试验研究：水流条件对冲刷率影响的实验分析

黏性土冲刷试验分两大类：一类是水槽试验；另一类是小试样专用设备试验。水槽试验的优点是与野外情况比较接近，参数测量比较成熟，但工作量一般比较大。小试样试验设备比较精巧，操作方便，但与天然情况差异甚大。如何用这些成果来解决生产问题，是一个有待探讨的问题。

1.水槽试验

Partheniades和Kuti的水槽试验代表两种不同的风格。前者使用循环水槽，对冲刷率测量比较严格。后者用冲刷深度来度量冲刷量，试验参数比较简单。

Partheniades的试验得出了一些新的成果，受到人们的重视。试验沙为旧金山海湾淤泥。悬移质含沙量用真空泵取样过滤法测定，铺沙0.1ft厚，床面切应力用τb=RbJγ计算，Rb为对应床面的水力半径，J为能坡，γ为水的比重，冲刷率由含沙量的变化率计算

式中：E为冲刷率（g/h，ft2）；l为床面长度；bm为平均冲刷宽度（ft）；c为含沙量（g/L）。共作了三组试验。第一组在一次铺沙后连续作21次不同水流条件的试验，研究水流剪切应力与冲刷率的关系和悬沙淤积的临界流速。第二组将第一组试验后的床面扰动平整后用盐水浸泡15d后，作了4次流速较高的试验。第三组是絮凝沉降的床面，作了7次试验。试验结果发现三种床面的临界冲刷切应力大约都在0.002bsf左右。冲刷床面在水槽中心附近冲出一条顺直的深槽。意外地发现虽然第二组比第一组抗剪强度低25%～40%，但冲刷率却比第一组低（见图1）。他认为第二组的抗冲性主要由于氧化铁的存在而有所增加，而氧化铁并不影响土壤的抗剪强度，从而否定了一部分人认为τc随抗剪强度增大而增大的结论。试验还表明，第一组试验当床面切应力超过0.0lbsf，第二组超过0.027bsf时，两种床面的冲刷率都与τb呈线性关系增长。

Kuti的试验是观测溢流坝下游冲刷的水槽试验。其布置示意如图10。试验用了6种混合沙，含黏量（小于0.06mm）的百分数分别为20%、39%、50%、60%、70%、80%，中径0.006～0.9mm，塑性指数0～15.5，流速由皮托管测定，冲刷量由测针量床面高程算出，每10min测一次。淤积物由静荷载压实。

图10　观测溢流坝下游冲刷的水槽试验布置图

该试验是在尺度分析基础上设计的。在通常情况下无量纲冲刷率ΔV/UBaΔt可以表示成7个无量纲参数的函数

式中：V为冲刷体积；U为流速；t为冲刷时间；a为水深；Re为雷诺数；ω为沉速；d为粒径；ρf为流体密度；ρb为土壤干密度；B为槽宽；c为表征黏土矿物类型和含黏量的一个综合指标。

因为ρb/ρf是孔隙率的一个函数，与平均粒径与黏粒含量有关，并且在试验中B、a、U都不变，Re、B/d成为常数。此外a/d、U/w、c可由床面含黏粒百分比所概括。最后得到试验关系式为

全部试验用6种混合沙，每种沙4个孔隙比，共24次试验。

通过试验得出的结论是：影响冲刷的因素有水流条件、土壤性质、流体性质和边界条件。在一定的水流条件下，最终会达到冲刷平衡。相同含黏量的不同孔隙比的淤积体冲刷到平衡状态时被冲走的泥沙体积（不包括孔隙）相等，但达到平衡的时间随孔隙率的增加而减少。同时含黏量高的淤积体比含黏量低的淤积体达到冲刷平衡的时间要长。

可以看出，全部试验水流条件不变，重点研究的是孔隙率e和含黏量对冲刷率的影响，因此不可能得到定量的结果。有启发的是，把孔隙比e和含黏量作为表征黏性土物理化学性质的两种间接指标，应该说形式是简单明确的，如果能再把水流条件的影响考虑到试验中去，得到对某种特点淤积体的定量冲刷率关系式是可能的。

2.小试样试验

这类试验形式较多，特点是可以孤立各种因素作仔细地观测和分析，规模小，花钱少，操作方便。冲刷率是通过在一给定时段内试样的重量减少量间接算出，所以必须隔一个时段停下来称重，然后再装入回路进行下一个时段的试验。主要方法有淹没射流试验，转筒试验，小管路试验和小水洞试验。

（1）淹没射流试验。1940年Rouse对非黏性沙的淹没射流试验具有开拓的意义。用于黏性土冲刷是20世纪50年代末开始的。

Dunn用这种方法建立了临界切应力与十字板抗剪强度的关系。其淹没射流所产生的边界切应力的大小用一个覆盖在土壤颗粒表面的剪切板直接测量。

（2）转筒圆柱试验。Arithurai和Arulanandan的转筒圆柱试验采用了图11所示的设备。切应力根据扭矩弹簧的指针刻度直接测出。试样用黏土作成高102mm，直径76mm的圆筒形，置于转筒中心，转筒与试件之间形成一个环形水槽。转筒的旋转使环形水槽中的水体对试件产生切应力，这一力使试件产生冲刷。Moore和Masch也做过类似的试验。试件可按分析的需要控制几种不同的因素，譬如含黏量、塑性指数、含水量、抗剪强度等。他们的结果表明，冲刷量是时间的函数，其冲刷深度正比于持续时间的对数。

（3）小管路试验。Christensen的小管路试验是有一定特色的。他的试件是在长4in，内径1in的钢管中附着1/8in厚的黏性土。水流切应力引用前人管流的公式τ=fρv2/8，其中摩阻系数用下式计算

式中：v为流速；g为流体密度；Re为雷诺数。(www.xing528.com)

试件装入管路系统中（见图12），作了三组试验。第一组用两种黏性土，保持含水量、密度和温度不变，考虑不同床面切应力下冲刷量的变化（见图13）。第二组改变含水量、保持其他因素不变，图14给出了冲刷量随含水量的变化。第三组考察温度对冲刷率的影响。其结果如图15。三组试验都得出了定性的规律。

图11　转筒圆柱实验设备

图12　试验系统

（4）小水洞试验。水洞试验与管路类似，区别在于试验段有一些便于测试的附属装置，观测段一般为矩形断面。

图13　高岭土冲刷量过程

图14　冲刷量随含水量的变化

图15　冲刷率与绝对温度的关系

Gularte的博士论文就是作的黏性土抗冲性的水洞试验。其水洞功能较全，设有调温装置，恒温时变化±0.2K（K为绝对温度），变温时升降温速度0.5k/min，床面切应力可直接测出。工作断面中心线流速用光导纤维螺旋桨流速仪连续测出。悬移质含沙量可以随时用一个经率定的激光仪测定。不足在于悬移质含沙量极低，最高仅0.15g/L。整个水洞有38加仑（145L）水循环工作，所以可由含沙量的增量和工作水体积求出表面冲刷率，再用0.14m2表面积除得到最后的冲刷率。水洞横断面6in×6in，整个试样都可由透明观测窗看到。试验分两组，一组保持温度恒定，改变流速；另一组保持速度恒定，改变温度。试件由高岭土作成，4种含盐量（2.5～10ppt NaCl、重量计千分之一），5种含水量（40%～80%）。每次冲刷的液体和泥沙孔隙的液体保持相同的含盐量和8.5的pH值。试样湿抗剪强度用落圆锥测定，试验后对试样做黏度分析。这个试验测量参数很全面，主要目的是用速率论的方法分析黏性土冲刷，通过温度和切应力的变化分别求出试验活化能和试验流动体积。

参考文献（外文参考文献从略）

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