黏土的水冲刷现象及其关系探究

黏性土颗粒很细，一经被掀动离开床面便遵循散粒体的运动规律。按平衡输沙的观点，黏性土冲刷的水流一般是不饱和的，因此掀动的速率便是冲刷率。这就促使人们对起动现象进行观察和研究。

起动时有两种现象：一是单颗粒的散粒起动；二是结构性的破坏。后者有两种情况：一是水流作用在黏性土某一结构面上的应力超过该面的抗剪强度产生成块起动；二是水浸入黏土使之失去结构强度，形成片状小块的所谓崩解现象。

冲刷形成的床面形态特点是：在床面中部形成一条明显的冲刷槽。如果是黏性土的溯源冲刷，则会出现跌坎式的冲刷纵剖面。

Rahmann的试验观察到：冲刷随着时间的延续可达到一个稳定的床面，这时最大冲刷深度和冲刷床面的糙率随床面切应力的增加和床面抗剪强度的减小而增大。冲刷中床面出现孔洞。

Partheniades在他的试验范围内发现冲刷时间和浓度呈线性关系，具有恒定的冲刷率。并且冲刷率与悬移质浓度基本无关。其试验的最大含沙量为12g/L。冲刷率与切应力的关系存在着一个突变点。从这一点开始，冲刷率随切应力的增加迅速增加。突变点的切应力称为临界切应力。临界冲刷切应力比临界淤积切应力高，在这种意义下黏性土悬沙与床沙质或絮团不会同时相互交换。发生冲刷的最小切应力对抗剪强度达20bsf的密实床面和抗剪强度仅0.2psf的蜂窝状絮团结构的床面都为0.002bsf。另一个有趣的现象是，抗剪强度为20bsf的第一组试验的床面比抗剪强度小25%～40%的第二组试验的床面抗冲性更低（见图1）。他解释这是由于第二组试验的床面铁离子增加了抗冲性，这说明抗剪强度与冲刷率关系不密切。抗冲性主要决定于黏性土絮团的联结强度。为了解释这一现象，他提出了一个黏性淤积体的结构模式。图2（a）为新淤结构，以絮团为基本单位联结成蜂窝状的松散网格，孔隙率很大，充满着水体，具有一定的很小的抗剪强度，抗剪强度的大小取决于颗粒间的黏着力及破坏面上单位面积内的颗粒接触点的数目。这时，破坏面的颗粒间接触点是较少的。图2（b）为密实过程中，网状联结先破坏，各絮团聚集体互趋紧密。图2（c）为进一步密实，但仍保持原有的絮团聚集体。最后如图2（d）所示，絮团破裂，孔隙大部消失，孔隙水被分离挤出，形成整体结构。随着密实度的增加，颗粒间距缩小，这将加大颗粒的黏着力，单位面积内颗粒接触点的数目会增加，抗剪强度会增大。但是，对冲刷来说，一般发生在表面，这时表面颗粒的状态对以上4种情况没有实质的差异。黏性颗粒一般为针状和片状，受力情况类似超静定的悬臂梁。在床面处蜂窝状由连续的絮团链组成，具有同密实床面相同的粒间触点。因此，只要水流切应力不产生超过絮团间平均联结力的应力，那么，蜂窝状床面和密实床面的表面冲刷方式和冲刷率是会类似的。这种黏性土淤积体的结构模式和冲刷机理尽管仍有值得商榷的地方，但对揭示黏性土的淤积过程和解释黏性土冲刷中的异常现象仍旧是有启发意义的。(www.xing528.com)

图1　床面抗剪强度比较

图2　黏性淤积体的结构模式

此外，Grissinger观察到：水温从20℃增加到35℃可以使冲刷率增加1倍；试验前淤积体是否受压可使冲刷率差到10倍。试验土样的含黏量与冲刷率关系很大；土壤中黏土含量越大抗冲性越大；颗粒间相互排列组合对冲刷影响很大。

Moore和Masch试验观察到：各组试验冲刷深度正比于冲刷时间的对数。