波浪作用下斜坡沙质海床上桩柱周围局部冲刷试验研究

在斜坡上桩柱引起的局部冲刷与平底条件下产生的冲刷存在差异。布置中值粒径为0.320 mm、坡度为1:16的斜坡沙床,开展规则波作用下桩柱周围的局部冲刷试验研究。试验主要考虑小Keulegan-Carpenter数（KC数）条件,探讨了波高、波周期和桩柱位置对局部冲刷的影响,并从最大冲刷深度和冲刷形态两个方面对比分析了斜坡与平底条件局部冲刷的异同。结果表明:斜坡上桩柱位置对局部冲刷有较大影响;在相同的KC数条件下,斜坡沙床上的最大冲深大于平底沙床;斜坡沙床的清水冲刷形态与平底沙床差异较大,而浑水冲刷形态相似。     

波流作用下大直径淹没圆柱局部冲刷试验研究

水下大直径淹没圆柱在波流共同作用下的冲刷特性与非淹没情况有较大差别。在波流水槽中开展局部冲刷试验,将大直径淹没圆柱模型安装在中值粒径0.22 mm的平底沙床内,改变波浪波高和周期、水流流速和方向、圆柱淹没率,测量圆柱周围流速变化,记录柱周冲深发展历时,运用激光地形仪测量冲刷坑的地形形态,分析了淹没率S_r和相对高度h_c/D对准平衡冲深的影响。结果表明,相同入射波流条件下,随相对柱高h_c/D降低,冲刷发展速率、冲坑半径和深度都随之减小。当相对柱高h_c/D>1时,冲深随柱高增长速率较快直至达到临界值。准平衡冲刷坑呈"倒勺状",沿圆柱左右两边呈对称分布,柱前呈半环状;圆柱正后方淤积成"马鞍状"沙丘。     

海啸波作用下泥沙运动——Ⅳ.建筑物局部冲刷

基于波浪水槽实验,以沿海公路为对象,对海啸波作用下建筑物局部冲刷机理开展研究。实验采用1/10与1/20的组合坡度,选取N波作为入射波。实验对波高、波浪的上爬、回落和水跃过程、每个波作用后的地形进行了测量和记录。实验结果表明,N波作用下地形发生冲淤变化,在回落水流所形成的螺旋流作用下,路基向海侧形成明显的冲刷坑。路基所在位置是最主要因素,波高是次要因素,路基深度影响较小。路基位于滩肩侵蚀发生处,则最大冲刷深度相对较大。     

护底条件下淹没丁坝坝头局部冲刷试验

淹没丁坝是一种典型的航道工程整治建筑物,工程实施中坝头附近局部冲刷防护问题尤为重要。为研究护底条件下的淹没丁坝坝头局部冲刷特性问题,采用正态模型试验方法,重点研究了护底条件下淹没丁坝坝头局部冲刷坑形态、最大深度与护底宽度的变化响应规律,结果表明,护底条件下坝头局部冲刷坑位于护底边缘附近,当护底宽度小于20 m左右时,最大冲刷深度变化较小,但冲刷坑位置有所远离坝体,最大冲刷深度随着护底宽度的变化规律可用指数关系表达。基于量纲分析原理,建立了粉细沙河床护底条件下淹没丁坝局部冲刷最大深度计算公式。     

斜向波作用下海底管线周围床沙组成变化

海底管线周围的不平衡输沙影响着海底管线的局部冲刷,进而影响海底管线的安全运营。基于波浪港池实验,考虑规则波的作用,采用中值粒径为0.219 mm的原型沙铺设与波浪传播方向成45°夹角的斜坡,斜坡坡度为1∶15,研究管线局部冲刷坑床沙组成变化情况。实验结果表明:与冲刷深度随时间的发展类似,冲刷宽度随时间的发展也分为初级阶段和次级阶段;管线周围床沙粗化程度最高的地方并不在管线的正下方,而在管线的后下方;周期增加,冲刷坑床沙粗化程度增大;与原始床沙相比,周期较小时,冲刷坑下方床沙细化,周期较大时则粗化,而波高对床沙扰动的影响具有不稳定性。     

波流共同作用下反斜桩局部冲刷特性试验研究

在波流环境中,反斜桩周围的涡流结构及波浪传播特性与垂直桩存在较大差异,进而影响到桩基局部冲刷进程。为了解波流共同作用下反斜桩局部冲刷特性,在波流水槽中针对不同倾角的反斜桩开展了局部冲刷试验,初步探究了局部冲深历时特性、影响因素及床面形态特征。研究结果表明:在清水冲刷条件下,反斜桩局部冲刷深度始终小于垂直桩; 当桩身倾角增加时,平衡冲刷深度逐渐减小,相对时间尺度逐渐增大; 冲刷坑宽度相对垂直桩更小,呈现“水滴状”形态,尾后沙丘呈现出更长的单峰“带状”结构,不规则性较为突出; 局部冲深与弗劳德数之间存在着较高的相关性,但向上游倾角产生的波浪变形效应使得冲刷深度与流速比和Keulegan-Carpenter数的具体函数关系更难以确定。     

海啸波作用下岸滩演变与床沙组成变化研究综述

从海啸波作用下岸滩演变、床沙组成变化、建筑物周围淘刷和数值模拟研究4个方面,总结分析了国内外的研究现状和最新进展,指出可控环境下的实验和数值模拟研究相对较少、床沙组成变化缺乏关注、建筑物周围局部冲刷机理认识不足、缺少多尺度数值模拟计算等是当前研究存在的主要不足。在特大型波浪水槽内开展实验研究、发展多尺度混合数学模型、完善海啸波作用下的泥沙输移计算理论等是未来研究取得突破的关键方向。     

感潮河段丁坝局部冲刷三维数值模拟

针对局部冲刷和一般冲刷的不同,建立了考虑垂向水流作用的局部冲刷三维紊流泥沙数学模型,并对往复流和单向流作用下的丁坝局部冲刷进行了验证计算和数值模拟。结果表明,往复流作用下丁坝局部冲刷在冲刷过程和冲淤形态上与单向流有明显不同,若采用单向流作用下的局部冲刷模型试验结果来指导往复流作用下丁坝头防护工程的设计和施工是不利的。     

波流作用下大直径单桩的局部冲刷特征分析

局部冲刷是水利和海洋工程中常见的现象,波流耦合和桩径效应使得这一问题更加复杂。为了进一步研究波流作用下大直径单桩的局部冲刷特征,在CFD软件FLOW3D中建立波浪水槽的数值模型,并设计物理模型试验,通过对比局部冲刷的时空特征,验证了数值模拟的准确性。基于某海上风电场桩基工程,采用随机波描述波浪运动,大涡模拟计算湍流运动,分析了波流耦合作用下大直径单桩的局部冲刷特征。结果表明:局部冲刷的空间发展可以分为纵向切蚀、横向扩展和基本稳定3个阶段。最大冲刷深度出现在桩前,为4.9m,约为0.9倍的桩径。相对应地,局部冲刷的时间发展同样为3个阶段,即快速增长、缓慢增加和冲淤平衡。在20 h后,最大冲刷深度基本不变,冲刷达到稳定状态。     

局部冲刷对风机支撑系统承载性能的影响

海上风力发电作为一种绿色能源越来越受到重视,单桩基础局部冲刷的研究受到广泛关注。建立了不同冲刷深度的海上风机系统模型,对各模型进行静力、动力分析。结果与前人冲刷模型试验吻合,随着桩基冲刷深度的增大,支撑系统的最大水平位移、最大水平应力和最大弯矩值逐渐增加。冲刷深度为两倍桩径时,最大水平位移、应力及弯矩分别比无冲刷条件下增加了3.61%、12.7%、10.3%。风机系统的自振频率随冲刷深度的增加而降低,高阶频率更易受影响。桩基冲刷对风机系统的动力特性有显著影响,塔顶水平位移时程曲线随冲刷深度不断上移。海上风机设计时必须考虑冲刷对支撑系统承载性能的影响。     

考虑渗流力的海床临界冲刷机理及计算方法

从波浪引起的海床内部渗流与床面泥沙运动耦合的角度出发,研究波浪作用下海床临界冲刷机理及计算方法。研究表明,波浪作用下床面泥沙起动及冲刷是一个不断向下发展的过程,最终达到一个临界冲刷深度。波浪引起的渗流力能够显著降低泥沙的临界起动切应力,促进泥沙起动,是影响海床冲刷的一个重要因素。将渗流力引入到传统泥沙起动公式中,推导并给出了波浪作用下海床临界冲刷深度的计算方法。结合室内和现场两个算例,很好地解释了波浪水槽试验中海床"流化"现象和黄河水下三角洲粉砂流冲沟等灾害地貌特征及成因,初步验证了该方法用于评价和计算海床冲刷的有效性。     

不规则波在岸礁地形增水变化规律试验

波浪增水抬升了岸礁礁坪的平均水位,对岸礁后方陆域安全有重要影响。通过水槽试验,研究了不规则波况下岸礁礁坪的增水。试验组次为3种礁坪水深、4种有效波高和4种谱峰周期的组合。试验结果表明:①岸礁地形上的波浪要素需至少统计200个波才能达到稳定;②不规则波列在岸礁上破碎过程比规则波列复杂,同一波列中波高较大的波以卷破形式在礁前斜坡上破碎,波高较小的波以崩破形式在礁坪上破碎或者不破碎;③礁坪上最大增水值随入射波周期的增大而增大、随礁坪水深的增大而减小,并与入射波波高呈正比。结合试验数据,发现基于规则波试验得出的Gourlay礁坪增水公式,在使用有效波高和谱峰周期作为代表波要素时,公式能良好地预测不规则波在岸礁礁坪上的最大增水值。     

A Field Study of How Wind Waves and Currents May Contribute to the Deterioration of Saltmarsh Fringe

Deltaic landscapes, such as the Mississippi River Delta, are sites of extensive conversion of wetlands to open water, where increased fetch may contribute to erosion of marsh edges, increasing wetland loss. A field experiment conducted during a storm passage tested this process through the observations of wave orbital and current velocities in the fringe zone of a deteriorating saltmarsh in Terrebonne Bay, Louisiana. Incident waves seaward of the marsh edge and wave orbital and current velocities immediate landward of the marsh edge were measured. Through a dimensional analysis, it shows that the current and orbital velocities in the marsh fringe were controlled by the incident waves, inundation depth, submergence ratio, and vegetation density. Similarly, it is shown that the longshore currents in the inundated saltmarsh fringe depended on the local wave-induced momentum flux, vegetation submergence, and vegetation density in the fringe zone. The cross-shore current showed the presence of a return flow in the lower region of the velocity profile. A high correlation between the current direction and the local flow-wave energy ratio as well as the vegetation submergence and density is found, indicating the important role of surface waves in the fringe flow landward of an inundated wetland under storm conditions. The field observations shed light on the potential ecological consequences of increased wave activities in coastal saltmarsh wetlands owing to subsidence, sea level rise, limited sediment supply, increases in wind fetch, and storm intensity.     

潜堤对破碎区至冲泻区水动力特性影响数值分析

破碎区至冲泻区水动力特性分析是研究近岸地区泥沙输运机理和岸滩演变的关键。考虑潜堤修建的影响,对破碎区至冲泻区水动力特性开展研究。运用基于RANS方程的波浪数学模型,选取非线性涡粘性κ-ε紊动传输模型,采用高精度PLIC-VOF方法追踪自由面,并用实验数据验证模型精度。计算分析结果表明,潜堤的修建改变了破波点的位置,破碎区至冲泻区内水动力特性随之变化,入射波波高H、波长L、堤顶水深R和堤顶宽度B是主要影响因素。在相同的入射波条件下,B/R增大,破碎区至冲泻区内出现的最大紊动动能值和最大紊动耗散值减小。用量纲一参数Re,Fr和St来描述破碎区至冲泻区水动力特性,随着RL/BH增大,波浪将在离岸较近处发生破碎,Re和Fr增大,St减小。