Page 75 - 水利学报2021年第52卷第3期

用符号 G1、G2、G3 代表砂土（d =1.5 mm）-粉质黏土混合物、砾石（d =5.5 mm）-粉质黏土混合
s
s
物、砾石（d =7mm）-粉质黏土混合物。三种混合土体各进行 5 组试验，为获取较为精确的临界黏性颗
s
粒含量范围，每种混合土体 5 组试样中粉质黏土含量的取值根据试验现象采用二分法确定，具体试验
方案如表 1 所示。
2.2 试验设备与步骤 采用冲刷函数测定仪 （图 2）开展混合土体冲刷特性试验。冲刷函数测定仪
［15］
可以进行粒径小于 10 mm 土体的冲刷特性试验 ［16］ ，试验流速范围为 0.1 ~ 6 m/s。

图 1 粉质黏土粒径级配曲线 图 2 冲刷函数测定仪
试验步骤如下 ［17］ ：（1）将装有土样的 Shelby 试样筒固定在顶土活塞槽内，通过顶土活塞将土样顶
出试样筒并刮平土样表面；（2）转动摇杆使试样筒顶部与矩形试验管道底部齐平；（3）设置流速，通
常初始流速值为 0.2 m/s；（4）开始试验，记录时间和数据，试验过程中观察土样冲刷情况并保持土样
表面与管道底齐平，当土样表面出现明显的凹凸不平时，停止试验并刮平土样，然后继续试验，直
到冲刷时间超过 60 min 或者 50 mm 的土样被冲刷；（5）重复步骤（3）、（4），测试 4 ~ 8 个水流速下的冲
刷速率，并得到冲刷速率-水流速和冲刷速率-水流切应力曲线。
水流切应力计算公式如下：
τ = 1 fρ u 2 （1）
8 w
式中： τ 为床面水流切应力；ρ 为水的密度；f 为摩阻系数；u 为断面平均流速。
w
摩阻系数 f 是雷诺数 Re 与相对粗糙度 k /D 的函数，可根据 Moody 图确定 ［15］ ，本文中水力直径 D=
s
68 mm，粗糙度平均值 k 取 0.5 d 50 ［15］ ，d 为混合土体的中值粒径。
s
50
3 试验结果

3.1 冲刷速率 混合土体 G1、G2、G3 的冲刷速率曲线如图 3 所示。从图中可以看出，对于某种混合
土体，在一定的水流切应力作用下，冲刷速率 E 随粉质黏土含量 p 的增加而减小，混合土体的冲刷
sc
速率与粉质黏土含量密切相关。Mitchener 等 ［12］ 和 Smith 等 ［18］ 研究发现，黏性颗粒含量小于 50%的情况

下，随黏性颗粒含量的增大，砂土-黏性土混合物的抗冲蚀特性明显增强，冲刷速率显著降低。p =
sc
25%时 G1 的冲刷速率明显小于 p =22.5%时的冲刷速率，p =30%时 G2 的冲刷速率明显减小，p =35%
sc
sc
sc
时 G3 的冲刷速率明显减小。由此可以得到，混合土体中粗粒土粒径越大，混合土体冲刷速率显著降
低时的黏性颗粒含量越大。
3.2 起动切应力 在水流作用下土体颗粒由静止状态转变为运动状态时所对应的水流切应力为起动
切应力。学者们根据不同的冲刷试验给出了定量求解起动切应力的方法。McNeil 等 ［19］ 采用深水水槽
冲刷装置（Sedflume）对重塑土和非扰动原位土进行了冲刷特性研究，根据试验结果给出了起动切应力
的定量化定义，即冲刷速率为 10 ～10 cm/s 对应的水流切应力。时连强等 ［20］ 参照呼和敖德教授对连
-4
-3
-3
云港和长江口处泥沙进行的冲刷试验结果，以冲刷速率范围为 0.4×10 ～0.8×10 cm/s 对应的切应力
-3
-4
定义起动切应力。Smith等 ［18］ 采用封闭有压管道对泥沙混合物进行了冲刷试验，定义冲刷速率为 10 cm/s
对应的水流切应力为起动切应力。起动切应力是土体在不发生冲刷破坏情况下所能承受的最大水流
— 325 —