第二节 黏性泥沙起动切应力试验
黏性泥沙主要由粉沙（d<0.05mm）和黏粒（d<0.005mm）组成，在其起动过程中起稳定作用的主要是黏结力。黏结力大小与泥沙内部组成结构、外部淤积条件等因素有关，目前大部分研究者采用人工铺沙的方法［3，12，22］对新淤黏性泥沙的起动冲刷进行研究，而淤积历时长，黏性泥沙淤积固结特性的影响才能表现出来，并且人工铺沙与自然淤积也有一定的差距；其次所研究的固结黏性泥沙［15］多采用实地取样然后再放水冲刷，而实地取样难免对土样有所扰动，容易破坏土体内部稳定结构。因此，本书选取4种沙样在室内淤积固结，经过不同的淤积历时后进行起动试验，其中最大淤积时间为377d，以研究黏性泥沙临界起动切应力与淤积历时、干密度、黏性颗粒含量之间对应变化关系。
一、现有的黏性泥沙试验装置
为了对黏性泥沙的淤积特性进行试验研究，首先要避免破坏黏性泥沙的絮凝团块，且不能受到高切应力和高紊动强度带（如循环水管）的影响。目前普遍采用图3-6的称为双向环形水槽的试验设备。环形水槽最早是由美国麻省理工学院研制的，佛罗里达大学进行了较大的改进，现已大量应用于细颗粒泥沙运动规律的试验研究。各种环形水槽的外形尺寸（表3-1）、控制运动的形式虽不完全相同，但基本构造大致是相同的，即都由一个环形的水槽和宽度略小于水槽的圆环组成。圆环与水面接触，与水槽同时相向运动，产生均匀的紊动水流场。转动产生的副流运动对水槽横向泥沙淤积均匀性的影响，可以通过调整水槽和圆环的相对速率来消除。
图3-6 双向环形水槽示意图
表3-1 双向环形水槽的外形尺寸
双向环形水槽与循环水槽相比，具有几个方面的特点：
（1）无流入、流出口的影响。水槽内各断面的水流状态是一致的，相当于各断面水流状态相同的无限长水槽，满足细颗粒泥沙絮凝过程所需的时间和沉降距离的要求。
（2）无回水装置，不会破坏细泥沙颗粒的絮凝状态。
（3）试验条件（水深、流速、含沙量等）容易调节。
环形水槽可用于试验研究细颗粒泥沙的起动、沉降、输移等基本规律：
（1）起动试验。实际工程问题中常常需要通过试验来确定工程区域泥沙的起动流速。将一定量的泥沙加入水槽内，经水槽高速转动、充分混合后，水槽停止转动，泥沙就自然均匀地沉至床面，按需要的密实时间进行起动试验。
（2）沉降试验。细颗粒泥沙在水流中的絮凝沉降速度是与泥沙粒径、含盐程度、含沙量、水温等多种因素有关的复杂问题。利用环形水槽所有断面流速分布和含沙分布一致性的特点，在某一试验条件下，直接测量水流中平均含沙量随时间变化的过程，可确定出相应泥沙粒径的动水沉降速度。
（3）挟沙能力试验。水体中的含沙数量与水流速度是相对应的。水流速度越大，泥沙从床面上冲刷起来，水体中含沙量增加；水流速度降低，水体中一部分悬浮泥沙就会落淤下来，水体中含沙量减少。一定的水流条件，它所能挟带的沙量应是个常值，该值称为水流挟沙能力。对应的水流速度称为不淤流速，当实际水流速度小于泥沙的不淤流速时泥沙便发生淤积。通过环形水槽进行挟沙能力试验，可以确定出不淤流速。
二、起动试验装置简介
以往对泥沙基本运动规律进行试验研究时，运用的试验装置主要是普通明渠水槽和环形水槽。在淤积固结条件下，对黏性泥沙进行起动冲刷试验研究时需要考虑以下几个因素：
（1）在淤积固结条件下，黏性泥沙的临界起动条件变化范围很大。对于新淤的黏性泥沙，淤积物具有流动性和易悬浮性，在较弱的水流条件下就可以达到起动条件，比一般非黏性散体粗颗粒泥沙容易起动和冲刷；对于尚未完全密实的黏性泥沙，又和一般非黏性散体粗颗粒泥沙的临界起动条件相差不远；对于淤积固结历时较长的黏性泥沙，受其颗粒间黏结力较强的影响，需要克服颗粒间较大的黏结力才能起动，这时候黏性泥沙具有很强的临界起动条件，起动流速和起动切应力往往很大。所以在淤积固结条件下，随着淤积物密实程度的增加，黏性泥沙的临界起动条件变化范围很大，往往临界起动切应力变化范围可达0.1～10N/m2，相应摩阻流速变化范围在0.01～0.1m/s之间。这样在一般普通明渠水槽中控制试验条件比较困难，同时也难以满足较强的临界起动条件。
（2）在进行起动冲刷试验时，需要保持冲刷前后床面的平整，以提高试验的精度。在水流冲刷的作用下，床面上的泥沙将会逐渐起动冲起并被带走，随着冲刷的进行，初始的床面高度会逐渐下降，从而使冲刷前后的水流条件发生一定的变化，并且当整个床面大范围内发生冲刷时，冲刷总是不平整的，这也必然造成水流的涡流和紊动的加剧，降低试验的精度。所以在进行冲刷试验时，要想测出在相同水流条件下的冲刷变化情况，就需要在试验中尽量保持冲刷前后床面的平整。
（3）试验中应保证试验结果能够直接在天然水流条件下应用推广。泥沙的起动主要取决于床面附近的水流状况，在实际水流中，由于河道边界，水深变化等因素对水流流速分布影响较大，而从力学角度来分析，不论在试验水槽中还是在天然河流中，床面切应力是促使泥沙起动冲刷的直接原因，所以应用能够描述底部水流情况的摩阻流速或水流床面切应力作为临界起动条件就更为合适。
在考虑上述因素的前提条件下，起动试验在特制的矩形有机玻璃管道中进行，矩形管道示意图见图3-7。矩形管道断面尺寸为3cm×12cm，长度为2m，土样放置在距进口1.2m处，操作土样下部的升降顶土装置，使其在试验时保持土样表面与管道底平面齐平。流量由电磁流量计读出，管道最大平均流速为3m/s。矩形有机玻璃管道及顶土装置见图3-8及图3-9。
图3-7 矩形管道水槽起动冲刷试验装置示意图
图3-8 矩形有机玻璃管道图
图3-9 顶土装置图
三、有压管水力特性
（一）切应力计算
1.理论公式推导［23，24］
根据普郎特—卡门的研究成果，管道平均流速与壁面切应力之间的关系应满足普朗特—卡门方管紊流流动的通用摩阻律公式，其中阻力系数为：
式中：ρ为水的密度；U为矩形管平均流速。
在阻力系数确定的情况下，可计算得出壁面切应力τ。
根据尼库拉兹等人的试验结果，求圆管阻力系数的经验公式可以归纳为：
（1）光滑区，
时，为光滑管，阻力系数可以用下列经验公式计算：
伯拉修斯公式：
适用范围4000<Re<105。
尼库拉兹公式：
适用范围Re<106。
（2）过渡粗糙区，当3.5≤Re*≤70，即
时，为过渡粗糙区。在过渡粗糙区时，沿程阻力系数可由怀特经验公式计算：
适用范围3000<Re<106。
（3）粗糙区，当Re*>70，
时，为粗糙区，即阻力平方区。该区沿程阻力系数可由尼库拉兹经验公式计算：
适用范围
，其中d为圆管直径。
2.Re计算
选择式（3-7）来计算切应力时，首先需要选择计算阻力系数λ的公式。在试验中，流量范围为2～25m3/h，相应有Re范围为5000～70000，即Re<106。试验中泥沙为细颗粒泥沙，在泥沙起动冲刷试验前，床面都比较平整光滑，此时一般Δ<0.1mm。当摩阻流速U*为5cm/s，相应的壁面切应力为2.5N/m2时，计算得出Re*<3.6。试验中摩阻流速U*不超过10cm/s，相应的壁面切应力不超过10N/m2时，计算得出Re*<7.2。所以可以根据式（3-9）来计算阻力系数λ，再由式（3-7）来计算壁面切应力τ。在矩形管道中Re根据下式计算：
（二）压力对起动临界条件的影响
由于封闭管道的水流为有压流，而实际工作中遇到的大都是开敞的无压流，为了比较封闭矩形管道试验结果和开敞无压流情况下的差别，洪大林［15］同时在有压管道和明渠水槽进行试验研究，明渠水槽起动摩阻流速U*sc与矩形管道起动摩阻流速U*mq关系见图3-10，可见其都集中在45°线附近。因此，在有压管道中进行起动试验，其压力变化对起动的影响基本可以忽略，试验结果基本可以代表土样在一般开敞水槽中的试验结果。
图3-10 矩形管道U*sc与明渠U*mq的关系
四、试验沙样
由于试验拟模拟黏性泥沙的淤积固结，试验用沙选用黄河花园口淤泥和长江细颗粒泥沙，两类黏性细颗粒泥沙通过筛分和沉降分选处理后共得到试验用沙四组。各组试验沙样的特征值见表3-2，各组试验沙样的级配曲线见图3-11。黄河花园口淤泥的主要矿物成分为高岭石、蒙脱石，长江细颗粒泥沙的主要矿物成分为高岭石，伊利石，黄河花园口淤泥比长江细颗粒泥沙要细一些，相应黏性颗粒含量也偏高。四组试验沙样的密度在2.65～2.7t/m3之间，中值粒径在0.008～0.046mm之间，黏性颗粒含量从2%到38%，能够基本反应黏性泥沙试验特性。
表3-2 试验沙样特征值
① 黏性颗粒指的是粒径0.005以下颗粒［9］。
图3-11 试验沙样级配图
五、泥沙起动标准
泥沙起动标准的确定，是影响试验结果精度的关键问题之一。对于颗粒较大的非黏性泥沙，起动一般是以单个颗粒散体形式为起动单元，其广泛采用的一种定性标准，即将推移质的运动分为4个阶段［25］：
（1）无泥沙运动：床面沙粒全部处于静止状态。
（2）轻微的泥沙运动：在床面可以看到有极少量的细颗粒泥沙处于运动状态。
（3）中等强度的泥沙运动：在床面各处都可以观察到有中等大小以下的沙粒在运动，运动颗粒数量较大。
（4）普遍的泥沙运动：各种大小的沙粒均已开始运动，引起床面形态的急剧改变。
对于黏性泥沙来说，由于颗粒间黏结力的作用，起动是以成块或成团的形式进行。同时在其起动过程中，往往开始起动时淤积物表面会出现裂痕或针眼大小的凹坑，并伴随少量烟状物，再继续增加水流切应力或流速到一个较大值时淤积物会突然被大块的掀起，出现大量烟状物，在此以后出现微团的连续起动。可见，黏性泥沙起动和非黏性泥沙起动在过程有相似之处，即多存在着从个别动到少量动，最后到普通动的情况，同时也存在着明显的差异，即个别动、少量动、大量动的表现形式和非黏性泥沙有较大差别。因此，洪大林在进行黏性原状土起动冲刷试验时，将黏性土的起动分成三种标准，即个别微团起动、少量微团起动和普遍微团起动，同时也分别赋予特定的含义：
（1）个别微团起动。即在土样的表面，个别微团处于运动状态，且具有间隙性，是不连续的。
（2）少量微团起动。此时土样表面出现凹突不平，在平整的床面或在突起的部位，一般以微团形式运动，大都是不连续的，而在凹坑内则出现少量烟状物，一般具有连续性（其连续性并不一定是在某一固定点，而可能是在不同点发生，而其间隙性则又反映了微团在起动时出现量上的差别，即忽而是大量的微团起动、忽而出现床面的静止）。
（3）普遍微团起动。土样表面出现较多大小不等的凹陷，平整表面的微团较少，凹陷的表面微团较多，且微团基本呈现出连续运动，特别是在冲刷坑内，出现大量烟状物，土样崩溃。
试验采用洪大林所定的起动标准，将黏性泥沙“少量微团起动”时管道水流切应力视为临界起动切应力。
六、试验方案设计
（1）沙样制备。将试验用沙筛分、混合，形成4个组次的试验沙样，用移液管法对各组沙样进行颗粒分析，测定实验沙样的特征值。
（2）淤积试验。将各组沙样混合均匀后置于干净的塑料盆中，加入适量水，充分搅拌均匀。静置一天后析出清水清除，继续搅拌均匀后将淤积物装入与土样筒大小一致的试样盒内，将装有沙样的试样盒置于水池中进行水下淤积固结。
（3）起动试验。淤积一定历时后，将装有试验沙样的试样盒从水池中取出，利用顶土装置将其顶入土样筒。先把土样存放于土样筒中，等矩形管道中流态稳定后再将土样推上使其表面暴露于矩形有压流管道底面。缓慢调节阀门，使管道中流速缓慢增大，观察试验沙样起动情况。当试验沙样达到起动标准时，记下管道中流量，即可通过计算得出该沙样的起动切应力。
七、试验中应注意的问题
（1）由于部分试验沙样是由两种试验用沙混合而成，保证其充分混合均匀十分重要。在试验沙样制备过程中，应加入足量的水，使其充分流变，以便于搅拌均匀。
（2）考虑到黏性泥沙淤积过程中干密度不断变大，为保证试验沙样高度和试样盒齐平，在试验沙样装置时，应根据不同的淤积时间，控制试验沙样高度。当淤积时间较短时，应保证试验沙样高度和试样盒齐平；若淤积时间较短时，试验沙样高度应略高于试样盒。
（3）在调节控制流速过程中，应做到缓慢、均匀，以保证有压管道中水流流态稳定。
八、试验数据整理
试验共完成4组沙样分别淤积1d、3d、5d、8d、13d、21d、34d、55d、89d、144d、243d、377d后起动切应力试验，测得泥沙干密度、起动流速、水温等数据，现整理如表3-3所示。
表3-3 黏性泥沙起动切应力试验测量数据
续表
