第二节 黏性泥沙淤积固结机理

黏性泥沙淤积到河床后，将逐渐固结压密，水分逐渐排出，并且这种淤积固结作用可延续很长时间，所以黏性泥沙的淤积固结特性会随淤积历时而变化。相应地，黏性泥沙淤积固结后具有的密度、黏结力、抗剪强度也将不同，它们抵抗水流冲刷的能力也将大不一样。

首先由于絮凝作用，黏性泥沙在淤积固结过程中将形成不同的团聚结构。开始细颗粒泥沙在沉积到底部时形成的淤积物是一个高度蜂窝状的结构，孔隙比很大，含水量很高，密度很低，如图1-2（a）所示，这样的淤积物具有很低的抗剪强度或黏结力。在自重或其他外力作用下，最脆弱的集合体与集合体之间的联结将首先破裂或变形，网状结构逐渐消失，淤积物成为以絮团集合体为基本单元的较为密实的平衡状态，这样的淤积物具有一定的密度和黏结力，如图1-2（b）所示。进一步固结时，絮团之间的联结将破坏，絮团集合体的形式不复存在，许多絮团重叠排列成层，但絮团之间还有孔隙，如图1-2（c）所示。如淤积物再进一步固结，使絮团间孔隙消失，整个淤积物的密度等于絮团的密度，淤积物成为颗粒密集排列的均匀结构，淤积物具有很高的密度和黏结力，如图1-2（d）所示。

另外，黏性泥沙在床面上淤积以后，具有初期干密度，或相应的初始孔隙比ε₀，初期含水量高，淤积物孔隙都被水所充满，所以从土力学的角度来看，黏性泥沙的淤积固结过程又属于饱和土的固结压密过程。土力学［5-7］指出，土的压缩性主要有两个特点：一是土的压缩固结主要是由于孔隙体积减小而引起的，对于非饱和土，土是有固、液、气三相组成，而对于饱和土，土是由固液两相组成的，在工程上一般的压力（100～600kPa）作用下，固体颗粒和水本身的压缩量非常微小，可不予考虑，所以在饱和土中水在压力作用下会沿着土中孔隙排出，从而引起土体体积减小而发生压缩；二是由于孔隙水的排出而引起土的压缩，对于饱和黏性土来说是需要时间的，这是由于黏性土的透水性很差，土中水沿着孔隙排出速度很慢。

当黏性泥沙淤积固结压密时，由于在横断面中既有孔隙水占的面积，也有土骨架粒间接触面积，因此应力分为两部分：一部分作用在孔隙水上，称为孔隙水压力；另一部分作用在淤积物土骨架粒间上，称为有效应力。前者的作用是排出孔隙水，后者压缩土骨架。孔隙水将向上排出时流动状态属于层流，服从达西定律。另外，土骨架所受压力σ′与变形之间的关系为最简单的线性压缩关系。忽略粒间接触面积占所研究平面的面积之比后，孔隙水压力P和土骨架应力之间满足：

这就是土力学里面著名的有效应力原理。它表明当总压力σ保持不变时，孔隙水压力P与有效应力σ′可以相互转化；随着时间的增长，P减小，σ′增加。

考虑淤积物稳定向上渗流，绘制饱和土受力示意图，如图1-3所示。

韩其为对淤积物淤积固结过程和作用的受力分析进行了推导［8］。如在截面0—0上，孔隙水压力为：

总压力为：

式中：γ为水的容重；γ_m为淤积物的饱和容重。

将式（1-2）、式（1-3）代入式（1-1）得土骨架有效应力：

此处：

Δ=γ_m-γ

为淤积物的浮容重，而：

为超静孔隙水压力。由式（1-2）看出，当孔隙水静止，P=P₀=γ（h₁+h₂），可见只有超静水压力才使孔隙水发生渗透。

所以淤积物的淤积固结过程和作用可以归纳为以下几点：①淤积物密实过程就是土骨架的压缩与孔隙水流出的过程；②孔隙水的渗透仅决定于超静水压力u，与淤积物顶面以上水深无关；③压实土骨架的有效应力，为所考虑断面以上的单位面积淤积物浮重Δh₂和超静水压力之差，同样不受淤积物顶面以上水深的影响；④从超静水压力与有效应力之和为单位面积淤积物的浮重看出，在淤积物刚下沉时，可能σ′=0，此时u=Δh₂，至最后，u=0，σ′=Δh₂，即全部浮重为土骨架承受，压密也就终止。

再分析固结过程中土体内聚力的变化过程，在固结过程中，黏性泥沙内的水在不断地往外排出，图1-3反映颗粒间的联结也慢慢受削弱或破坏，颗粒相互之间也越来越紧簇，导致干密度也越来越大，按照现有研究成果，土体内聚力C与土体含水量与黏性颗粒含量的比值m及干密度γ′满足如下关系式：

即在固结过程中，对于已淤积好的泥沙，黏性颗粒含量一定，随着含水量的减少，m越来越小，γ′越来越大（含水量的减少也导致γ′增大），故C越来越大，也就是说随着固结过程的延长，淤积物越来越难冲刷。

此外，从胶体化学角度看^［9^，10^］，黏性细颗粒泥沙在水中形成的浑浊液是一种不稳定体系，它不断减少其颗粒表面自由能，从而达到稳定状态的趋向。减少表面自由能的主要方式是不断地聚集小颗粒成为大“颗粒”，乃至形成团块。固液两相体系中的固相微粒以聚集方式缩小其表面积，从而减小其表面自由能是自然界中相当普遍的现象。从黏性细颗粒浑水到各种有机物和无机物的胶体溶液，甚至到微小的水滴也是如此。例如，雾滴常常凝结成较大的水珠，就是为了减少其表面自由能。

而使浑浊液发生聚集或絮凝的微观动力是颗粒间范德华力形成的吸引势能，布朗热运动能和重力能。当黏性细颗粒粒径小到10^-2～10^-3mm数量级时，吸引势能对颗粒动力特性的影响比后两者高出2～3个数量级［11］。此外，阻碍聚集作用的是颗粒间双电层重叠引起的斥力势能。但是一般斥力势能仅当颗粒距离非常小时才构成阻碍聚集的势垒。同时从絮凝沉降到淤积物密实的过程，也是泥沙颗粒相对位置由高到低的过程，因而也是体系的重力势能和整体表面自由能分别趋于最小的过程。

所以宏观上黏性泥沙的淤积固结过程和作用就是使淤积物骨架压密和孔隙水流出，最终使淤积物形成一定的稳定结构，在这个过程中淤积物体积缩小，同时含沙量增加；微观上黏性泥沙的淤积固结过程和作用又是淤积物体系中物理化学作用过程。实际中黏性泥沙的淤积固结过程和作用是相当复杂的，首先淤积物形成的结构通常不是单一的结构，而是呈多种类型的综合结构，这些结构形式又受泥沙颗粒的级配和矿物组成、水环境条件等诸多因素的影响。故目前合理考虑黏性泥沙的淤积固结过程和作用还存在下述困难：缺乏淤积物一定结构和淤积物团粒间相互作用的力学关系的研究；一些影响因素还很难进行定量表达，在变化环境下更难确定物理化学作用的影响尺度和范围。

而通常认为黏性淤积物容重是黏性泥沙从絮凝、沉降到压密整个淤积固结过程的终极结果，能够综合反映淤积物淤积固结过程和作用的综合指标。因此在很多研究中根据淤积固结后淤积物容重的不同，将黏性泥沙淤积物分为浮泥（ρ_s<1.2t/m³）、淤泥（ρ_s<1.6t/m³）及固结黏土（ρ_s>1.6t/m³），以此来研究黏性泥沙淤积固结后在其运动规律上的不同［12］。