泥沙流变学及实用性
泥沙流变学及实用性 1泥沙流变学的主要研究内容 泥沙流变学是研究群体泥沙在外力作用下的流动和变 形规律，以及这些规律在工程及自然中应用的科学。研究对 象以粘性泥沙为主。研究内容主要有泥沙的基本流变特性、 泥沙流变测量法、泥沙流变模型、复杂流动行为及其数值模 拟、以及泥沙流变规律在工程和自然界中的应用等。其中， 泥沙流变模型为流变学的一项关键内容。泥沙流变学面对的 典型流场通常有稳态简单剪切流场和振荡剪切流场。在稳态 简单剪切流场中，研究泥沙的稳态流变特性;在振荡剪切流 场中，研究泥沙的粘弹性流变特性。泥沙的基本流变特性可 用粘度(塑性粘度、表观粘度等)、屈服应力、剪切应力、剪 切速率、触变性、流动系数、稠度系数、剪切变稀等来表示。泥沙的流动变形规律可用泥沙流变模型来表示，即建立其剪 切应力和剪切速率(或剪切应变)等流变参数的数学表达式。
泥沙的粘度表征泥沙变形产生的阻力因子，不是一个常数， 而是剪切速率和剪切历时的一个函数。在大多数场合下，发 现不同浓度的泥沙都变现出剪切变稀的行为，即其粘度随剪 切速率增加而降低，有时候也会出现剪切增稠现象。泥沙的 流变特性还具有时间效应，表现为触变性(Thixotropy)［16］。
在恒定的剪切作用下，泥沙的初始结构逐渐被破坏，支撑泥 沙结构的键(Bond)的作用逐渐减少，与此同时，泥沙结构本 身的自我修复，其键的作用又在逐渐恢复，最终当破坏率和重建率相等时将达到一个动态平衡的状态。一旦撤掉或减弱 这种剪切作用后，其自身结构逐渐获得恢复，相应的粘度又 逐渐恢复上升。屈服应力是泥沙的一个重要流变学特性。只 有在克服了特定的临界应力条件以后，泥沙才开始表现出流 动的行为。屈服应力的研究对于泥沙，特别是粘性泥沙的起 扬和冲刷问题十分重要。高浓度泥沙的屈服往往还伴随着固 态到液态的相态转变。然而，泥沙的触变性增加了其屈服应 力确定的困难性。屈服应力与泥沙相态转变的机理尚待探索。
在诸如波浪、地震等循环荷载作用下，泥沙可能表现出粘弹 性行为，循环载荷的作用可以加速泥沙的流变行为。因此， 泥沙在循环载荷下的动态流变特性是泥沙流变学的一项研 究内容。显然，泥沙的这些流变特性不但与其力学特性有关， 还取决于其微观结构。因此，宏观流变特性与其微观结构两 者之间的关系也是泥沙流变学的重要研究内容。除此之外， 泥沙流变学在工程中的应用也一项重要内容，将泥沙的变形 和流动规律有效地应用到工程实践中，为人类兴利除弊起到 指导作用。
2泥沙流变学的研究方法 泥沙流变学的研究方法有实验研究、理论分析与数值模 拟。
2.1实验研究 2.2理论分析 理论分析是通过实验数据，结合物理特性，以连续介质力学为依托，将其与普适的数学模型相结合，其主要目标是 建立泥沙流变模型，即通过关联剪切应力和应变(率)关系的 数学计算表达式来表示泥沙复杂的流变行为的内在规律。然 后将流变模型(即本构方程)与动量方程、连续性方程联立， 在适当的边界条件和初始条件下求解来预测泥沙在实际中 较复杂的流动行为。流变模型的正确建立将对泥沙或底泥的 起动机理、运动规律等研究提供很大的帮助，特别是对高浓 度泥沙在波浪等外力作用下固态―液态的转变机理的描述 起至关重要的作用。纯粘性的非牛顿流体(即宾汉体、伪塑 性体及膨胀体)和粘弹性体的流变规律需要采用不同类别的 流变模型来描述。对于非牛顿流体，主要的流变模型有宾汉 姆塑性模型、Herschel-Bulkley模型、Casson模型等［18］。
此外，还有反映粘度与剪切速率关系的Cross模型、Carrean 模型、Sisko模型等［7］。对于具有粘弹性的泥沙，可分为 线性粘弹性和非线性粘弹性模型，如Kelvin-Voigt模型和 Maxwell模型。目前应用最广泛的流变模型为 Herschel-Bulk-leymodel［11］。此模型又可称为带屈服应 力的幂律模型或广义的宾汉模型。对于高浓度泥沙所受压缩 载荷引起的变形来说，可以参考压缩流变学理论［19］等。
此外，对于泥沙微观结构与宏观流变特性之间的关系， Toorman曾引入一个结构参数来描述粘性泥沙的触变行为 ［20］。细颗粒泥沙以群体聚集在一起时，颗粒之间存在键 (bond)的作用而形成团粒，键的强度和团粒的数量不但与颗粒的大小、颗粒距离、含水率、颗粒表面的物理化学性质、 温度等因素有关，而且还与其所受的外部荷载有关。泥沙粒 径越小，键的作用越大。当外部荷载的作用超过这些键的强 度时，键将会被破坏，泥沙群体的微观结构发生变化，从而 发生不同程度的流变。微观结构分析也许是获得泥沙流变模 型的一条途径。
2.3数值模拟 数值模拟已经成为流变学研究的一个重要手段。对于非 牛顿流体数值模拟的方法主要有有限元法、有限体积法、有 限差分、谱方法，以及新近发展起来的格子玻尔兹曼法等。
这些数值模拟方法可应用到泥沙流变学中。Hyvaluoma等人 通过格子玻尔兹曼法曾成功模拟剪切流下的粒子悬浮液 ［21］。
3泥沙流变学的应用 泥沙流变学的应用范畴非常广泛，不但涉及自然现象的 揭示，而且关乎工程建设、防灾减灾等需求，其主要应用领 域分别简述如下。
3.1工程泥沙 泥沙的流变现象广泛存在于水利工程中，涉及航道淤积、 冲刷、海堤建设中的加载稳定、围海造地的软基沉降、疏浚 清淤中的管道输送等。广泛存在于淤泥质河口海岸等地区的 浮泥，在波流等载荷作用下，表现为粘塑性、假塑性或粘弹 性体［22］，具有很强的触变性，流动性大，往往影响航道通航水深，造成疏浚困难。此外，浮泥还影响河口海岸的演 变等。风浪流与底床的相互作用决定了水下泥沙垂向剖面四 个层的划分(动态悬浮层、动态浮泥层、静态浮泥层和粘性 底床层)和相应的流变特性。其中，浮泥层的发展对于水体 中悬扬的泥沙和水流的相互作用起着重要的影响，浮泥层是 波浪、水流对粘性底床层作用的结果，粘性底床层为浮泥层 的发展提供了泥沙来源。底床的流变特性反过来也会影响水 流和波浪的能量损耗。因此，研究河口海岸以及湖泊水流和 风浪能量的损耗，就必须考虑风浪和流与底床相互作用。对 于河口海岸、海洋以及大型湖泊中底泥冲刷、浮泥产生与运 动、水底薄层流等问题，剪切变稀效应是应该考虑的一个重 要因素，在风浪流等载荷长期作用下底床发生剪切变稀行为， 使得起泥沙流变得容易，底床也易被冲刷。我国海堤建设中 有时采用袋装沙构筑堤心，施工过程中坝体不断发生流变。
工程经验表明，海堤的稳定性不但受荷载大小的影响，而且 受加载速度的影响，加载过快也会造成海堤失稳。因此，合 理的加载速度是施工关心的重要问题。但由于目前缺乏基于 流变特性的相关研究，施工全靠工程经验。我国东南沿海广 泛分布着海相沉积软粘土，结构物的沉降和变形破坏问题常 见于围海造地、堤坝、桥梁、公路、铁路等工程中。复杂的 软粘土流变性和结构性给地基基础工程设计与施工带来困 难。例如，工后沉降量的准确预测是吹填工程设计中的难项， 其主要原因是，组成软基的土壤具有蠕变性和应力松弛等特征，其流变特性随时间而改变。因此，深入研究软基土的流 变特征，有助于指导堤坝等施工，有益于发展软弱地基的处 理技术，和提高地基沉降预测的可靠性。
3.2水环境工程 泥沙运动直接影响水环境的物理、化学和生物过程，水 体中的重金属、有毒物质、营养盐、微生物吸附在泥沙颗粒 的表面，随其悬扬和推移而迁移扩散，同时又可能释放出来 造成水体污染［2］。不同流变特性的泥沙，吸附能力不同， 表面吸附后的泥沙流变特性亦会发生改变，释放能力也会不 同。很显然，如果风浪流的作用越强、时间越长，底泥发生 流动和变形的深度和程度越高，无疑，内部的污染物扩散能 力会加强。因此，在风浪流的作用下底泥发生的流变使得水 体和底泥的污染物、营养盐的交换加强，其定量的描述离不 开泥沙流变规律。
3.3水生态工程 在河流、湖泊等湿地环境的所有固体表面都有生物膜形 成，泥沙生物膜的生长过程影响泥沙输运的过程和发展。方 红卫等人的实验结果表明粘性泥沙的流变特性随着生物膜 的增长过程逐渐改变［23］。同样地，泥沙的流变特性会影 响生物膜的生长，从而影响藻类和其他水生植物的生长与繁 殖。水底表层泥沙的流变特性也会直接影响水生动物与水生 植物的生长与繁殖。例如，红树林果实成熟后落入水体中必 须插入一定深度的泥里才能发芽生长，否则就会被水流带走，但入泥太深也影响其发芽生长。果实下落入土的剪切力和底 泥的特性决定了其入泥的深度。鱼类的产卵与繁殖无疑也与 底床的流变特性息息相关，水底泥沙的流变特性还决定洞栖 等鱼类的行为。
3.4泥沙运动模拟 细颗粒泥沙流变的复杂性带来了很多泥沙问题研究的 不确定性。长期在风浪流的作用下，底床泥沙的起动、悬扬 和推移运动等取决于剪切变稀或增稠的情况，物理模型实验 中的底床应该如何铺设目前缺乏深入研究。铺设原样底泥肯 定有些问题，模型沙如何与原样底泥保持相似的流变特性， 床沙的模型率如何确定等一些关键问题有待进入探讨。同样 地，数学模型中的底床模型如何反映其流变特性，目前缺乏 深入考虑。模型的模拟精度受制于这个瓶颈问题。
3.5地质灾害的防治 地质灾害中很多与泥沙流变直接关联，如地震、滑坡、 泥石流等。较强的地震使土体内部结构产生变形和流动，甚 至表现为土壤液化或流化。泥石流的产生、运动和消亡过程 中时刻都在发生流变。国内外学者从流变学的角度提出了宾 汉体模型、膨胀体模型、粘塑体模型、颗粒流模型、两相流 模型等［24］，在此基础上，倪晋仁和王光谦教授又提出了 泥石流结构两相流模型的概念与基本理论，为精确的确定流 变参数提供可能［25］。然而，由于过去的流变测量手段的 限制，对泥沙流变的剪切变稀效应和触变性未能够充分反映出来。
3.6流变特性的人工干预 4结论