金塘大桥桥墩附近的海床冲刷

东起舟山市金塘岛的沥港镇,跨越灰鳖洋,西至宁波市镇海区新泓口的金塘大桥,为舟山大陆连岛工程的主体.大桥全长为18.5 km,海面桥墩近350个,桥墩附近海床冲刷深度主要包括因风浪和潮流引起的自然冲刷、因建桥使过水断面缩窄而产生的一般冲刷和桥墩阻水形成的马蹄形漩流引起的局部冲刷.河流上桥墩局部冲刷已进行过大量研究,建立了可供设计使用的桥墩冲刷计算公式,而金塘大桥位于灰鳖洋海域,作用水流为极其复杂的往复流,使海床局部冲刷深度难以利用现有公式进行计算,因此采用海域实测地形资料分析了桥轴线附近的海床自然冲刷,利用水槽正态模型试验模拟研究了桥墩附近的一般冲刷和局部冲刷.实测资料表明,该海域潮流流速大小与潮差有较好的相关关系,潮差越大,潮流流速也越大,而桥墩的局部冲刷深度也随流速的增大而增大,因此,选取潮差频率为300年一遇和10年一遇的特大潮分别作为运行期和施工期的潮流边界.桥位所处的海床较为稳定,故以最新的实测地形各桥墩处高程作为冲刷试验起始高程.试验初期桥墩附近海床快速下切形成冲刷坑,随后冲刷值迅速减小,海床渐趋稳定.研究表明,该大桥所处海域总体上趋于动态平衡状态,桥轴线东段微冲、西段微淤.运行期金塘大桥附近的海床自然冲刷,一般均在1.1 m以内,仅在主槽附近较大,约5 m左右.试验表明,潮流作用下桥墩附近的一般冲刷和局部冲刷均明显大于自然冲刷幅度,主墩最大局部冲刷幅度为14.4 m,引桥桥墩最大局部冲刷幅度为7.8～10.3 m;据此可得到桥墩附近海床的总体冲刷幅度和设计高程,不仅为工程建设、运行的安全性及经济性提供了坚实的技术支撑,而且可供其它海域建桥后桥墩附近海床的冲刷研究提供参考.     

舟山册子岛-镇海海底管道附近海床冲淤数值模拟研究

舟山册子岛-镇海段海底原油管道连续多年监测数据显示,局部海床冲刷较为严重,管道多处裸露、悬空,对工程安全构成威胁。基于Delft3D建立杭州湾口二维水流泥沙数学模型,并利用实测潮位、流速、流向及悬沙质量浓度资料对模型进行率定与验证,进而模拟分析近年来人为开发活动对海底管道附近海床冲淤变化的影响。分析结果表明,新泓口围垦工程和金塘大桥工程对管线镇海登陆段海床冲刷影响较大,金塘大桥桥墩阻水作用加剧了管线深槽边坡西半段海床的冲刷,另外管线深潭延伸东半段的海床冲刷与金塘大桥主通航孔密切相关。     

胶州湾大桥建设前后湾内泥沙冲淤数值模拟

本研究通过对胶州湾大桥建成前后湾内泥沙冲淤情况进行模拟。探讨了典型时刻胶州湾大桥附近海域的海流流速和流向情况。对比胶州湾大桥建成前湾内的流场模拟结果可知,胶州湾大桥的建设对胶州湾内整体的海流流态影响较小。胶州湾大桥的建设对胶州湾水动力的改变主要在桥墩建设附近海域。通过大桥建设前后冲淤数值模拟结果可知,工程前后工程附近冲淤趋势基本一致,只是在大桥桥墩附近出现冲淤变化较大的情况,表现为在桥墩的南北两侧出现较大桥建设前淤积加强区,在桥墩的东西两侧出现冲刷加强区,在通航孔桥墩跨度较大的海域,冲刷强度增大比较明显。     

杭州湾跨海大桥对钱塘江河口水流的影响

通过河工模型试验,研究建设在潮汐河口的特大型桥梁——杭州湾跨海大桥对水环境产生的影响。杭州湾跨海大桥河工模型上边界选在老盐仓,下边界定在金山,平面比尺为1000,铅直比尺为100,模拟总水域面积约2200km2;模型运用2000年9月杭州湾实测水下地形及大范围同步水文测验资料进行了验证,其精度较高。在此基础上,结合实测资料分析,运用定床模型试验对杭州湾跨海大桥建成后附近水域流态的变化及对钱塘江涌潮、上游行洪等的影响进行了分析和预测。建桥前后潮位、流速流向、潮流量以及涌潮高度等试验数据的变化表明,杭州湾跨海大桥建成后对钱塘江河口水流的影响主要在桥位近区,对涌潮、上游行洪基本没有影响。     

New formula of local scour depth of the near-shore sand waves covcred areas: Sutong Bridge

利用多波束水深仪、浅地层剖面仪和多普勒流速仪对长江口苏通大桥南、北主墩区域现场测量,结果显示主墩周围最大冲刷深度为8.3m和19.6m.建墩前后河床形态变化显著,建墩后桥墩所在床面由平床改变为典型不对称沙波发育,平均波长为30.8m和23.1m,平均波高为4.2m和9.4m,陡坡朝向下游.基于实测水文条件和地形资料,以沙波起动流速和落急最大流速分别取代单向流作用下“平床”假定的桥墩局部冲刷计算公式中单颗粒泥沙的起动流速和墩前流速,获得河口涨落潮双向流作用下沙波底床桥墩局部冲刷计算公式.且该公式计算的苏通大桥南、北主墩局部冲刷深度为9.5m和22.1m,非常接近实测值.     

长江口沙波分布区桥墩局部冲刷深度计算公式的改进

利用多波束水深仪、浅地层剖面仪和多普勒流速仪对长江口苏通大桥南、北主墩区域现场测量,结果显示主墩周围最大冲刷深度为8.3 m和19.6 m。建墩前后河床形态变化显著,建墩后桥墩所在床面由平床改变为典型不对称沙波发育,平均波长为30.8 m和23.1 m,平均波高为4.2 m和9.4 m,陡坡朝向下游。基于实测水文条件和地形资料,以沙波起动流速和落急最大流速分别取代单向流作用下"平床"假定的桥墩局部冲刷计算公式中单颗粒泥沙的起动流速和墩前流速,获得河口涨落潮双向流作用下沙波底床桥墩局部冲刷计算公式。且该公式计算的苏通大桥南、北主墩局部冲刷深度为9.5 m和22.1 m,非常接近实测值。     

黄茅海内治导线对潮汐要素影响的试验研究

通过物理模型试验 ,研究了黄茅海内不同治导线对潮汐要素的影响 ,得出治导线对河口湾内的潮位变化随着上游径流量的增加而逐渐减弱的结论。中水大潮时 ,湾顶与湾腰处高潮位降低 ,低潮位抬高 ,其幅度与治导线进占的海域面积成正比。洪水大潮时 ,高潮位一般也降低。低潮位则有时降低 ,有时有所抬高。河口湾治导线实施后 ,涨潮最大流速、平均流速和落潮平均流速均有所减小 ,但落潮最大流速不减反增。涨、落潮潮量有不同程度的减少 ,其减幅与治导线的进占规模成正比。各站的高、低潮位发生时间都有前移趋势 ,治导线越往外推 ,潮时前移量就越大。本文对这些现象的成因进行了分析 ,并就潮位、潮流速及潮流量的变化对防洪水位和交通航运水深的影响作了阐述。     

大连新港附近海域的水动力环境特征分析研究

为了解近年大连新港附近海域的水动力环境特征,基于大连新港附近海域一个潮位观测站和3个海流观测站的同步连续潮位和海流实测数据,分别采用潮汐调和分析与海流矢量分析的方法,获得常江咀验潮站13个主要分潮的调和常数,并详细分析研究了该海域的潮汐和海流特征。研究结果表明:该海域平均潮位为0. 68 m,最高潮位为2. 91 m,最低潮位为-1. 1 m,平均潮差为2. 73 m,最大潮差为3. 71 m,平均涨潮历时6 h 6 min,平均落潮历时6 h 18 min;潮汐性质为规则半日潮,最大可能潮差为5. 2 m;海流具有明显的往复流特征,垂向流速有逐渐减小的趋势,观测站位一般呈现表层最大、中层次之、底层最小的特点。对该海域的水动力环境特征的研究能够为该海域的水体环境保护及海洋灾害预警与防治提供基础数据,为政府部门制定相关的海洋防灾减灾决策提供技术支撑。     

胶州湾跨海大桥对海湾水体交换的影响

跨海大桥的建设有利于环湾经济的发展,但桥墩入水不可避免地会对海湾内水动力和水交换造成一定的影响。本文以胶州湾为例,利用无结构网格有限体积海洋模型,建立了能够描绘胶州湾跨海大桥入海桥墩的高精度网格,构造了胶州湾及邻近海域的三维水动力模型,模拟了胶州湾建桥前后的潮(余)流结构。在此基础上,通过污染物示踪对比了胶州湾内污染物在建桥前后的对流扩散过程。模拟结果表明,大桥的建设对胶州湾南部大部分区域的影响较小,包括潮(余)流、水交换等方面;但对大桥北侧以及南侧靠近大桥一定范围内的区域有显著影响。大桥北侧潮致余流整体减小约2cm/s,靠近桥南侧的余流则由向北转为沿桥向东流动。由于大桥的影响,污染物在大桥北侧堆积,重点集中于桥北的红岛以西(Ⅰ区)沿岸区域以及红岛以东(Ⅱ区)大部分区域。其中,Ⅰ区建桥后的半交换时间增加了2.00d,Ⅱ区增加了2.04d。在减缓污染物扩散速率的同时,大桥也同样阻碍了径流输出的淡水向胶州湾南部的输运,使得桥北水体的盐度降低,有可能是造成近年来胶州湾冬季冰情加剧的原因之一。     

温州大门跨海大桥及大、小门岛填海工程实施后流场及冲淤变化的数值研究

于2006年9—10月、2007年4—5月和2007年8—9月对拟建的温州大门跨海大桥及大、小门岛填海工程区的邻近水域进行了3次水文全潮观测,以此实测数据为基础,建立了该区域的水动力数学模型,采用泥沙冲淤变化的半经验半理论公式,对温州大门跨海大桥及大、小门岛填海工程实施后整个工程区水域的大面泥沙冲淤进行了研究,并估算了冲淤幅度。以拟建的温州大门跨海大桥为例进行了分析,水动力数学模型采用DELFT 3D模型和浅水动力N-S方程计算,并应用正交曲线坐标离散技术ADI法求解;采用"改变海底摩擦系数"和"减小过水断面"的方法模拟辅助桥墩的阻水作用,采用"干点"模拟主桥墩的阻水作用。研究结果表明:拟建的温州大门跨海大桥建成后,在全潮时段,该大桥桥位附近的潮位变化范围应为3.0~5.0 cm;该大桥及大、小门岛围堤工程实施5~6 a后,冲淤可达到新的平衡状况,其中,大桥西段浅滩冲淤基本没有受到影响,大桥东段冲刷2.0~3.5 m,大桥主桥孔位置冲刷1.5~2.7 m;该大桥主桥墩上、下游将形成狭长的淤积带。     

东海北部1个潜标连续观测站的潮流垂向特征分析

采用调和分析方法对东海北部海区1个坐底式潜标连续观测的近两个半月的海流数据进行分析,研究了该站点的潮流空间结构特征以及余流信息。调和分析结果表明,该点以半日潮流为主,潮流类型在40 m以上属不规则半日潮流,40 m以下则属规则半日潮流;该海区的潮流以顺时针旋转为主,潮流量值占海流的比率随深度递增,潮流椭圆要素存在明显的垂向变化。本文研究有助于了解该站点潮流的垂直变化特点,并为潮流数值模拟提供校验依据。     

广西近海潮汐和海流的观测分析与数值研究——Ⅰ.观测与分析

1992 - 1 996年 ,对广西近海水深浅于 2 0 m的整个海域 ,利用 2 8个锚碇浮标和 2 3个周日连续观测站 ,对水位和海流进行了观测。根据观测结果 ,对该海域的潮汐性质 ,潮流特征和余流分布进行了分析 ,并对潮汐与潮流性质差异的动因和影响余流变化的主要因子进行初步探讨。结果表明 :广西近海的潮汐性质属于正规日潮。潮流性质大部分属于不正规半日潮或不正规日潮。余流主要由潮余流和风海流组成。潮流大小潮变化和风的变化是导致余流变化的主要原因。潮流绕海角运动 ,流速增强 ,并能诱导经向离岸流     

南麂岛附近海域潮汐和潮流的特征

以2008年冬季在浙江近海南麂岛附近投放的4个底锚系观测的水位和流速资料为依据,分析了潮汐和潮流特征。水位谱分析结果显示半日分潮最显著,全日分潮其次;近岸的浅水分潮比离岸大。水位调和分析结果表明:潮汐类型均为正规半日潮,近岸处的平均潮差大于3m,最大可能潮差大于6m,潮汐呈现出显著的低潮日不等和回归潮特征。流速谱分析结果显示半日分潮流最强,全日分潮流其次,且比半日分潮流小得多;近岸浅水分潮流比远离岸显著。流速调和分析结果表明:潮流类型均为正规半日潮流,靠近岸的两个站浅水分潮流较显著;最显著的半日分潮流是M2分潮流,其最大流速介于0.32～0.48m/s之间,全日分潮流均很弱,最大流速小于0.06m/s。M2分潮流均为逆时针旋转,椭圆率越靠近海底越大;最大分潮流流速分布为中上层最大、表层略小、底层最小;最大分潮流流速方向的垂向变化很小,底层比表层略为偏左;最大分潮流流速到达时间随深度的加深而提前,底层比中上层约提前30min。潮流椭圆的垂向分布显示这里的半日分潮流以正压潮流为主;日分潮流则表现出很强的斜压性。     

金塘岛北部海域地形变化对水动力环境的影响

浙江舟山金塘岛北部围填海工程使其周边海域的地形产生了较大的变化。本文利用数值模拟方法研究了该围填海工程引起的地形变化对金塘岛周边海域的潮流、余流以及泥沙冲淤的影响。研究结果表明：地形变化对沥港水道影响较大,水道北部入口位置向北移,入口处流速明显增大,涨急流速由0.50 m/s增强为0.92 m/s,增强了84%,落急流速由0.30 m/s增强为0.53 m/s,增强了77%,余流流速由0.05 m/s增强为0.12 m/s,增强了140%;沥港水道中部转角处落急流速减弱;围填海工程新生成的岬角处流速变化也较大,2个岬角凹处形成旋转流场,涨急流速由0.46 m/s减弱至0.14 m/s,减弱了70%,落急流速由0.61 m/s减弱至0.17 m/s,减弱了72%,余流流速由0.55 m/s减弱至0.04 m/s,减弱了93%。金塘岛北部海域泥沙淤积分布与余流变化大小分布一致,表明两者密切相关且均受地形变化影响显著。     

Tidal observations on the West Coast,South Island,New Zealand

Harmonic tidal constants, calculated from sea surface elevation observations at Jackson Bay on the West Coast of the South Island, are consistent with available semi‐diurnal and diurnal tidal phase distributions. Current observations taken over a 111 day period at mid‐depth in 1505 m of water on the southern flank of the Challenger Plateau and over a 240 day period in 1430 m of water on the South Island western coast continental slope, are subject to tidal analysis. At both sites there is a component of energy flux directed across the isobaths and only at the northern site for the M2 tide is the phase consistent with a dominant progressive barotropic tide. The successive 30 day harmonic constants at the southern continental slope site exhibit a trend in the M2 tidal ellipse speed and ellipticity suggesting the presence of a regular internal tide. Superposition of ‘internal tidal’ and barotropic tidal flows, as prescribed from progressive‐ and standing‐wave elevations, to fit the observations indicates that the ‘internal tide’ is probably associated with the first baroclinic mode. At the current‐meter depths the speeds of the ‘internal tide’ for the M2 tide are about the same as the barotropic speeds, whereas, the S2 ‘internal tide’ speeds are larger than those of the barotropic tide. The consistency of the trend in ellipse parameters lends support to the theoretical progressive trapped barotropic tidal flows being a good approximation to the actual barotropic tide. Some support for the hypothesis that the S2 tide on the West Coast of New Zealand has a substantial standing wave contribution is given by the northern observations, where the ratio of the S2: M2 internal tidal ellipse current amplitudes are substantially larger than the ratio of the elevations, the internal tide being generated by across‐isobath flows.     

基于姿态校正的RTK潮位在琼州海峡地形测量中的应用

潮位改正是多波束地形勘测中的重要环节。琼州海峡跨海工程中分别利用验潮潮位和RTK潮位进行潮位改正,对比结果发现初始RTK潮位改正后的数据存在较大偏差,最大可达1.5 m。通过对RTK测量潮位进行姿态校正后,其结果与验潮潮位的偏差减小,可以控制在0.3 m以内。5-6月的琼州海峡正是西南季风爆发时间,海峡海流的流向具有复杂性,涨落潮都伴随着较大的风浪,RTK潮位测量忽略风浪带来的影响是出现较大误差的重要原因。     

应用走航式ADCP测量分析与验证金塘水道的高悬沙浓度

在金塘水道西口门2006年冬季和2007年夏季大、小潮期间应用美国RDI公司生产的300 kHz声学多普勒流速剖面仪(ADCP)进行25 h的走航式断面观测,同步采集水样过滤获得悬沙浓度.实测断面流速、流向表明:落潮时流向为东南向,涨潮时分两股,靠近北仑为西南向,靠近金塘岛为西北向;夏季大潮最大流速为260 cm/s,大于冬季大潮;观测期间断面悬沙浓度为0.4～1.5 g/L,冬季大于夏季约0.3～0.5 g/L;ADCP后向散射强度冬季大于夏季约5 dB.应用实测CTD数据进行声吸收系数校正,通过计算,断面后向散射强度分布趋势基本不变.后向散射强度与悬沙浓度成正比,与水深成正比,垂向分布与潮时有关,冬季小潮水深增大时,后向散射强度反而减小.回归ADCP后向散射强度与水样悬沙浓度之间半经验半理论统计关系,发现冬季不成线性关系,夏季成线性关系,且相关性较好,相关系数为0.7,说明夏季较高浓度下后向散射强度可以表示悬沙浓度的大小.夏季大、小潮期间高分辨率的悬沙浓度断面数据分析表明,反演后的悬沙浓度值与流速成正比;近岸悬沙浓度大于断面中部;涨急和落急时同一水深高低含沙量值错落分布,涨憩和落憩则分层明显;大潮悬沙浓度大于小潮流约0.05 g/L.断面两端点反演后的悬沙浓度与实测值比较,呈现半日潮含沙量双峰特征,夏季大潮反演后的悬沙浓度与实测值分布一致,实测值大于0.9 g/L时,两者量值相差大,小潮则拟合很好.因此,应用走航式ADCP测量高悬沙浓度是可行的,它可大大提高测量效率,为获取现场悬沙浓度提供了一种新方法.     

Fundamental study on the tidal residual circulation—I

The tidal residual circulation in a bay was experimentally investigated with use of a hydraulic model. The model basin is a square bay of 5 m sides with a one-sided mouth of 1 m wide. The depth of the basin is 0.1 m. The tide of a six-minute period was provided by a tide generator of plunger type through the mouth. Tidal currents in the bay always flow in one direction though its strengths change according to the tidal phase, that is, a strong tidal residual circulation occurs in the bay. A similar flow pattern was observed to occur in a field with a horizontal boundary geometrically similar to the present model. The vorticity transfer from tidal current to residual flow is balanced with the vorticity advection of residual flow and the dissipation due to the viscosity.     

江苏如东西太阳沙及烂沙洋海域潮流泥沙数值模拟

基于不规则三角形网格有限差分法并考虑波浪及其破碎作用,建立了平面二维潮流场和泥沙场数学模型.该模型对有望建设成深水码头和深水航道的江苏如东西太阳沙和烂沙洋海域的潮流场和泥沙场进行了细化数值模拟.数值模拟结果表明：（1）本海区潮流基本上是顺深槽流动的往复流,潮流流速大,烂沙洋北水道和西太阳沙附近大潮涨落潮最大流速分别在2 m/s和1 m/s以上;（2）本海区的潮平均水体含沙量在0.5 kg/m^3以下,落潮含沙量大于涨潮含沙量;（3）小浪对水体含沙量影响很小,大浪作用下水体含沙量明显增加.     

杭州湾南部主水道内温度、盐度、潮流的变化特征

本文基于船载及锚定ADCP、CTD观测,获得了大、小潮时的温度、盐度、浊度、潮位、流速等观测数据,研究杭州湾南部的一个主要弯曲航道——螺头水道内的潮流动力学特性。螺头水道水深超过100 m、最大潮差大于2.5 m。涨潮时,强潮流速出现在水道北岸,落潮时,强潮流速出现在水道南岸,最大流速值分别为约2 m/s和1.8 m/s。受压强梯度、密度梯度、科氏力和离心力影响,涨落潮过渡时在水道的横断面产生较为明显的环流。夏季存在较弱的层化现象,深水处受环流的影响,盐度、温度的混合较强。锚定观测数据表明,温度、盐度的变化频率与潮流的变化频率相似,但存在高于M2分潮频率的谱峰值。因此,笔者认为潮流与横向环流的相互作用,可能导致更高频率的盐度和温度变化。