新淤黏性土冲刷试验结果分析与优化建议

图13为干容重为0.556g/cm3的淤积物在不同床面切应力作用下的冲刷试验含沙量随时间增加的过程。在试验2h以后，含沙量成线性增加。当τ＜16.1N/m2时，含沙量无变化，这些试验组次图13上已无法绘出。冲刷过程的前2h，由于床面存在前一组试验冲起后回淤的浮泥，抗冲性特别低，所以浓度增加甚快。加之起始水流状态处于加速运动，床面切应力需要一定时间才能稳定在额定值，这也使试验之初的冲刷率增加。试验进行大约2h后，进入稳定的表面冲刷，所以冲刷率比较稳定，在试验的浓度和切应力范围内（含沙量小于35kg/m3，τ小于66.4N/m2），冲刷率E是一个确定的值。将含沙量c，试验水体V0和床面总面积A建立单位床面水体含沙量表达式。其中V0=0.036m3；A=0.565m2；E0以kg/m2计，代表单位床面的含沙量，即单位床面的累积冲刷量。这样E0—t关系曲线的斜率即为冲刷率E，以g/（m2·h）计。图14为E—τ关系。当τ＞τc，可描述为（见图15）

图13　冲刷过程

式（7）中τc为临界起冲切应力，由试验求得。若冲刷率用体积比含沙量变化率表示，可得到

式中：s为体积比含沙量；R为冲刷率，以I/h计；E0以kg/m2计；γs为泥沙容重，以kg/m3计。式（7）、式（8）中K是一个十分复杂的参数，前人曾作过一些研究^[4]。从试验中分析到K与自由孔隙比er有一定关系，er是把实际孔隙率Nm和固体颗粒在水中的松散孔隙率Ns统一起来的指标。Ns可以反映级配和细颗粒含量的影响，其测定方法是将一定量的沙样在盛水量筒中自由沉降，测其自由沉降的淤积体积，再换算成松散孔隙率。自由孔隙比为

图14　E—τ关系

图15　E—（τ/τc-1）关系

式中：Nr=（Nm-Ns）/（1-Ns）。Nr称为自由孔隙率，其物理意义是实际孔隙率Nm与松散孔隙率之差与松散状态的体积浓度（1-Ns）之比，可写成

于是得到自由孔隙比

自由孔隙比是一个综合参数，除了反映级配，细颗粒含量的影响外，还反映了淤积物的密实程度。er愈小，颗料自由度愈小，粒间孔隙愈小，黏性作用愈大。由试验资料得出(www.xing528.com)

式中K以g/（m2·h）计。上式可以定性看出K与er成负比例关系。

对黏性土冲刷率的研究，近来有一种新的分析方法，即将速率论（the Rate Process Theory）的方法从土力学的蠕变引伸到黏性土的冲刷。目前的研究水平在于确定两个速率论参数：一是试验活化能（Experiment activation energy）Ea，一是流动体积（Flow volumes）V。其表达式分别为［8］

式中：K为波尔兹曼常数（1.38×10-16 erg/K）；T为试验温度，以热力学温度K表示；R为通用气体常数，为1.98cal/（K·mol）；E1、E2分别为切应力τ1和τ2时的冲刷率。

试验温度变幅不大，所以不能确定出试验活化能，只能得到流动体积。第一组试验的平均流动体积为0.427×10-13 cm3，第二组为0.158×10-13 cm3。与前人的研究成果对比如表1。从表1可以看出，本文的流动体积与前人用直水槽等设备所作的黏性土冲刷试验得到的值相近，比土力学蠕变试验得到结果大若干数量级。这两类试验尽管都力图用速率论进行分析，但性质不同，数量级亦不同。

表1　流动体积

在确定出流动体积后，冲刷率可记为

式（10）同扩散方程得出的悬移质含沙量分布在形式上类似。在已知一个基准切应力τ1对应的冲刷率E1之后，可用式（10）求出其余各种切应力τ2作用之下的冲刷率E2。