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泥沙研究
2015年12月
Journal of Sediment Research
第6期
文章编号:0468-155X(2015)06-005906
黏性泥沙流变特性及其临界起动的研究
刘洁,刘洁玉2,白玉川
(1,天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室,天津300072:2.中国电建集团西北動察设计研究院有限公司陕西西安710065)
摘要:以天津大港淤泥质粉沙为研究对象,系统研究了其物理特性和临界起动性质。对密度范围在1.141
470g/em2的黏性泥沙进行流变试验,确定其流变参数。结果表明:天津大港黏性泥沙有明显的屈服应力
适合用宾汉塑性体模型描述,且宾汉屈服应力和黏度系数均为泥沙密度的指数函数。长水槽中波浪作用下
黏性泥沙起动试验以泥沙少量起动为标准,波浪底部临界切应力随黏性泥沙密度增大而增大,即不同于非黏
性泥沙,黏性泥沙的起动主要与其密度有关,而非泥沙粒径。波浪作用下的黏性泥沙起动可以用延伸 Shields
曲线描述。根据实验结果拟合出临界起动切应力和宾汉屈服应力之间的关系式。
关键词:黏性泥沙;流变特性;宾汉屈服应力;起动波高;临界切应力
中图分类号:TV142.1
文献标识码:A
DOI:10.16239/j.cnki.0468-155x.2015.06.010
为准确预测黏性泥沙起动,了解黏性泥沙的物理流変特性十分重要,即确定其流变参数,如屈服应
力和黏度参数。国内外的学者已经使用不同的数学模型来描述黏性泥沙剪切应力与剪切率之间的关
系,常见的包括幂律流模型、黏弹性模型?、黏弹塑性模型及宾汉塑性体模型]等。根据黏性泥
沙的物理特性建立的流变模型是预测和计算表面波浪衰减和底部泥沙输移的关键。水流作用下的黏性
泥沙起动问题的研究已经取得很多成果。一些研究以单颗粒泥沙的受力分析为出发点,考虑颗粒间黏
结力,建立临界起动切应力或者起动流速公式6-9。另外一些研究认为黏性泥沙的临界起动切应力主
要由泥沙的类型和密实程度所决定,建立了以黏性泥沙密度或者干密度为参数的起动判别式0-]。此
外,还包括将淤泥的临界起动切应力与其宾汉屈服应力联系起来,建立起动判別式Sり。波浪作用下泥
沙起动问题围绕计算床面波浪底部剪切力展开, Madsen和 Grant]将 Shields曲线推广到波浪作用下的
无黏性泥沙起动中。赵子丹?将其改进到适合于描述细颗粒泥沙起动的问题中。肖辉和曹祖德取
黏性泥沙中值粒径作为泥沙粒径,计算出黏性泥沙临界起动切应力、无因次雷诺数和无因次 Shields参
数。 Maurizio:基于力矩平衡,推导出黏性泥沙起动的临界标准,该标准可作为鉴定单颗粒和絮凝的临
界条件,并且导出适用于传统 Shields曲线的修改式。练继建考虑波浪与黏性泥沙床面的相互作用
用黏弹塑性模型描述底泥的流变特性,建立了软泥床面上波浪剪切力的理论模型。本文以天津大港淤
泥质粉沙为研究对象,配置密度在1.141~1.470g/cm?的泥浆,进行行进波浪作用下黏性泥沙的流变
试验和起动试验,以期对清淤工作提供科学依据。
1黏性泥沙流变特性
试验所用黏性泥沙来自天津大港天然泥样,粒度分布如图1所示。粒度分析结果表明,试验黏性泥
收稿日期:2014-10-26
甚金项目;国家自然科学基金面上项目(40376028);国家自然科学基金面上项目(41576093)
作者简介:刘洁(1986-),女,内蒙古包头人,博士研究生,主要从事河口海岸研究。E-mail:liujie.mars@tiu.edua.cn
沙为黏土质粉沙,中值粒径为d3o=0.014mm。其中,粒径在0.005~0.05mm的粉沙含量为67.42%
粒径小于0.005mm的黏土含量为27.3%,所以泥沙表现出较大的黏性。细颗粒黏性泥沙之所以难于起
动,主要受泥沙颗粒之间黏结力、密实程度及其矿物组成影响,粒径越小,细颗粒黏性泥沙越不容易起
动。由于随着黏性泥沙的密实程度和密度的变化,起动摩阻流速也随之变化,所以了解泥沙的流变特性
是十分必要的。
pn=1.141gmp3-~Ppn=1.345gm
=1,269gm2…pn=1407g/m
江尔如衄如
010.1
30
60
120
150
粒径m
剪切率(1
图1试验泥沙粒度分布曲线
图2黏性泥沙流变曲线
Fig. 1 Particle size distribution of experimental sediment
Fig 2 Rheological curves of cohesive sediment
试验黏性泥沙的密度范围在pn=1.141~1.470g/ecma3,每组泥沙起动试验之前,取少量已经搅拌
好的黏性泥沙样品,采用奥地利 Anton-Par公司生产的 Rheolabqc旋转黏度计进行流变试验,得到剪应
力随剪切速率变化的关系。取其中几组试验结果,绘制剪应力与剪切速率关系曲线(图2)。由图2可
知,剪切率小于30s时,黏性泥沙的剪切应力随剪切率的增加明显增加;而在剪切率大于50s'后,应
力变化趋于平缓。此外,黏性泥沙具有明显的屈服应力,而且随着黏性泥沙密度的增加屈服应力也增
大。这是由于受到粒径小于0.01mm细颗粒泥沙的影响,黏性泥沙表现出明显的宾汉体性质,所以本文
使用宾汉塑性体描述黏性泥沙的流变关系
y
y
=0
てて
式中为剪切应力;a为临界宾汉屈服应力;γ为剪切率;η为网
度系数,与牛顿流体的运动黏滞系数量纲相同。不同密度黏性
丧1不同密度黏性泥沙流变參数
Table 1 Rheological parameters of cohesive
泥沙用宾汉塑性体模型描述时的屈服应力和刚度系数见表1。
sediment with different densities
宾汉屈服应力和刚度系数随黏性泥沙密度变化的关系曲线如图密度pm屈服应力刚度系数
3和图4所示。根据上述结果,拟合得到天津大港黏性泥沙宾(
/PA
/(N.m/
0.0030
汉屈服应力和刚度系数随黏性泥沙密度变化的函数关系式
0.0034
τa=exp(-15.17+11.17pn
(2)
0.0033
0.1004
们=exP(5.
21.69
pm+10
由试验结果可以看出,天津大港细颗粒黏性粉沙有比较明
1.302
0,2002
0.0036
显的屈服应力,可以用宾汉塑性体模型描述,且でa随黏性泥沙1345
0.4159
密度pn增大呈指數增长。此外,刚度系数随貓性泥沙密度P。1407
2.4043
增大也指数増长。根据公式(2)和(3),如果黏性泥沙密度已1.424
知,就可以计算其相应的宾汉屈服应力与刚度系数。
1.470
3.0636
0.0110
2行进波作用下黏性泥沙起动试验
黏性泥沙起动试验在天津大学海岸工程实验室的波浪水槽中进行,试验装置如图5所示,水槽长
2m,宽50cm,高80cm。水槽进口处装配RFM-110型不规则波造波机,水槽两端均装有消浪网。试验
前将泥样加水浸泡24小时,根据不同泥沙容重要求,经人工搅拌1小时后铺于水槽中间试验段。试验
段铺泥长度为3m,厚度为7cm。在观测段铺满淤泥后,将泥面刮平,即