扰动淤泥与沉积淤泥的流变特性研究(1)程力学(2)

2 实验测量

在天津大学海岸工程实验室内的波浪水槽内进行了波浪在搅匀和沉积泥床上的波浪传播实验.实验中的搅匀泥床指的是根据实验所需的淤泥密度，向初始密度比较大的淤泥中配置不同的自来水，进行充分搅拌形成的从泥床表面到泥床底部密度均匀的淤泥床；沉积泥床是把淤泥和水进行充分搅拌，形成密度在1120kg/m2左右的均匀泥水混合液，经过自然沉积不同天数而形成的泥床，本次试验中沉积泥床最少沉积天数为4天，最大沉积天数达53天.实验用泥取自天津新港，关于实验用泥的处理、实验布置及测量方法详见文献[8].根据水槽内波高传感器的实验结果可以得到波浪在泥床上传播时的波长和波高指数衰减率，由此便可以求得实测复波数ke，从而反求淤泥粘弹性参数.表1列出了搅匀与沉积泥床上的实验条件.

表1 搅匀与沉积泥床实验条件

3 搅匀和沉积淤泥流变特性的比较

无论搅匀泥床还是自然沉积泥床，当淤泥密度较大时，波浪在床面上的衰减都很小，通过反分析方法难以合理确定淤泥粘弹性参数，所以对于搅匀和自然沉积淤泥，我们分别采用泥密度在1401kg/m3和1336kg/m3以下的数据来反求淤泥粘弹性参数.图1和图2分别显示了把淤泥作为线性粘弹性体时，根据波浪在泥床上传播的实验结果反求出的搅匀泥床和自然沉积泥床的弹性模量和粘性系数，由此可以近似拟合出搅匀淤泥、自然沉积淤泥的粘弹性参数与密度的关系如下

式中：下标m、d表示搅匀淤泥和自然沉积淤泥，拟合曲线分别见图1、2中的实线和虚线.

图1 搅匀与自然沉积淤泥的弹性模量

图2 搅匀与自然沉积淤泥的粘性系数

根据反求出的不同密度时的粘弹性参数和拟合公式可知，相同平均密度条件下，自然沉积泥床的弹性系数一般比搅匀泥床的弹性系数大4倍以上.由于弹性系数增大，在波浪条件相近时，与搅匀泥床密度接近的自然沉积泥床的运动强度一般比较小，这与水槽实验观测到的现象是吻合的.沉积淤泥与搅匀淤泥相比弹性系数的增大，表明淤泥内在结构的增强，搅匀淤泥结构受到破坏而弹性模量降低，沉积淤泥经过较长时间的压缩变形，淤泥内部结构紧密，因此弹性较大.由图2可知，对于搅匀泥床，其粘性系数随泥密度增大而增大；而对于自然沉积泥床，其粘性系数随泥密度的增大而减小.搅匀淤泥由于结构受到破坏，波浪作用下呈现出较强的运动，密度愈大其内部摩擦愈大，因此呈现粘性系数随密度增大而增大的现象.沉积淤泥粘性系数随淤泥密度增大而减小，表明在波浪作用下泥床内部结构随淤泥密度的增大而愈来愈不易受到破坏，因此愈来愈趋近于完全弹性体.

根据大量水槽实验结果，搅匀泥床与自然沉积泥床上的波浪传播特性有明显区别，如对于新港淤泥，搅匀泥床在泥密度为1.34g/cm3左右时波浪衰减率最高；而对于自然沉积泥床，平均泥密度为1.24g/cm3左右时波浪衰减率最高.本文的计算结果说明，上述现象可以通过淤泥流变参数的差异来解释.

根据我们以往利用rms-605流变仪对天津新港搅匀淤泥的测量结果和已建立的淤泥非线性流变模型[8]，选取线性粘弹性模型描述淤泥时，淤泥弹性模量应在1.69×10-12exp(0.0227ρm)与6×10-14exp(0.0242ρm)之间，本次利用反分析方法得到的弹性模量与之是一致的.另外，本次利用反分析方法得到的搅匀淤泥的粘性系数与实际测量时剪切率在o(1)左右的粘性系数也是一致的.这说明线性模型及其由反分析方法得到的流变参数总体上反映了淤泥的流变特性.但需要指出的是，由于淤泥实际具有的非线性特性，反求出的淤泥粘弹性参数只能代表实验条件下的平均淤泥特性，反映在对波浪传播特性的描述上，也只具有平均性质，图3和图4显示的搅匀淤泥和自然沉积淤泥床上波浪衰减率实测值与计算值的比较情况说明了这一点.图3、图4的计算是根据反分析方法得到的流变参数进行的，图中实验数据显示同一周期不同波高具有不同的波浪衰减率，这是由于淤泥流变关系的非线性所引起的.线性粘弹性体模型虽然整体上描述了波浪衰减的趋势，但并不能反映波高不同引起衰减率不同的非线性特性.如何利用反分析方法进一步确定淤泥的非线性流变特征还有待进一步研究.

图3 波浪衰减率实验与计算值的比较(搅匀淤泥床)

图4 波浪衰减率实验与计算值的比较(自然沉积淤泥床)

4 结语

本文把淤泥作为线性粘弹性体，根据波浪在泥床上传播的实验数据构造了极值优化问题，并采用遗传算法反求了淤泥的流变参数.比较搅匀淤泥与自然沉积淤泥的流变参数可以发现，二者随泥密度的变化规律明显不同.在处理海岸带波浪与淤泥质底床的相互作用问题时，需要注意淤泥沉积状态不同造成的淤泥流变特性乃至运动规律的改变.根据实验室内自然沉积泥床与搅匀泥床上波浪传播规律的不同可以推知，由实验室得到的描述波浪在扰动泥床上传播的经验公式推广到现场时很可能是不成立的.进一步而言，由沉积状态不同所造成的淤泥特性的改变，不仅表现在对波浪与泥床相互作用的影响上，在考虑河口海岸淤泥的起动、冲刷、底泥输移等问题时，同样应引起足够的重视.

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