粘性非均匀沙的起动与冲刷研究

摘要

在一些强冲积性河流特别是河口区，由于洪水或洪水和潮流共同作用，河床的冲淤变化十分剧烈。研究河床最大冲刷深度，对于工程安全设计具有重要意义，本文通过对钱塘江河床泥沙起动、冲刷机理研究和模型沙水槽试验，对最大冲刷深度进行了预测。
　　 冲刷现象实质上就是泥沙起动后的一系列运动过程，本文基于孙志林所建立的起动摩阻流速公式，进一步推导了适用于粘性非均匀泥沙的垂线平均起动流速公式。比较公式计算值与钱塘江过江隧道段钻孔岩芯样品起动试验值，符合良好，表示该公式能较好地反映粘性非均匀沙的起动现象。
　　 洪水冲刷深度主要取决于冲刷历时和冲刷率，本文根据试验结果确定了前人研究所得出的冲刷率公式中的参数，建立了冲刷率与相对剩余切应力的函数关系。试验表明：对未充分固结的淤泥，冲刷率与相对剩余切应力的二次方成正比；而对固结已久的淤泥，冲刷率与相对剩余切应力呈线性关系。同时，根据冲刷试验结果确定其冲刷常数M，大致位于10—6～10—5 m/s数量级，根据M发生突变的钻孔岩芯深度可以确定极端洪水条件下河床的最大冲刷深度，为河口最大冲刷深度动床数学模型提供了合理的参数。
　　 根据钱塘江河口的流场和泥沙特性，建立了杭州地铁2号线钱塘江过江隧道段动床水槽模型。按照钱塘江河口的典型实测水流、泥沙资料确定试验方案，对隧道断面冲刷现象进行模拟试验。通过对试验数据的定量分析得出冲刷后深度随单宽流量的增大而增大，两者具有良好的相关关系。
　　 根据水槽模型得出的冲刷后深度与单宽流量的相关关系，以1995年7月实测河道插值地形为初始地形，预测了经 p=0.33％的洪水冲刷后的隧道断面最大冲刷深度为17.2m，与其他学者运动数学模型计算出的钱塘江河口最大冲刷深度值基本相符，为地铁过江隧道的埋藏深度的选取提供了科学依据。