm0.12mm海岸为粉沙质海岸,并对其泥沙特性进行了实验研究。结果表明,粉沙质海岸泥沙特性除了与中值粒径有关外,还与级配有关。当泥沙中粘性细颗粒物质含量较高时,其整体体现淤泥质泥沙特性,当泥沙中粘性细颗粒物质含量较低时,整体体现散粒体泥沙特性,其运移形态前者是以悬移质运动为主,后者是既有悬移质运动又有推移质运动。对于推移质输沙,其输沙率不仅与动力条件有关,而且还与泥沙粒径有关,在相同动力条件下,泥沙颗粒越细,其推移质输沙率越小。

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关键词:粉沙质海岸;泥沙;起动;推移质输沙水利论文/?+v%o+O,dYF|f

作者简介:徐宏明(1962-),男,交通部天津水运工程科学研究所副研究员。

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1 前言

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  沙质海岸泥沙颗粒较粗、淤泥质海岸泥沙颗粒较细,这是两种类型海岸相互区别的表面特征,但就泥沙性质而言,前者为松散的无粘性沙,后者为有粘性沙。泥沙粒径由粗到细、其性质从无粘性到有粘性,这中间是一渐变过程,而处于这一渐变过程中的泥沙就是所谓的粉沙质海岸泥沙。关于粉沙质海岸的界定目前尚无统一标准,但依据泥沙性质和港工界的普遍认识,我们建议定义滩面泥沙中值粒径介于0.03mm~0.12mm之间的海岸为粉沙质海岸。这里有一个基本概念,即海岸的分类不等同于泥沙颗粒的分类,我们所定义的粉沙质海岸泥沙基本属于泥沙颗粒分类中的极细沙和粗粉沙,下文中的粉沙亦指粉沙质海岸的泥沙,而不是泥沙颗粒分类中的粉沙。水利论文(c h-a9{.w2o[l

  在泥沙研究领域,中值粒径介于0.03mm~0.12mm的泥沙基本上是作为考虑粘结力的单颗粒泥沙进行研究,但随着研究工作的不断深入,其运移规律、级配影响[3,10]等问题正逐渐受到关注。应该看到,目前国内外对于粉沙质海岸泥沙性质及运移规律的研究还比较少,因此开展这方面的工作无论对学科发展还是对工程应用都非常有意义。水利论文w0I6oT7a"T]?B

2 水流作用下的起动实验水利论文 DL x&O"v8q6fi U

  根据对粉沙质海岸的定义,我们选取了两种粉沙进行起动实验研究,一种取自河北省黄骅港,另一种取自山东省潍坊港。黄骅泥沙中值粒径为0.036mm,其中粒径小于0.02mm的部分所占的比例相对较大,可达20%左右,粒径小于0.01mm的部分也占总体的10%左右。潍坊泥沙中值粒径为0.073mm,其粒径分布较集中,基本不含0.02mm以下的粘性细颗粒泥沙。针对黄骅沙样和潍坊沙样,我们在循环水槽内进行了水流作用下的起动实验。水利论文(h @AsE n

  根据雅林流速对数分布,在求出临界起动时的摩阻流速后,可依下式进一步求出泥沙临界起动切应力和临界Shields参数水利论文7n2s"x qmlDO

τc=ρu2*水利论文(gBMTxK:w

(1)

!v#APm)R-B9O2x @3J0

φcc/[(ρs-ρ)gd50]

Pn1g&u@IP&z4d0

(2)水利论文m|OI)Pu`

式中ρ为水的密度ρs为泥沙的密度;g为重力加速度;d50泥沙中值粒径。

0}UEMj&N@0

2.1 潍坊泥沙的起动实验

;_s+Ad_P4vt0

  实验时,在有少量水的水槽实验凹段内放入泥沙,并进行搅拌,待填满凹槽后再刮平表面即可形成实验所需的床面,然后放水实验。实验时底床泥沙的容重为1.903g/cm3。我们共进行了四个水深的起动实验,表1列出了实验条件和根据实验测量结果计算到的泥沙临界起动参数。

H6P#o/v(K$CS N0
表1 水流作用下潍坊泥沙的起动
Incipient motion of Weifang sediment sample under influence of current

水深断面平均流速临界起动切应力起动摩阻流速临界Shields参数沙粒雷诺数
h(cm)Uc(cm/s)τc(g/cms2)u*(cm/s)φcR*

20.032.82.051.430.1741.05
16.031.31.971.400.1671.02
13.031.32.051.430.1741.05
10.030.52.071.440.1751.05

2.2 黄骅泥沙的起动实验

E1u `HiH Z&\|0

2.2.1 黄骅泥沙在密实状态下的起动

o-U+cu_s0

  首先在水槽外利用电动工具将沙样和水充分搅拌均匀,然后将搅拌均匀的泥沙铺在实验段内,并抹平床面,之后就可向水槽中放水进行实验。由于沙样中加入的水较少,这种条件下底床泥沙的容重为1.852g/cm3可以认为这时的底床基本处于密实状态。表2列出了泥沙起动条件,其中前三组为沙床表面一薄层泥沙的起动情况,最后一组为表层泥沙冲刷后床面的起动情况。从起动流速的数值可以看出,床面表层泥沙所需的起动流速不是特别大,但随着时间的增长,泥沙变得越来越难以起动,特别是在沙床表面这一薄层泥沙完全被水流输移走后,继续加大流速时,泥沙几乎不再起动。在水深h=16cm时,直到断面平均流速达56.9cm/s时,床面才有少数地方被成块、成团揭起,这时床面切应力τc达5.79g/cms2,临界Shields参数φc达1.118。水利论文 S`1y0L4h

表2 水流作用下密实黄骅泥沙的起动
Incipient motion of densified Huanghua sediment sample under influence of current

水深断面平均流速临界起动切应力起动摩阻流速临界Shields参数沙粒雷诺数
h(cm)Uc(cm/s)τc(g/cms2)u*(cm/s)φcR*

20.038.42.721.650.5260.528
16.037.72.751.660.5320.531
12.038.12.971.720.5740.552
16.056.95.792.411.1180.770

  上述现象说明,黄骅泥沙颗粒之间必定形成了一定的结构,从而使泥沙整体具有淤泥质的特性。沙床表面有一薄层泥沙之所以容易起动,是由于在形成床面时抹面造成这一薄层泥沙结构受到破坏的原因。如果单纯以中值粒径为其代表粒径,则黄骅泥沙应以散粒体形式存在,颗粒之间不应该形成结构,所需起动切应力也应较小,但实验结果说明,泥沙起动的总体特征已表现出淤泥质性质,这正是由于泥沙中0.02mm以下的粘性细颗粒部分含量较高的结果。水利论文4p+H9TTcI%ciT4b(B

2.2.2 黄骅泥沙在自然沉积状态下的起动

@)NM LKq0O0

  为了进一步研究黄骅泥沙的特性,我们进行了两组泥沙自然沉降形成底床条件下的起动实验。表3列出了这两组实验底床形成的条件。水利论文!XEY)[JZS

  (1)黄骅泥沙的自然沉降特性水利论文E)m2G dpd-I

  根据对泥沙沉降过程的观测发现,由于初始容重的不同,黄骅泥沙呈现出不同的沉降特性。在初始容重较大时(A组实验),较粗颗粒的泥沙被裹在较细颗粒泥沙形成的结构内,泥沙群体均匀沉降,底床不出现分层现象。在初始容重较小时(B组实验),泥沙出现分层沉降现象。将容重为1.190g/cm3的泥沙悬浮液倒入水槽,形成高17.9cm的泥沙群体后,较粗颗粒的泥沙首先沉降到水槽底部,在3分钟内底部就出现了深色沙粒的堆积。沉降10分钟后,泥沙群体与上部水体有明显的交界面,交界面高度为17.3cm。在这17.3cm厚的泥沙群体中,又分为颜色明显不同的两部分,底部有2.4cm厚的深色粗沙层,之上是颜色较浅的细沙层。通过观察发现,粗沙可以穿过上部细沙层而沉降到底部,从而形成底部的相对粗颗粒堆积层。在泥沙沉积23小时后,底床泥沙的总厚度为7.8cm,其中下部深色的粗颗粒泥沙厚度达2.7cm。水利论文HJ7f ?P?K

表3 自然沉降条件
Conditions of natural settlement

实验组次初始容重初始高度自然沉积时间底床形成后高度底床平均容重
(g/cm3)(cm)(h)(cm)(g/cm3)

A1.43610.6947.51.616
B1.19017.9237.81.413

  上述黄骅泥沙的沉积特征实际上是非粘性沙和粘性沙混合物所固有的特性。根据Torfs等(1996)的研究结果,当泥(粘性泥沙)中加入一定比例的沙后,泥沙群体的悬浮液在不同的初始含沙量状态下表现出不同的沉降特性。在悬浮液初始含沙量较小时,悬浮液的沉降就有可能出现分层现象,粗颗粒泥沙沉积在底部。当混合物中泥组成的含量超过一定量(称之为胶点密度,the gel point density)并且泥沙混合物悬浮液浓度较高时,初始高浓度悬浮液中就会由粘性泥沙颗粒形成连续的结构,使粗颗粒泥沙被裹挟在结构中,从而阻止了沉降过程中的分层现象。因为黄骅泥沙中细颗粒泥沙的含量在20%以上,因此,它的沉降特性与Torfs等人关于混合沙的研究结果是完全一致的。水利论文(xPg-aWIbG Eg

  (2)水流作用下自然沉积泥沙的起动水利论文 yE$p:]+x*h ]Zv&Z&N$Z-W

  不同沉积状态下泥沙的起动特性也是不同的,表4分别列出了自然沉积泥沙A组和B组的实验结果。水利论文])y$b#H4]I

表4 水流作用下自然沉积泥沙的起动
Incipient motion of natural settled sediment under influence of current

组别水深断面平均流速临界起动切应力起动摩阻流速临界Shields参数

冲刷累积时间

;RR|P#c9H;\0
h(cm)Uc(cm/s)τc(g/cms2)u*(cm/s)φc

t(min)

7Rt A1x#Ss6P$v0

A20.038.42.721.650.5265
20.042.03.201.790.61910
16.044.33.681.920.71215
12.044.33.901.970.75325
12.059.46.612.571.27830

B20.017.20.6420.8100.1245
16.018.80.7890.8880.15310
16.024.31.2501.1180.24215
16.031.31.9611.4030.38125
16.040.83.1741.7810.61335

  表4均按实际实验时的顺序列出,表中的冲刷累积时间指的是在水流条件变化时,床面所经历的受水流冲刷的总时间,A组别所列最后一组和B组别所列最后两组均是床面全面起动,泥沙成片揭起的情况。由起动流速数值可以看出,自然沉积底床由表层往下,泥沙越来越难以起动;沉积时间长、平均容重大的底床比沉积时间短的分层沉降底床有更大的抗冲刷能力。这些特性和淤泥质底床的情况是一致的,因此,对于含有一定量粘性细颗粒泥沙的粉沙群体,其中值粒径已不能代表其泥沙整体性质。水利论文4F9~4GR%My|m7frl

2.2.3 去除部分粘性细颗粒后黄骅泥沙的起动水利论文 vU{'Y'~4Mr(q${

  为了简化问题,研究无内部絮凝结构存在的粉沙运动规律,我们对去除大部分粘性细颗后的黄骅沙样进行了起动实验研究。粘性细颗粒泥沙是通过低容重的泥沙悬浮液自然沉降分层后去除的。去除粘性细颗粒后,黄骅泥沙的中值粒径变为0.040mm。中值粒径的绝对值与原始沙样相比变化不是太大,但粒径小于0.02mm以下的泥沙所占比例下降到8%以下。泥沙起动的实验过程与潍坊沙相同,底床泥沙实验时的容重为1.850g/cm3。表5列出了此种泥沙在水流作用下起动的实验条件和实验结果。对于去除粘性细颗粒后的黄骅沙样,其起动特征与散粒体泥沙的起动特征是比较一致的。水利论文~ Et|5cS5ux?

表5 水流作用下黄骅泥沙(去除粘性部分)的起动
Incipient motion of Huanghua sediment sample (without cohesive part) under influence of current

水深断面平均流速临界起动切应力起动摩阻流速临界Shields参数沙粒雷诺数
h(cm)Uc(cm/s)τc(g/cms2)u*(cm/s)φcR*

20.036.42.471.570.3820.629
16.035.02.411.550.3720.621
12.034.32.461.570.3800.627

2.3 结果和讨论水利论文M[5S] zK`0x#p

  对于不含粘性细颗粒泥沙的粉沙,它们的起动规律基本上可以用Shields曲线来描述(如图1所示),且都处于Shields曲线左支,所需起动流速或底部切应力随粉沙颗粒粒径的减小而增大。对这一部分泥沙起动的描述,可以采用考虑颗粒粘结力的单颗粒泥沙起动流速公式,例如窦国仁(1960)、沙玉清(1965)、唐存本(1963)、范宝山(1995)等人的公式。图2显示了本实验研究(h=16cm)的起动流速数据与上述公式的比较情况,结果表明,实验值与已有成果是比较吻合的。

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45-1.tif (103054 bytes)
图1 实验结果与Shields曲线比较
Comparison between the experimental results and Shields curve
45-2.tif (114942 bytes)
图2 实验结果与起动流速公式比较
Comparison between the experimental results and formulae of incipient veloicity

  对于含有粘性细颗粒泥沙的粉沙,它的起动特性较为复杂,整体特性具有淤泥质泥沙的特点,起动流速或床面切应力不仅和床面泥沙的容重有关,而且和床面泥沙的沉积历时有关。一般来说,在表层较容易起动的部分输移走后,其所需起动流速比纯粉沙的情形要大很多,尤其是对于密实程度大的底床,其所需的起动流速或切应力可能成倍增大。

&YRC-| T$ar pnl0

3 波浪和波浪水流共同作用下的起动实验水利论文{ XSk z:H9{

3.1 波浪和波浪水流共同作用下底部切应力计算水利论文V+B(zy&H}8r'\

  根据Tanaka(1997)研究成果,波浪水流共同作用下底部最大切应力为如下形式水利论文6YGs9M'O1D?

lyb&nK%Bi0

(3)水利论文.jAq}U

%F#j&Wz*U z{([1W%M9~0

(4)水利论文O2gGkf

水利论文%GdwV:V!G{pZ9]

(5)水利论文 gkN!E!A%S W A

式中 fcw为波浪水流共同作用时全流域内的摩阴系数;fcw(L)、fcw(S)和fcw(R)分别表示层流、光滑紊流和粗糙紊流区的波浪水流摩阻系数;f1和f2为加权函数;Ucw为波动水质点速度振幅;H为波高;T为波周期;L为波长;D为总水深;uc为水流流速;A为波浪花与水流之间的夹角。根据最大底部切应力,则波浪花水流共同作用下的Shields参数形式为水利论文#Pjn1Nq6}

φmm/[(ρs-ρ)gd50]水利论文+v nEfM{I!`

(6)水利论文D)rc{+X'U)g O.F

3.2 波浪和波浪水流共同作用下的起动实验水利论文te^2S~

  针对潍坊沙样和去除部分粘性细颗粒泥沙后的黄骅沙样,我们在波浪水流槽内进行了波浪作用下和波浪水流共同作用下的起动实验。实验中床面的形成过程与纯水流实验时相同。表6分别列出了两种泥沙的实验条件和根据实验测量结果计算出的泥沙临界起动参数。

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表6 波浪和波浪水流共同作用下泥沙的起动
Incipient motion of sediment under influence of wave and current

沙样水深断面平均流速临界起动切应力起动摩阻流速临界Shields参数临界Sields参数
h(cm)Uc(cm/s)τc(g/cms2)u*(cm/s)φcφmc

潍纺沙25.01.04.502.330.197
25.01.24.002.190.185
25.01.44.202.300.195
20.01.03.611.22.280.193
23.01.33.910.02.330.197

黄骅沙水利论文*g7WF'|P wTXA
(去除粘性)
25.00.85.802.450.378
25.01.15.002.690.415
25.01.44.702.580.400
21.01.03.416.02.590.403
22.01.32.917.42.700.419

3.3 结果和讨论水利论文KA$y7r X!r

  对于不含粘性细颗粒的粉沙,其起动规律基本上可以用Madson和Grant修正后的Shields曲线来描述,且都处于Shields曲线的左支,底部临界起动切应力随粉沙粒径的减小而增大。图3给出了实验数据点绘在Shields曲线上的情况,结果表明,实验值与已有成果是比较吻合的。水利论文eC T3b O @Fa

4 推移质输沙实验

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46-3.tif (109138 bytes)
图3 实验结果与修正的Shields曲线比较
Comparison between experimental results and modified Shields curve

4.1 水流作用下推移质输沙实验水利论文wf f/bW6Aq

  水流作用下粉沙推移质输沙率实验与水流作用下粉沙起动实验的布置基本相同,只是在实验段的尾部安放了推移质集沙盒用于收集推移质输沙。为了减小水槽边壁影响,集沙盒被分隔成三部分,测量输沙量时只取中间部分收集到的泥沙。表7分别列出了水流作用下潍坊泥沙和黄骅泥沙(去除粘性部分)推移质输沙的实验条件和结果。

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表7 水流作用下推移质输沙
Bed load transport under influence of current

沙样水深断面平均流速床面切应力Shieds参数体积输沙率重量输沙率
h(cm)U(cm/s)τ(g/cms2)φqbv(cm3/cms)qbs(g/cms)

12.037.02.820.2397.40×10-41.08×10-3
12.046.44.240.3594.75×10-36.95×10-3
12.072.79.520.8064.84×10-27.16×10-2
潍坊沙15.039.63.050.2651.26×10-31.78×10-3
15.048.54.390.3724.86×10-37.13×10-3
15.051.44.880.4137.84×10-31.14×10-2
15.059.46.330.5361.73×10-22.48×10-2

16.040.03.060.4734.27×10-45.81×10-4
16.044.33.680.5696.51×10-48.88×10-4
黄骅沙16.055.15.460.8442.76×10-33.80×10-3
(去除粘性)20.038.32.710.4191.90×10-42.57×10-4
20.042.03.200.4955.83×10-47.97×10-4
20.048.54.150.6421.28×10-31.74×10-3

  实验前后分别进行了地形测量,根据其变化量可估算出总输沙率,它与推移质输沙率之差就是悬移质输沙率。依实验结果,推移质与悬移质输沙率之比为1:2.4~1:4.6。由于实验段长仅为2m,且水流速度与推移质泥沙运动速度相差较大,所以该比例仅可参考。

W;d[6s6X@9w6MD0

  计算水流作用下推移质输沙率的公式很多,这里我们将实验结果与Engelund公式进行了比较。Engelund公式形式如下

r"B&In"|0N8rW0

水利论文|7ml \3x:W:r,W!t*_-Nl

(7)水利论文Q;B(v,A-s b

式中qbv为推移质体积输沙率;φ为Shields参数;φc为泥沙起动临界Shields参数。

G/nlX8tcI?%q0

  图4显示了实验数据与Engelund公式的比较情况,由图可以看出,两种粉沙在水流作用下的推移质输沙率均小于公式的计算结果,且黄骅泥沙的输沙率比潍坊泥沙的输沙率要小,由此可以说明,对于粉沙质海岸泥沙在相同的动力条件下粒径越细,推移质输沙率越小。

n(Y:GL.V3c0e-U,s0

4.2 波浪水流共同作用下推移质输沙实验水利论文r0A3V&Z)Gk-j_

  波浪水流共同作用下粉沙的推移质输沙实验与波浪水流共同作用下粉沙的起动实验基本相同,只是在实验段尾部布置了集沙盒,集沙盒与沙床末端用一块光滑混凝土条石隔开,条石表面高度和沙床及集沙盒表面相平,这样落入集沙盒中的泥沙基本上就是净输沙。测量输沙量时亦只取集沙盒中间部分收集到的泥沙.表8分别列出了波浪花水流共同作用下潍坊坭沙和黄骅泥沙(去除粘性部分)推移质输沙的实验条件和结果。

xyM/y5r0

  根据Bijker(1971)提出的波浪水流共同作用下的推移质输沙率公式,我们计算了本实验条件下的推移质输沙率,并与实验结果进行了比较。Bijker输沙率公

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