黏性細泥沙起動的探討.pdf

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1、泥沙研究2015年2月JournalofSedimentReseareh第1期文章編號：0468-155XI2015)01_o0756黏性細泥沙起動的探討馬菲，韓其為，趙弟明(1．山西省中部引黃工程建設(shè)管理局，山西太原030012；2．中國水利水電科學研究院，北京100048)摘要：從水流動力和黏性泥沙的組成及結(jié)構(gòu)等方面分析了影響?zhàn)ば约毮嗌称饎拥囊蛩兀芯苛似饎幽Ｊ胶推饎訖C理，肯定了薄膜水附加下壓力的概念，揭示了黏性細泥沙土體起動時抗剪但不抗拉。引入臨界水深的概念，很好解釋了黏性單顆粒泥沙和成團泥沙起動時的分界點，最后系統(tǒng)總結(jié)了黏

2、性細泥沙起動研究現(xiàn)狀，并對今后研究方法提出建議。關(guān)鍵詞：黏性細泥沙；起動流速；黏結(jié)力；臨界水深中圖分類號：TV142．1文獻標識碼：ADOI：10．16239／j．cnki．0468．155x．2015．01．013黏性泥沙的起動沖刷特性，對于研究水庫、河道、河口河床、近海海床的沖刷規(guī)律有重要意義，對這些地區(qū)的河流演變及治理有重要影響。近幾十年來，黏性細泥沙的起動沖刷問題已引起了許多學者的重視，目前在黏性泥沙起動方面已有一些重要研究成果，但許多問題仍有待深入研究，比如土體破壞機理、起動模式的建立。為此，在前人研究的基礎(chǔ)上，從水流動

3、力、黏性泥沙的組成及結(jié)構(gòu)等方面分析了影響?zhàn)ば约毮嗌称饎拥囊蛩?，系統(tǒng)總結(jié)了黏性細泥沙起動研究現(xiàn)狀，并對今后的研究提出展望。1土體的性質(zhì)細顆粒泥沙因其具有黏性而稱為黏性泥沙。細顆粒泥沙的粒徑多屬于黏土(d<0．005mm)和膠體范疇，由于比表面很大，其界面化學效應(yīng)極為突出，水體化學條件的變化可導致細顆粒泥沙的絮凝或分散。而絮團的骨架形式又與黏粒的礦物組成及微觀結(jié)構(gòu)有關(guān)。其他因素，如發(fā)生絮凝時外界的物理、化學因素等也會對絮團的形成產(chǎn)生影響。因此，影響?zhàn)ば阅嗌辰Y(jié)構(gòu)形成的因素是多種多樣的而又十分復雜的。1．1土體孔隙水長期浸沒在水下的土是飽

4、和土，飽和土是二相土，土中的有效孔隙含有水并且與外界的水是連通的。因此在研究泥沙起動時應(yīng)將土中水(孑L隙水)與土外水聯(lián)系起來，土外水的運動狀態(tài)會影響到土中水在土體內(nèi)的壓力分布。土體中的孔隙主要有三種：CD無效孔隙，孔徑d<0．001mm，為結(jié)合水所充滿；②毛管孑L隙；孔徑0．0010．1mm，黏性泥沙在遭受水流沖刷時真正對起動起作用的是后兩種孔隙。在泥沙顆粒周圍有水膜環(huán)繞，其最貼近顆粒表面的薄膜水是結(jié)合水，屬于無效空隙，具有某種固體性質(zhì)其壓力傳遞不符合巴斯克爾定律，不能傳遞靜

5、水壓力，相當于顆粒的有效重力增大，這個力的數(shù)值等于兩顆粒接觸面積中無效空隙(即結(jié)合水接觸面積’)所占面積上受到的靜水壓力。可以看出水深影響流速分布，這在水深變化較大時作用更加明顯。收稿日期：2013—09—27作者簡介：馬菲(1983一)，男，山西翼城人，高級工程師，博士，主要從事河流泥沙研究。E．mail：feifei-o357@126．corn751．2土體骨架變形需要強調(diào)的是：由于孔隙體積變化和顆粒重新排列需要有一個時間過程，土體固結(jié)變形與時間有關(guān)。土體所受荷載(總應(yīng)力)在作用瞬時，主要由孔隙流體承擔。隨后，由于孑L隙流體體

6、積逐漸滲出，孑L隙壓力逐漸消散，有效應(yīng)力(骨架應(yīng)力)逐漸增加。在有效應(yīng)力作用下，骨架體產(chǎn)生的變形分為瞬時變形和蠕動變形，其中后者由于顆粒重新排列和骨架體錯動的時間效應(yīng)而與時間有關(guān)。將有效應(yīng)力卸去后，若變形可恢復，則稱為彈性變形；若變形不可恢復，則稱為塑性變形。因此，骨架體變形可細分為瞬時彈性變形、瞬時塑性變形、蠕動彈性變形和蠕動塑性變形¨。這些因素的變化均直接影響?zhàn)ば酝恋钠饎右?guī)律。干容重的大小直接關(guān)系到黏土成團起動時，成團顆粒能否保持完整的形態(tài)。試驗表明，黏土起動時往往不是單顆的，大都是多顆泥沙成團起動，特別是干容重較小時尤其如此

7、。這是因為：干容重較大時，顆粒問黏結(jié)力相對泥沙容重較小，如果固結(jié)時間較長，孔隙壓力逐漸消散，薄膜水附加下壓力較大，當成團顆粒起動后，迅速流化，較大的薄膜水附加下壓力卸去后，可恢復的彈性變形也比較大，顆粒團快速分離成單顆粒，而此時的水流作用流速遠大于單顆粒的起動流速，此時顆粒運動速度加快，表現(xiàn)為懸揚。懸揚是顆粒團松動后，分離成單顆粒，此時適用于無黏性單顆粒起動流速公式。而干容重較小時，顆粒間黏結(jié)力相對泥沙容重較大，成團顆粒起動后，可恢復的彈性變形較小，由于內(nèi)聚力的作用，一段時間內(nèi)可以繼續(xù)保持一個完整的形態(tài)，此時表現(xiàn)為成團起動。2水動

8、力條件在單純水流作用下，以往著眼點在水流的時均作用方面，泥沙受到水平推力、上舉力，這和粗顆粒受力形式一樣，需要注意的是對于固結(jié)黏土，隨著固結(jié)時間的增加，黏土之間的自由水越來越少，土中水的流動速度需要采用孔隙介質(zhì)的蠕動方程得到。與粗顆粒起動考慮水流脈