淤泥起动试验现象与关键参数计算方法

根据水动力条件可以将泥沙起动划分为三种，即水流作用下的泥沙起动、波浪作用下的泥沙起动和波、流耦合作用下的泥沙起动。其中，水流作用下的起动试验可以在直水槽或者环形水槽内开展，单纯波浪和波流共同作用下的起动试验大多在波浪水槽或波流水槽中开展。

1.2.1　直水槽内的起动试验

1.2.1.1　试验设备

水槽的有效长度和宽度应满足试验段水流平稳、流速分布合理的要求；波浪水槽的有效长度应大于10倍波长，水槽的首尾两端均应设消浪装置，且尾部消浪装置应能消除90%以上的反射波，水槽应具备稳定、可控的造波功能，造出的波浪在试验段内相对稳定的波数不少于100个。交通运输部天津水运工程科学研究所的波流水槽（见图2-1）的尺寸为68.0m×0.7m×1.0m，中部槽底留有长4.0m，深0.10m的存泥槽。试验水流为自循环式，用水为自来水，水流速由一个无级变速的电动水泵控制。流速测量采用ADV流速仪，该流速仪主要由信号处理器和测速探头两部分组成，流速测量范围可低至0.25cm/s，准确度可达所测流速的1%。铺泥段中后端布置OBS测沙仪测量近底处含沙量，并在同一位置处沿垂线布设六点悬沙采集器。

图2-1　长直水槽中的泥沙起动试验布置示意图

1.2.1.2　前期准备工作

（1）试验开始前，应对水槽设施进行检修和清理，水槽试验段底部保持平整，在试验段设置长度不小于3m、深度不小于0.1m的铺沙槽。

（2）对铺沙槽进行整平，根据试验所需的波浪、水流条件对水槽进行调试和分级率定；置于水中的仪器设备应尽量减小对波形和流场的影响。

（3）将试验所需的沙样搅拌均匀，放入铺沙槽并抹平；对于沉积物等原状样试验，需放入沙样盒并减少扰动；待泥沙密度达到稳定后，向水槽缓慢加水至试验水深，注水过程尽量减小对泥沙的扰动影响。

1.2.1.3　试验开展

（1）待泥沙密度达到试验所需条件后，根据水槽率定分级情况，从小流速或小波浪开始试验，根据沙样情况可通过目测、摄像和含沙量测定等方法观测泥沙起动情况。

（2）波浪作用下的起动试验，采用逐级增大波高或波周期直至泥沙起动。

（3）波流共同作用下的起动试验，根据波浪或水流作用下的起动试验结果，在固定某一波浪或水流条件下逐级增大另一动力因素，通过不同的组合动力条件达到泥沙起动。

（4）泥沙起动判别标准：泥沙起动采用观察法或含沙量测量法，判别标准一般可分为个别起动、少量起动和大量起动三种状态，通常将少量起动定为泥沙起动的标准。

淤泥质港口的细颗粒泥沙的起动以泥沙的卷起、悬扬为主要特征，即泥沙起动时直接进入悬扬状态，如图2-2所示。当悬扬不明显时，床面无明显破坏，此时泥沙并未起动；悬扬开始明显增大时，床面出现破坏性的裂纹或泥坑，此时泥沙进入“大量起动”阶段。但是，淤泥不同于沙，细颗粒扬起后将悬浮于水体中，水体浑浊，增加了泥沙起动的观测难度。因此，试验中主要依据4个参数来判断泥沙的起动程度：床面晃动程度、床面高度升降情况、悬沙从床面悬起时的烟雾（泥沙）的稀稠程度和高度、颗粒或泥团（片）跃动程度等。

由于试验的动力条件不同，底沙由静止逐渐达到起动的过程也不相同，为使起动的判断标准相同，通过在铺泥段的中后端布置OBS光电测沙仪，测量离底床约2.0cm处的水体含沙量，根据起动试验得到起动时的OBS值，然后采用同一OBS测量值对水流作用下的泥沙起动进行判断。

图2-2　淤泥起动时的试验现象

1.2.1.4　起动试验关键参数计算方法

（1）泥沙起动特征值根据波高、流速等试验条件，采用临界起动切应力、临界起动摩阻流速、临界希尔兹参数和沙粒雷诺数等各项指标综合表达，各项特征值可参考下列公式计算。

式中，τc——泥沙临界起动切应力（N/m2）；

ρ——水的密度（kg/m3）；

U*——临界起动摩阻流速（m/s）；

ψ——临界希尔兹参数；

ρs——泥沙的密度（kg/m3）；

g——重力加速度（m/s2）；

d50——泥沙中值粒径（m）；

Rep——沙粒雷诺数；

v——水的运动黏滞系数（m2/s）。

（2）波浪作用下的起动特征值可参考如下公式计算。

式中，Uw——波浪起动流速（m/s）；(www.xing528.com)

Ubm——波浪底部最大轨迹流速（m/s）；

U*w——波浪摩阻流速（m/s）；

τw——波浪起动切应力（N/m2）；

fw——波浪摩阻系数。

（3）波流共同作用下的起动特征值可参考如下公式计算。

式中，τwc——波流共同作用下的床面剪应力（N/m2）；

fwc——波流共同作用下的摩阻系数；

Uwc——波流共同作用下的起动流速（m/s）；

U*wc——波流共同作用下的摩阻流速（m/s）。

1.2.2　环形水槽内的起动试验

1.2.2.1　试验设备

环形水槽由环形槽、剪力环和驱使环形槽及剪力环转动的驱动系统组成。环形水槽具有以下特点。

（1）无流入口和流出口的影响，水槽内各断面的水流状态相同，相当于各断面水流状态相同的无限长的水槽。

（2）不需回水装置和消能设施，不破坏泥沙的絮凝状态，即泥沙能与现场条件相似的状态下沉积、起动和输移。

（3）操作方便，实验水深、含沙浓度、水流速度可方便地进行调节。

交通运输部天津水运工程科学研究所的环形水槽由透明有机玻璃制造而成，如图2-3所示。基本尺寸：槽外径200cm，内径160cm，槽高60cm，槽宽20cm。槽外壁沿槽高每2cm设有取水嘴。其中，剪力环外径198cm、内径162cm、宽18cm，为透明有机玻璃的圆环，放置于水槽内，主要作用是消降纵向螺线形环流，并削弱横向水平离心力。为了使水槽内的横流控制到最低程度，试验时将剪力环和环形槽按一定比转速同步、反向转动，使水槽内的横流大部分抵消，形成较均匀的紊动水流。环形水槽内水流速度的大小与水深有关，水槽最大试验水深50cm，在该水深下按定比转速调节剪力环和环形槽，对0～60cm/s（水槽断面平均流速）的流速范围进行了率定。

图2-3　环形水槽照片和构造

1.2.2.2　试验前期准备

（1）试验开始前，应对水槽设施进行检修和清理，将水注入环形水槽内至试验水深，调整剪力环至水面处，观测剪力环与水面的接触情况，保持剪力环底面在水面下不超过0.005m。

（2）合理调整调节环形槽、剪力环的转速，按照试验所需的水流条件进行调试和分级率定，水流的流速分级不超过0.1m/s。

（3）根据环形水槽的水量，采用试验沙样按照水槽内水体含沙量0.2～5.0kg/m3准备泥样。

1.2.2.3　试验开展

（1）将准备好的泥样缓慢加入水槽，转动水槽使泥沙均匀分散，停止转动水槽，保持水体静止24小时以上，使泥沙均匀沉积在水槽底部。

（2）测量沉积在水槽底部的泥沙的密度，由于在环形水槽中直接测量或取样测量泥沙密度都有一定难度，可增加附加试验，即开展密实试验，但沉降管水体初始含沙量应采用环形水槽的水体含沙量，进而得出试验泥样的密实曲线，以便查得密实后泥沙的密度。

（3）根据水槽率定的分级，从小流速开始转动水槽，每级流速作用时间不少于1小时，分层取样或采用测沙仪测定垂线上含沙量的分布，并通过目测法观察泥沙的个别起动、少量起动和大量起动等情况。

（4）采用取样法测定含沙量时要及时补水，避免水槽内水体的减少。

1.2.2.4　试验结果分析

对试验现象进行描述和分析，包括不同试验内容中的试验条件以及对应产生的泥沙运移状态、床面冲淤形态等，并对动力条件与泥沙起动变化关系进行分析，给出不同动力条件下的泥沙起动特征。

（1）根据垂线上各层含沙量分布结果，采用积分方法计算垂线平均含沙量。

（2）根据分级流速下垂线平均含沙量与设定的含沙量的比值计算起动沙量，可以采用百分数表示，绘制起动沙量与流速的关系线。

（3）分别按起动沙量10%、50%和80%作为少量起动、大量起动和完全起动的对应的流速。

最后，根据泥沙起动试验数据，利用上述公式对不同条件下的泥沙起动特征值进行计算，进而对计算结果进行分析。