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1、泥沙研究2015年12月JournalofSedimentResearch第6期文章編號：0468．155X(2015)06．0059-06黏性泥沙流變特性及其臨界起動的研究劉潔，劉潔玉，白玉川(1．天津大學(xué)水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津300072；2．中國電建集團西北勘察設(shè)計研究院有限公司陜西西安710065)摘要：以天津大港淤泥質(zhì)粉沙為研究對象，系統(tǒng)研究了其物理特性和臨界起動性質(zhì)。對密度范圍在1．141—1．470s／em的黏性泥沙進行流變試驗，確定其流變參數(shù)。結(jié)果表明：天津大港黏性泥沙有明顯的屈服應(yīng)力，適合用賓漢塑性體模型描述。且賓漢屈服應(yīng)力和黏度系數(shù)均為泥沙密
2、度的指數(shù)函數(shù)。長水槽中波浪作用下黏性泥沙起動試驗以泥沙少量起動為標(biāo)準(zhǔn)，波浪底部臨界切應(yīng)力隨黏性泥沙密度增大而增大，即不同于非黏性泥沙，黏性泥沙的起動主要與其密度有關(guān)，而非泥沙粒徑。波浪作用下的黏性泥沙起動可以用延伸Shields曲線描述。根據(jù)實驗結(jié)果擬合出臨界起動切應(yīng)力和賓漢屈服應(yīng)力之間的關(guān)系式。關(guān)鍵詞：黏性泥沙；流變特性；賓漢屈服應(yīng)力；起動波高；臨界切應(yīng)力中圖分類號：TV142．1文獻標(biāo)識碼：ADOI：10．16239／j．cnki．0468—155x．2015．06．010為準(zhǔn)確預(yù)測黏性泥沙起動，了解黏性泥沙的物理流變特性十分重要，即確定其流變參數(shù)，如屈服應(yīng)力和黏度參數(shù)。國
3、內(nèi)外的學(xué)者已經(jīng)使用不同的數(shù)學(xué)模型來描述黏性泥沙剪切應(yīng)力與剪切率之間的關(guān)系，常見的包括冪律流模型?、黏彈性模型、黏彈塑性模型及賓漢塑性體模型等。根據(jù)黏性泥沙的物理特性建立的流變模型是預(yù)測和計算表面波浪衰減和底部泥沙輸移的關(guān)鍵。水流作用下的黏性泥沙起動問題的研究已經(jīng)取得很多成果。一些研究以單顆粒泥沙的受力分析為出發(fā)點，考慮顆粒間黏結(jié)力，建立臨界起動切應(yīng)力或者起動流速公式I9J。另外一些研究認(rèn)為黏性泥沙的臨界起動切應(yīng)力主要由泥沙的類型和密實程度所決定，建立了以黏性泥沙密度或者干密度為參數(shù)的起動判別式¨”。此外，還包括將淤泥的臨界起動切應(yīng)力與其賓漢屈服應(yīng)力聯(lián)系起來，建立起動判別式’。波
4、浪作用下泥沙起動問題圍繞計算床面波浪底部剪切力展開，Madsen和Grant15]將Shields曲線推廣到波浪作用下的無黏性泥沙起動中。趙子丹¨將其改進到適合于描述細顆粒泥沙起動的問題中。肖輝和曹祖德取黏性泥沙中值粒徑作為泥沙粒徑，計算出黏性泥沙臨界起動切應(yīng)力、無因次雷諾數(shù)和無因次Shields參數(shù)。Maurizio_l基于力矩平衡，推導(dǎo)出黏性泥沙起動的臨界標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)可作為鑒定單顆粒和絮凝的臨界條件，并且導(dǎo)出適用于傳統(tǒng)Shields曲線的修改式。練繼建考慮波浪與黏性泥沙床面的相互作用，用黏彈塑性模型描述底泥的流變特性，建立了軟泥床面上波浪剪切力的理論模型。本文以天津大港淤泥
5、質(zhì)粉沙為研究對象，配置密度在1．141—1．470g／cm的泥漿，進行行進波浪作用下黏性泥沙的流變試驗和起動試驗，以期對清淤工作提供科學(xué)依據(jù)。1黏性泥沙流變特性試驗所用黏性泥沙來自天津大港天然泥樣，粒度分布如圖1所示。粒度分析結(jié)果表明，試驗黏性泥收稿日期：2014—10—26基金項目：國家自然科學(xué)基金面上項目(40376028)；國家自然科學(xué)基金面上項目(41576093)作者簡介：劉潔(1986一)，女，內(nèi)蒙古包頭人，博士研究生，主要從事河口海岸研究。E—mail：liujie．mars@tju．edu．cn59沙為黏土質(zhì)粉沙，中值粒徑為d，。=0．Ol4mm。其中，粒徑在0
6、．005～0．05mm的粉沙含量為67．42％，粒徑小于0．O05mm的黏土含量為27．3％，所以泥沙表現(xiàn)出較大的黏性。細顆粒黏性泥沙之所以難于起動，主要受泥沙顆粒之間黏結(jié)力、密實程度及其礦物組成影響，粒徑越小，細顆粒黏性泥沙越不容易起動。由于隨著黏性泥沙的密實程度和密度的變化，起動摩阻流速也隨之變化，所以了解泥沙的流變特性是十分必要的。鋈母丑求3·咖】如03O6O9O12Ol5O剪切率／(1／s1圖1試驗?zāi)嗌沉６确植记€圖2黏性泥沙流變曲線Fig．1ParticlesizedistributionofexperimentalsedimentFig．2Rheologicalcu
7、rvesofcohesivesediment試驗黏性泥沙的密度范圍在p=1．141—1．470g／cm’，每組泥沙起動試驗之前，取少量已經(jīng)攪拌好的黏性泥沙樣品，采用奧地利Anton．Paar公司生產(chǎn)的RheolabQC旋轉(zhuǎn)黏度計進行流變試驗，得到剪應(yīng)力隨剪切速率變化的關(guān)系。取其中幾組試驗結(jié)果，繪制剪應(yīng)力與剪切速率關(guān)系曲線(圖2)。由圖2可知，剪切率小于30s時，黏性泥沙的剪切應(yīng)力隨剪切率的增加明顯增加；而在剪切率大于50s后，應(yīng)力變化趨于平緩。此外，黏性泥沙具有明顯的屈服應(yīng)力，而且隨著黏性泥
