粘性泥沙的沖刷機理及其數(shù)值模擬

粘性泥沙的沖刷機理及其數(shù)值模擬21608104劉澄赤（東南大學交通學院勘查與技術工程系）摘要：粘性泥沙的沖刷是研究泥沙運動力學和河床演變的重要內容之一，在工程上得到廣泛的應用。水利方面的水庫排沙、河沙演變、渠道穩(wěn)定，以及其他方面的航道治理、橋梁沖刷、水環(huán)境保護等均與泥沙沖刷有密切的關系。本文闡述了粘性泥沙的沖刷過程和現(xiàn)象，并對粘性泥沙沖刷機理和影響因素進行了分析。同時，也介紹了粘性泥沙沖刷過程的數(shù)值模擬。關鍵詞：粘性泥沙；沖刷機理；數(shù)值模擬Abstract:Thecohesivesedimentflushingandsedimentmovementmechanicsisoneoftheimportantcontentsofriverbedevolution,widelyusedinengineering.Thereservoirinwater,riversandevolution,stable,andotheraspectsofchannelofwaterwayregulation,Bridges,waterandenvironmentalprotectionarecloselyrelatedtothedirt.Thispaperexpoundsthescourprocessandviscositymud,anddirtofcohesivemechanismandinfluencingfactorswereanalyzed.Italsointroducesviscousnumericalsimulationofsedimentflushingprocess.Keywords:stickymud,Scourmechanism;Numericalsimulation通常根據(jù)泥沙顆粒的大小和礦物成分，可以將泥沙分類為非粘性沙和粘性細泥沙。其中粘性細泥沙主要由粉沙: 和粘粒W組成，這些粘性細泥沙淤積固結后根據(jù)物理性質不同又可分為浮泥、淤泥和粘土。在多沙河流中包括河床河岸和灘地粘性細泥沙占有一部分的比重，同時它也大量存在于水庫、河口港灣、淤泥質、粉質海岸中，對這些地區(qū)的河流演變及治理有重要影響。因此研究粘性細泥沙沖刷機理問題具有重要實際意義。粘性泥沙的沖刷機理淤積固結條件下粘性細泥沙在起動沖刷時的受力特點和運動形式與非粘性沙有所不同。非粘性沙起動沖刷時主要受到水流作用力（包括切應力、上舉力）以及自身有效重力的作用，粘性細泥沙除了受到上述二個力作用以外，還受到顆粒間粘結力的影響。水流作用力是水流施加在泥沙顆粒上促使其起動、懸浮、沖刷的主要動力，可稱為水流的沖刷力，而有效重力和顆粒間粘結力是泥沙本身所固有的，是使泥沙顆粒保持靜止不動，抵抗水流運移的主要阻力，可稱為泥沙顆粒的抗沖力。當水流的沖刷力超過泥沙或土體抗沖力時，就可以沖動泥沙或土體。在淤積固結條件下，粘性細泥沙逐漸密實形成一定的穩(wěn)定結構，顆粒間粘結力增大，甚至遠超過重力的影響，成為抗拒水流沖刷力的主要因素。因此淤積固結條件下粘性細泥沙形成的穩(wěn)定結構和顆粒間粘結力往往是影響粘性細泥沙起動沖刷的關鍵。淤積固結條件下粘性細泥沙沖刷時的運動形式與非粘性沙也不同。當非粘性沙被水流沖動時，是以單個顆粒的形式運動。而粘性細泥沙在水流的作用下，是以多顆粒成片或成團的形式起動，河床的沖刷常常是以局部的“缺陷一擴展一崩潰”的形式出現(xiàn)。對于淤積固結歷時較長的淤泥或粘土，由于床面固結強度較大，一旦沖刷力突破土體的抗沖力后床面開始劇烈淘刷，沖刷過程加快，整個沖刷過程中泥面從整體穩(wěn)定到床面破壞是一個短暫突然的過程，很難觀察到泥沙少量起動和局部起動階段。此外，在粘性細泥沙沖刷過程中，一方面由于泥沙較細，泥沙一旦起動后很快進入懸浮狀態(tài)，所以沖刷后水流很快變渾濁，另一方面，水流含沙量增加使得水流粘性增加，泥沙一旦懸浮就很容易被攜帶而不落淤，使水流含沙量進一步增大，呈現(xiàn)高含沙水流特性，如出現(xiàn)在黃河上的“多來多排”和“揭河底”輸沙現(xiàn)象。影響粘性泥沙沖刷的因素粘性細泥沙起動沖刷影響因素主要分為兩方面，一方面是對水流動力條件的影響因素，另一方面是對泥沙抗沖條件的影響因素。而在淤積固結條件下，粘性細泥沙一般表現(xiàn)較強的抗沖性。2.1影響水流動力條件的因素影響水流動力條件主要有流量、流量的脈動強度、河道的比降、斷面形態(tài)及近底水流結構等因素，可以用水流切應力大小來表示，這類影響可以歸結為水流對泥沙的剪切動力作用，這一點與非粘性沙無區(qū)別之處。除此之外，張?zhí)m丁認為影響粘性泥沙運動的主要因素為水流產(chǎn)生的脈動應力，在該力的作用下，膠團或團聚體間的結合逐漸松弛，從而浮起被水流帶走。秦崇仁等認為在水流單獨作用下淤泥難以起動，而在波浪的振動作用下淤泥容易起動和懸揚，所以水波共同作用下的淤泥沖刷強度比水流單獨作用更為強烈。這一類影響可以歸結為水流對泥沙懸揚的動力作用，同時也應包括水流的紊動擴散對粘性細泥沙的動力作用。所以對粘性細泥沙而言，水流含沙量增加不但增加水流粘滯力和水流挾沙能力，也增強了水中泥沙顆粒對淤積床面的碰撞作用，提高了能量交換作用。2.2影響粘性細泥沙抗沖條件的因素影響粘性細泥沙抗沖條件的因素主要與泥沙物理化學性質和淤積固結條件有關。泥沙物理化學性質包括顆粒大小形狀及級配、泥沙礦物組成、干容重、液塑性、抗剪強度等等。如在相同的動力條件下，泥沙顆粒越細，輸沙率越小，表明抗沖性越強。淤積固結條件下，粘性細泥沙的抗沖能力受淤積歷時、溫度、淤積環(huán)境、淤積層厚度影響較大。其中淤積固結條件又會對泥沙自身物理化學性質有所影響。如淤積歷時長，十容重越大，顆粒間越密實難以分散懸浮，所以當粘性土體比較潮濕時土體抗沖強度隨時間的增加而增強。Berlamont和Black分別對這些影響因素進行了總結，可以看出這些因素非常復雜，其中一些因素還很難從定量上進行表達，這也是造成粘性細泥沙起動沖刷問題復雜的主要原因。一般各河道間的粘性土抗沖條件不盡相同，但是對于同一條河流而言，抗沖條件與物理力學指標之間存在明顯的規(guī)律性，如起動臨界條件隨抗剪強度的減小而增大，隨含水量增大而減小。隨淤積厚度增加，泥沙抗沖力逐漸增強。另外由于泥沙的非均勻性，在淤積過程中存在泥沙沉降分選現(xiàn)象，使得表層淤積泥沙較底層更細，在固結密實過程中板結形成表面抗沖層，反而比下層淤積泥沙更難于沖刷。除上述影響因素外，凍融、滲流、管涌、植被等均會對粘性細泥沙的抗沖條件有一定的影響。為了到達工程清淤的目的，采用射流、挖泥等人工措施也可以降低粘性淤積物質的抗沖條件，增加河床沖刷量。粘性泥沙沖刷的數(shù)值模擬法國EDF-LNHE的V.M.Markofsky與O.Petersen等對河口粘性泥沙輸移進行了數(shù)值模擬，并對幾個數(shù)學模型進行了相互比較。一個是垂向一維(1DV)模型，用于模擬有關量的垂向運動過程，尤其是懸沙引起的湍流耗散。為了研究粘性泥沙的固化過程，他們開發(fā)了基于絮凝體結構的分形表達式的Gibson方程的替換形式，并在數(shù)學模型中進行了檢驗。另一個是垂向二維(2DV)模型，并對一個概化河口進行了模擬。韓國海洋研究與開發(fā)學院海岸與港口工程研究中心的D.Y.Lee與S.L.Hyun，美國William與Mary大學Virginia海洋科學學院的J.P.YMaa共同進行了黃海海岸水體內不同環(huán)境下粘性泥沙輸移三維模型的模擬檢驗，從而能夠對粘性泥沙輸移進行更真實的模擬。丹麥水力學研究所的O.Petersen與H.J.Vested，英國Plymouth大學海洋研究所的A.Manning等對Tamar河口的淤泥輸移的數(shù)學模型進行了研究，開發(fā)了粘性泥沙動床三維模型。為了能夠對所測量直河段提供較高程度的解析，他們采用一個垂向二維(2DV)的水動力模型描述河口中的水流此模型覆蓋了河口的整個上層部分。模型以Reynolds方程和垂向的Sigma網(wǎng)格為基礎。這個水動力方程耦合了鹽度和懸沙方程采用的K-湍流模型，包含了由浮力引起的鹽度和懸沙梯度之間的相互作用。J.P.YMaa使用一種環(huán)形庫特流(couetteflow)沖刷裝置及三種粘土在溫度大致不變的八種電解質溶液中所進行的粘性土壤的沖刷試驗。利用速率變化過程概念(rateprocessconcept)所建立的沖刷模型，分析試驗結果表明:在不同的PH值和不同的摩爾鹽度的電解質溶液中，粘土的沖刷可以用固結之前泥漿中粘土聚集體的取向來加以解釋并給以預測。沖刷粘土的表面特征取決于粘土的性質。在掃描的顯微鏡圖片中，較硬粘土的沖刷表面明顯地顯示凹陷不平，而面——面堆積的粘土表面卻呈現(xiàn)薄片狀，軟粘土的沖刷表面顯示成型特征及起伏的表面形態(tài)。然而,大多數(shù)粘土既非面一一面堆積，也非軟粘土，它們的沖刷表面特征顯示一種中間形式。除了非常軟的粘土以外，沖刷粘土的表面明顯地被沖得凹陷不平，這與從床面沖起的粘土團塊的圖象是相一致的。水槽方法的計算利用環(huán)形水槽試驗建立了淤積物的沖刷率公式:E=KI孔上式中?為水流切應力。K是一個復雜參數(shù)，自由孔隙比?除反映了淤積物粒徑及級配外，還反映了淤積物的密實程度，并由試驗資料得出K的計算式：吊=—13-9—133%5.總結從上面的分析中可以看出，粘性細泥沙的沖刷問題十分復雜。目前的研究主要是對一些影響因素進行定性分析并以試驗為基礎得出各種經(jīng)驗公式，缺乏機理性研究。所以還有以下問題有待進一步研究：（1） 對淤積固結條件下粘性細泥沙的物理化學性質及起動沖刷切應力等指標的測量，需要開發(fā)先進的測量儀器，要求不破壞試驗土樣的原狀性。（2） 從泥沙淤積固結過程中形成的微觀結構入手，分析相關微觀指標的變化機理，同時采用水動力學和土力學相交叉的方法，以此為基礎研究粘性細泥沙起動沖刷的力學機理，建立淤積固結條件下粘性細泥沙動力學模式。（3） 模擬天然河道中淤積固結條件下粘性細泥沙運動是相當困難，如沖刷時懸移質的擴散，與床沙的交換及水流的挾沙力問題需要更多的研究。參考文獻：【1】中國水利學會泥沙專業(yè)委員會主編.泥沙手冊[M].北京：中國環(huán)境科學出版社，1989.【2】楊美卿.淤泥的起動公式[J].水動力學研究與進展，1996.【3】李一平，逢勇，等.水動力作用下太湖底泥起動規(guī)律研究[J].水科學進展，2004.【4】張瑞瑾.河流泥沙動力學[M].北京:中國水利水電出版社，1989.【5】韓其為，何明民著.泥