黏性细泥沙起动的探讨.pdf

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1、泥沙研究2015年2月JournalofSedimentReseareh第1期文章编号：0468-155XI2015)01_o0756黏性细泥沙起动的探讨马菲，韩其为，赵弟明(1．山西省中部引黄工程建设管理局，山西太原030012；2．中国水利水电科学研究院，北京100048)摘要：从水流动力和黏性泥沙的组成及结构等方面分析了影响黏性细泥沙起动的因素，研究了起动模式和起动机理，肯定了薄膜水附加下压力的概念，揭示了黏性细泥沙土体起动时抗剪但不抗拉。引入临界水深的概念，很好解释了黏性单颗粒泥沙和成团泥沙起动时的分界点，最后系统总结了黏

2、性细泥沙起动研究现状，并对今后研究方法提出建议。关键词：黏性细泥沙；起动流速；黏结力；临界水深中图分类号：TV142．1文献标识码：ADOI：10．16239／j．cnki．0468．155x．2015．01．013黏性泥沙的起动冲刷特性，对于研究水库、河道、河口河床、近海海床的冲刷规律有重要意义，对这些地区的河流演变及治理有重要影响。近几十年来，黏性细泥沙的起动冲刷问题已引起了许多学者的重视，目前在黏性泥沙起动方面已有一些重要研究成果，但许多问题仍有待深入研究，比如土体破坏机理、起动模式的建立。为此，在前人研究的基础上，从水流动

3、力、黏性泥沙的组成及结构等方面分析了影响黏性细泥沙起动的因素，系统总结了黏性细泥沙起动研究现状，并对今后的研究提出展望。1土体的性质细颗粒泥沙因其具有黏性而称为黏性泥沙。细颗粒泥沙的粒径多属于黏土(d<0．005mm)和胶体范畴，由于比表面很大，其界面化学效应极为突出，水体化学条件的变化可导致细颗粒泥沙的絮凝或分散。而絮团的骨架形式又与黏粒的矿物组成及微观结构有关。其他因素，如发生絮凝时外界的物理、化学因素等也会对絮团的形成产生影响。因此，影响黏性泥沙结构形成的因素是多种多样的而又十分复杂的。1．1土体孔隙水长期浸没在水下的土是饱

4、和土，饱和土是二相土，土中的有效孔隙含有水并且与外界的水是连通的。因此在研究泥沙起动时应将土中水(孑L隙水)与土外水联系起来，土外水的运动状态会影响到土中水在土体内的压力分布。土体中的孔隙主要有三种：CD无效孔隙，孔径d<0．001mm，为结合水所充满；②毛管孑L隙；孔径0．0010．1mm，黏性泥沙在遭受水流冲刷时真正对起动起作用的是后两种孔隙。在泥沙颗粒周围有水膜环绕，其最贴近颗粒表面的薄膜水是结合水，属于无效空隙，具有某种固体性质其压力传递不符合巴斯克尔定律，不能传递静

5、水压力，相当于颗粒的有效重力增大，这个力的数值等于两颗粒接触面积中无效空隙(即结合水接触面积’)所占面积上受到的静水压力。可以看出水深影响流速分布，这在水深变化较大时作用更加明显。收稿日期：2013—09—27作者简介：马菲(1983一)，男，山西翼城人，高级工程师，博士，主要从事河流泥沙研究。E．mail：feifei-o357@126．corn751．2土体骨架变形需要强调的是：由于孔隙体积变化和颗粒重新排列需要有一个时间过程，土体固结变形与时间有关。土体所受荷载(总应力)在作用瞬时，主要由孔隙流体承担。随后，由于孑L隙流体体

6、积逐渐渗出，孑L隙压力逐渐消散，有效应力(骨架应力)逐渐增加。在有效应力作用下，骨架体产生的变形分为瞬时变形和蠕动变形，其中后者由于颗粒重新排列和骨架体错动的时间效应而与时间有关。将有效应力卸去后，若变形可恢复，则称为弹性变形；若变形不可恢复，则称为塑性变形。因此，骨架体变形可细分为瞬时弹性变形、瞬时塑性变形、蠕动弹性变形和蠕动塑性变形¨。这些因素的变化均直接影响黏性土的起动规律。干容重的大小直接关系到黏土成团起动时，成团颗粒能否保持完整的形态。试验表明，黏土起动时往往不是单颗的，大都是多颗泥沙成团起动，特别是干容重较小时尤其如此

7、。这是因为：干容重较大时，颗粒问黏结力相对泥沙容重较小，如果固结时间较长，孔隙压力逐渐消散，薄膜水附加下压力较大，当成团颗粒起动后，迅速流化，较大的薄膜水附加下压力卸去后，可恢复的弹性变形也比较大，颗粒团快速分离成单颗粒，而此时的水流作用流速远大于单颗粒的起动流速，此时颗粒运动速度加快，表现为悬扬。悬扬是颗粒团松动后，分离成单颗粒，此时适用于无黏性单颗粒起动流速公式。而干容重较小时，颗粒间黏结力相对泥沙容重较大，成团颗粒起动后，可恢复的弹性变形较小，由于内聚力的作用，一段时间内可以继续保持一个完整的形态，此时表现为成团起动。2水动

8、力条件在单纯水流作用下，以往着眼点在水流的时均作用方面，泥沙受到水平推力、上举力，这和粗颗粒受力形式一样，需要注意的是对于固结黏土，随着固结时间的增加，黏土之间的自由水越来越少，土中水的流动速度需要采用孔隙介质的蠕动方程得到。与粗颗粒起动考虑水流脉