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粘性泥沙的冲刷机理及其数值模拟


粘性泥沙的冲刷机理及其数值模拟
21608104 刘澄赤 勘查与技术工程系) (东南大学交通学院 勘查与技术工程系)

摘要: 摘要:粘性泥沙的冲刷是研究泥沙运动力学和河床演变的重要内容之一,在工程 上得到广泛的应用。水利方面的水库排沙、河沙演变、渠道稳定,以及其他方面 的航道治理、桥梁冲刷、水环境保护等均与泥沙冲刷有密切的关系。 本文阐述了粘性泥沙

的冲刷过程和现象,并对粘性泥沙冲刷机理和影响因 素进行了分析。同时,也介绍了粘性泥沙冲刷过程的数值模拟。 关键词: 关键词:粘性泥沙;冲刷机理;数值模拟

Abstract: The cohesive sediment flushing and sediment movement mechanics is one of the important contents of riverbed evolution, widely used in engineering. The reservoir in water, river sand evolution, stable, and other aspects of channel of waterway regulation, Bridges, water and environmental protection are closely related to the dirt. This paper expounds the scour process and viscosity mud, and dirt of cohesive mechanism and influencing factors were analyzed. It also introduces viscous numerical simulation of sediment flushing process. Keywords: sticky mud, Scour mechanism; Numerical simulation

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通常根据泥沙颗粒的大小和矿物成分, 可以将泥沙分类为非粘性沙和粘性细 泥沙。其中粘性细泥沙主要由粉沙 和粘粒 组成,这

些粘性细泥沙淤积固结后根据物理性质不同又可分为浮泥、淤泥和粘土。在多沙 河流中包括河床河岸和滩地粘性细泥沙占有一部分的比重, 同时它也大量存在于 水库、河口港湾、淤泥质、粉质海岸中,对这些地区的河流演变及治理有重要影 响。因此研究粘性细泥沙冲刷机理问题具有重要实际意义。

1.粘性泥沙的冲刷机理 粘性泥沙的冲刷机理 淤积固结条件下粘性细泥沙在起动冲刷时的受力特点和运动形式与非粘性 沙有所不同。非粘性沙起动冲刷时主要受到水流作用力(包括切应力、上举力) 以及自身有效重力的作用,粘性细泥沙除了受到上述二个力作用以外,还受到颗 粒间粘结力的影响。水流作用力是水流施加在泥沙颗粒上促使其起动、悬浮、冲 刷的主要动力,可称为水流的冲刷力,而有效重力和颗粒间粘结力是泥沙本身所 固有的,是使泥沙颗粒保持静止不动,抵抗水流运移的主要阻力,可称为泥沙颗 粒的抗冲力。 当水流的冲刷力超过泥沙或土体抗冲力时, 就可以冲动泥沙或土体。 在淤积固结条件下,粘性细泥沙逐渐密实形成一定的稳定结构,颗粒间粘结力增 大,甚至远超过重力的影响,成为抗拒水流冲刷力的主要因素。因此淤积固结条 件下粘性细泥沙形成的稳定结构和颗粒间粘结力往往是影响粘性细泥沙起动冲 刷的关键。 淤积固结条件下粘性细泥沙冲刷时的运动形式与非粘性沙也不同。 当非粘性 沙被水流冲动时,是以单个颗粒的形式运动。而粘性细泥沙在水流的作用下,是 以多颗粒成片或成团的形式起动,河床的冲刷常常是以局部的“缺陷—扩展—崩 溃” 的形式出现。 对于淤积固结历时较长的淤泥或粘土, 由于床面固结强度较大, 一旦冲刷力突破土体的抗冲力后床面开始剧烈淘刷,冲刷过程加快,整个冲刷过 程中泥面从整体稳定到床面破坏是一个短暂突然的过程, 很难观察到泥沙少量起 动和局部起动阶段。 此外,在粘性细泥沙冲刷过程中,一方面由于泥沙较细,泥沙一旦起动后很 快进入悬浮状态,所以冲刷后水流很快变浑浊,另一方面,水流含沙量增加使得 水流粘性增加,泥沙一旦悬浮就很容易被携带而不落淤,使水流含沙量进一步增

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大,呈现高含沙水流特性,如出现在黄河上的“多来多排”和“揭河底”输沙现 象。

2.影响粘性泥沙冲刷的因素 影响粘性泥沙冲刷的因素 粘性细泥沙起动冲刷影响因素主要分为两方面,一方面是对水流动力条件的 影响因素,另一方面是对泥沙抗冲条件的影响因素。而在淤积固结条件下,粘性 细泥沙一般表现较强的抗冲性。 2.1 影响水流动力条件的因素 影响水流动力条件主要有流量、流量的脉动强度、河道的比降、断面形态及 近底水流结构等因素,可以用水流切应力大小来表示,这类影响可以归结为水流 对泥沙的剪切动力作用,这一点与非粘性沙无区别之处。除此之外,张兰丁认为 影响粘性泥沙运动的主要因素为水流产生的脉动应力,在该力的作用下,胶团或 团聚体间的结合逐渐松弛,从而浮起被水流带走。秦崇仁等认为在水流单独作用 下淤泥难以起动,而在波浪的振动作用下淤泥容易起动和悬扬,所以水波共同作 用下的淤泥冲刷强度比水流单独作用更为强烈。 这一类影响可以归结为水流对泥 沙悬扬的动力作用,同时也应包括水流的紊动扩散对粘性细泥沙的动力作用。所 以对粘性细泥沙而言,水流含沙量增加不但增加水流粘滞力和水流挟沙能力,也 增强了水中泥沙颗粒对淤积床面的碰撞作用,提高了能量交换作用。 2.2 影响粘性细泥沙抗冲条件的因素 影响粘性细泥沙抗冲条件的因素主要与泥沙物理化学性质和淤积固结条件有关。 泥沙物理化学性质包括颗粒大小形状及级配、泥沙矿物组成、干容重、液塑性、 抗剪强度等等。如在相同的动力条件下,泥沙颗粒越细,输沙率越小,表明抗冲 性越强。 淤积固结条件下, 粘性细泥沙的抗冲能力受淤积历时、 温度、 淤积环境、 淤积层厚度影响较大。其中淤积固结条件又会对泥沙自身物理化学性质有所影 响。如淤积历时长,干容重越大,颗粒间越密实难以分散悬浮,所以当粘性土体 比较潮湿时土体抗冲强度随时间的增加而增强。Berlamont 和 Black 分别对这些 影响因素进行了总结,可以看出这些因素非常复杂,其中一些因素还很难从定量 上进行表达,这也是造成粘性细泥沙起动冲刷问题复杂的主要原因。一般各河道 间的粘性土抗冲条件不尽相同,但是对于同一条河流而言,抗冲条件与物理力学

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指标之间存在明显的规律性,如起动临界条件随抗剪强度的减小而增大,随含水 量增大而减小。随淤积厚度增加,泥沙抗冲力逐渐增强。另外由于泥沙的非均匀 性,在淤积过程中存在泥沙沉降分选现象,使得表层淤积泥沙较底层更细,在固 结密实过程中板结形成表面抗冲层,反而比下层淤积泥沙更难于冲刷。 除上述影响因素外,冻融、渗流、管涌、植被等均会对粘性细泥沙的抗冲条件有 一定的影响。为了到达工程清淤的目的,采用射流、挖泥等人工措施也可以降低 粘性淤积物质的抗冲条件,增加河床冲刷量。

3.粘性泥沙冲刷的数值模拟 粘性泥沙冲刷的数值模拟 法国 EDF-LNHE 的 V.M. Markofsky 与 O. Petersen 等对河口粘性泥沙输移进 行了数值模拟,并对几个数学模型进行了相互比较。一个是垂向一维(1DV) 模 型,用于模拟有关量的垂向运动过程,尤其是悬沙引起的湍流耗散。为了研究粘 性泥沙的固化过程,他们开发了基于絮凝体结构的分形表达式的 Gibson 方程的 替换形式,并在数学模型中进行了检验。另一个是垂向二维(2DV)模型,并对一 个概化河口进行了模拟。 韩国海洋研究与开发学院海岸与港口工程研究中心的 D.Y. Lee 与 S.L. Hyun, 美国 William 与 Mary 大学 Virginia 海洋科学学院的 J.P.Y Maa 共同进行了黄海海 岸水体内不同环境下粘性泥沙输移三维模型的模拟检验, 从而能够对粘性泥沙输 移进行更真实的模拟。丹麦水力学研究所的 O. Petersen 与 H.J. Vested ,英国 Plymouth 大学海洋研究所的 A. Manni ng 等对 Tamar 河口的淤泥输移的数学模型 进行了研究,开发了粘性泥沙动床三维模型。为了能够对所测量直河段提供较高 程度的解析,他们采用一个垂向二维(2DV)的水动力模型描述河口中的水流此模 型覆盖了河口的整个上层部分。 模型以 Reynolds 方程和垂向的 Sigma 网 格为基 础。这个水动力方程耦合了盐度和悬沙方程采用的 K- 湍流模型,包含了由浮力 引起的盐度和悬沙梯度之间的相互作用。 J.P.Y Maa 使用一种环形库特流(couette flow)冲刷装置及三种粘土在温度大 致不变的八种电解质溶液中所进行的粘性土壤的冲刷试验。 利用速率变化过程概 念(rate process concept)所建立的冲刷模型,分析试验结果表明:在不同的 PH 值和 不同的摩尔盐度的电解质溶液中,粘土的冲刷可以用固结之前泥浆中粘土聚集体

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的取向来加以解释并给以预测。冲刷粘土的表面特征取决于粘土的性质。在扫描 的显微镜图片中,较硬粘土的冲刷表面明显地显示凹陷不平,而面——面堆积的粘 土表面却呈现薄片状,软粘土的冲刷表面显示成型特征及起伏的表面形态。然而, 大多数粘土既非面——面堆积,也非软粘土,它们的冲刷表面特征显示一种中间形 式。除了非常软的粘土以外,冲刷粘土的表面明显地被冲得凹陷不平,这与从床面 冲起的粘土团块的图象是相一致的。

4.水槽方法的计算 水槽方法的计算 利用环形水槽试验建立了淤积物的冲刷率公式:

上式中

为水流切应力。K 是一个复杂参数,自由孔隙比

除反映了淤积物粒

径及级配外,还反映了淤积物的密实程度,并由试验资料得出 K 的计算式:

5.总结 总结 从上面的分析中可以看出,粘性细泥沙的冲刷问题十分复杂。目前的研究主 要是对一些影响因素进行定性分析并以试验为基础得出各种经验公式, 缺乏机理 性研究。所以还有以下问题有待进一步研究: (1)对淤积固结条件下粘性细泥沙的物理化学性质及起动冲刷切应力等指标的 测量,需要开发先进的测量仪器,要求不破坏试验土样的原状性。 (2)从泥沙淤积固结过程中形成的微观结构入手,分析相关微观指标的变化机 理,同时采用水动力学和土力学相交叉的方法,以此为基础研究粘性细泥沙起动 冲刷的力学机理,建立淤积固结条件下粘性细泥沙动力学模式。 (3)模拟天然河道中淤积固结条件下粘性细泥沙运动是相当困难,如冲刷时悬 移质的扩散,与床沙的交换及水流的挟沙力问题需要更多的研究。

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参考文献: 参考文献:
【1】中国水利学会泥沙专业委员会主编.泥沙手册[M].北京:中国环境科学出版社,1989. 【2】杨美卿.淤泥的起动公式[J].水动力学研究与进展,1996. 【3】李一平,逢勇,等.水动力作用下太湖底泥起动规律研究[J].水科学进展,2004. 【4】张瑞瑾.河流泥沙动力学[M].北京:中国水利水电出版社,1989. 【5】韩其为,何明民著.泥沙起动规律及起动流速[M].北京:科学出版社,1999. 【6】韩其为,何明民.细颗粒泥沙成团起动及其流速的研究[J].湖泊科学,1997. 【7】蒋昌波,白玉川,姜乃申,等.海河口粘性淤泥起动规律研究[J].水利学报,2001. 【8】王兆印,吴永胜,刘芳.水流移床力及河道运动力学的初步探讨[J].水利学报,2002. 【9】张兰丁.粘性泥沙起动流速的探讨[J].水动力学研究与进展,2000. 【10】秦崇仁,张金凤.铜鼓浅滩泥沙起动和运移形态[J].水道港口,2003.

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