SCOURING PATTERNS IN FRONT OF VERTICAL BREAKWATERS

There are two basic types of scouring pattern of a sand bed in front of a vertical breakwater under the action of standing waves due to the differences of the sand grain sizes and of the wave conditions. The expressions of the scouring profile, the ultimate maximum scouring depth and the development of the scouring for two scouring patterns based on the experimental data are given in the present paper.The scale laws for the sand grain size and for the scouring depth are derived, thus making it possible to apply the results from the model tests to the prototype conditions. The influence of the scouring patterns on the stability of the foundations of vertical breakwaters is discussed through some typical examples in the paper.     

带有柔性阻流器的海底管道冲刷防护试验研究

从管道尾流区泥沙颗粒的受力平衡着手,探讨了管道冲刷的临界压力差。在此基础上,提出了一种防止或减少管道冲刷的新方法,即在管道下方安装柔性阻流器。通过物理模型试验,研究了单向恒定流及规则波作用下,柔性阻流器对管道两侧床面压力、冲刷深度的影响。试验结果表明:柔性阻流器的安装能明显减小管道两侧床面的压力差。在单向恒定流作用下,管道的冲刷深度随阻流器长度的增加而减小;当阻流器达到临界长度时,冲刷消失。规则波时,因阻流器的扰动作用,冲刷深度有所增加;但随阻流器长度的增加,其扰动作用减小,对床面的防护作用增加,因而冲刷深度减小。     

基于CFD-DEM方法对海底管道床面冲刷的研究

采用计算流体力学—离散元耦合方法（CFD-DEM）模拟海底管道床面的冲刷过程。经过模型验证,该方法的计算结果与前人的研究具有较好的一致性,证明其可以应用于海底管道周围的冲刷模拟计算。冲刷初期的结果增强了目前对启动阶段粒子运动机理的理解,即管前后压力梯度造成的渗流作用导致粒子运动。对完整冲刷过程的模拟中,发现冲刷分为冲刷启动阶段、间隙冲刷阶段和尾迹冲刷阶段。间隙冲刷阶段管道下方粒子具有较大速度,冲刷坑快速向下方发展。进入尾迹冲刷阶段后,管道后方出现周期性脱落的涡旋,沙丘上的粒子速度更大。同时利用DEM更具直观性的独特优势,首次得到了14个典型位置处颗粒的运动轨迹和运动速度,对于理解冲刷过程中粒子的运动情况具有较大帮助。     

基于DEM的南黄海辐射沙脊群冲淤演变初步研究

利用1968年(实测时间为1963-1968年)和1979年南黄海辐射沙脊群三丫子港至川腰港1∶200 000海图以及2006年大丰港及其附近1∶50 000海图资料,用Mapinfo进行数字化处理,得到水深点和等深线数据,在Surfer8.0中进行Kriging插值,分别建立水下数字高程模型 (DEM) ,并定量计算1968年至1979年三丫子港至川腰港的冲淤变化,以及西洋潮流通道1968年、1979年和2006年之间的冲淤变化.结果表明:①辐射沙脊群三丫子港至川腰港1968年至1979年全区处于冲淤动态平衡,冲刷量为8.98×109 m3,淤积量为11.38×109 m3.全区平均淤高13 cm/a,年均淤积速率为1 cm,其中以沿岸和东北部淤积为主,沙脊群中心枢纽部位冲淤变化较为频繁,外海大部分区域较为稳定.②西洋潮流通道1968年至1979年以冲刷为主,全区平均冲刷1.05 m,年均冲刷速率为8.0 cm/a;1979年至2006年仍以冲刷为主,全区平均冲刷1.59 m,但年均冲刷速率小于1968年至1979年,为5.9 cm/a.     

渗流与侧向流共同作用下的潮沟边壁侵蚀研究进展

潮沟的边壁侵蚀可以分为水流作用下的边壁冲刷与土块重力作用下的边壁崩塌。前人研究表明,水流流速、水压及土体干密度等因素均对底床冲刷率有显著影响,然而侧向边壁的冲刷率量测以及相关影响因素问题亟待解决。前人较多关注侧向流对于边壁崩塌的影响,而对渗流作用以及渗流与侧向流在边壁侵蚀过程中的共同作用研究较少。近期研究表明,渗流已成为边壁侵蚀过程中的重要一环。因此,渗流与侧向流不同动力作用下,边壁侵蚀的差异性和相似性,以及两种动力共同作用下的侵蚀机制仍待进一步探究。     

中性网格对圆桩局部冲刷的水动力弱化及防护效果分析

针对水下桩墩的局部冲刷问题,提出一种适用范围广、防冲促淤效果显著的防护措施。该防护措施把一种相对密度略大于水、几何特征特殊的中性网格结构完全覆盖在冲刷坑或可能出现冲刷坑的床面上,以减弱冲刷坑内水动力,促进泥沙落淤,达到减轻局部冲刷的目的。通过数值模拟和水槽试验探讨了中性网格结构对圆桩周围冲刷坑内水动力及床面形态的影响,并研究了网孔尺寸对防冲促淤效果的影响规律。结果表明：该中性网格结构能显著减小局部冲刷坑内的流速,有效抑制局部冲刷,且对桩前来流来沙的影响微弱。孔径比7.7的网格防护结构可以使无黏性沙床上圆桩的局部冲刷深度减少92%,已存在的冲刷坑则可被修复73%。这些研究成果为桩墩局部冲刷防护提供一种新的思路。     

黄河水下三角洲北部区域海底地形冲淤变化研究

为了明确黄河水下三角洲北部区域海洋动力对海底地形变化的影响,采用2009年黄河水下三角洲北部区域高精度水深地形资料,与2004年水深地形资料进行对比分析。同时,利用2009年对表层沉积物的粒度分析,结合该区域的水文潮流特征,对该海区悬移质泥砂引起的冲淤变化进行了预测。研究结果表明该区域经过多年的冲淤调整正逐渐达到冲淤平衡,形成稳定的粉砂淤泥质海岸,但在大风大浪引起的恶劣海洋作用下,本区仍然经历着缓慢的冲刷过程。埕北海域在CB151平台附近形成一个冲刷中心,冲刷深度超过1 m;孤东海堤外侧海域,自陆地向等深线12 m区域均发生轻微冲刷作用,尤其是海堤根部,由于波浪的累加作用,冲刷最为明显,最大冲刷深度可达1.5 m以上。     

动、定砂床底部剪切力对比试验研究

在河口海岸工程中,常常会面临岸滩冲蚀、岸线演变、航道淤积、建筑物底部淘刷等涉及泥沙起动和输运的问题,而水流对底床的剪切力是研究泥沙起动与输运的重要参数。本文利用自行设计的底床剪切力测量装置,在不同流速的水流中,分别在固定砂床(定床)和可移动砂床(动床)上进行了底部剪切力的直接测量;同时,根据试验中声学多普勒流速仪(ADV)测得的流速信息,采用湍流动能法对底床剪切力进行了估算。结果显示:当比例系数取值0.19时,估算出的底床剪切力与测量值吻合较好。对测量结果进行分析后发现,流速较小、砂粒未起动时,动、定砂床上的底部剪切力大致相同;在有砂粒起动的情况下,动床上的底部剪切力比定床上的大,相对差值最大约20%。因此当涉及底床剪切力的问题时,需要先确认床面形式,然后再进行分析研究。     

Physical modeling of local scour development around a large-diameter monopile in combined waves and current

In most of the previous studies on local scour around pile foundations, wave-induced pore pressure response has not been taken into account. The local-scour and pore-pressure responses around a large-diameter monopile in combined waves and current have been physically modeled with a specially-designed flow–structure–soil interaction flume. In the series of experiments, the time developments of the scour-depth and the pore-pressure in the proximity of the model pile were measured simultaneously. Experimental results indicate that the wave-induced upward seepage under the wave troughs may weaken the buoyant unit weight of the surrounding sand, which brings the sand-bed more susceptible to scouring. The superimposition of the waves on a current has much effect on the time-development of local scour and the resulting equilibrium scour-depth, which is particularly obvious when the sand-bed is in the clear-water regime under the current or waves alone respectively. It is observed that the maximum flow velocity at the boundary layer for the following-current case is larger than that for the opposing-current case, which further results in faster time development of scour depth and greater equilibrium scour depth for the following-current case.     

珠江三角洲河道近期冲淤特征初步分析

近20多年,在人为因素影响下,珠江三角洲网河区和口门区的水沙分配发生了 重大变化．水沙东输,加速了伶仃洋的淤积,其年均淤积量、水域缩减面积、滩涂的年 均增长率,分别为磨刀门的2．4倍、1．7倍、6.4倍．网河区河道由淤转冲,过水断面面 积扩大13．9％～31．9％;冲刷速率12～21cm／a．     

模型变率对斜坡上泥沙起动相似影响研究

本文在前人的理论分析及水槽试验工作的基础上，分析了上举力系数对边坡泥沙起动影响，研究了常用模型沙（木屑、煤屑、电木粉），以平床泥沙起动相似设计，变态模型变率对边坡及水流纵向坡面上泥沙起动相似偏离影响     

西朝鲜湾二维潮流泥沙数值模拟与砂矿成矿分析

黄海西朝鲜湾是潮流流速特别高、潮流沙脊群明显发育的水动力沉积环境区,具有有利的砂矿成矿条件。为了分析其成矿特征,我们采用波浪潮流共同作用下潮流泥沙数值模拟的计算方法,模拟各级波浪下潮流、海底冲淤状态和全输沙量过程,由此分析按形成时代和主要分选控制因素划定的砂矿成因型和漂沙分选方式。本区砂矿属于潮流波浪控制的现代滨海砂矿,砂矿由潮流波浪掀沙、潮流输沙、风暴浪混沙进行平面及垂直分选形成,研究区类似一个巨型砂矿分选机,分选强度有利于砂矿成矿的地区大多为0～20m海域,矿层延伸到风暴浪最大冲刷范围之外。     

长江口青草沙水库前沿河床演变与失稳风险研究

位于长江口南北港分流口的青草沙水库是上海市最大的城市供水水源地,开展该水库前沿河床稳定性和失稳风险研究具有重要的理论意义和工程指导价值。基于此,利用长江口南北港分流口2000年至2013年期间实测的高精度地形资料,分析青草沙水库前沿河床近期地貌变化特征,为水库库堤安全预警提供相关理论支撑。结果表明:青草沙水库前沿河床冲淤变化在建库前后有明显差异,建库前总体表现为河槽冲刷、沙洲淤积,呈现准冲-淤振荡的性质;建库后变为幅度逐渐减弱的持续冲刷;沿河床河槽形态由U型向U型与V型河槽叠加的复式河槽转变。青草沙水库前沿沙体沿落潮主流方向下移,成形沙体呈先增长、再减少,最后趋于平衡的态势,隐形沙体大体呈减少趋势。青草沙水库库堤前沿近600 m位置是河床失稳的重点风险区域,尤其是水库库堤中上部河床处于不稳定状态,如前沿边坡所在河槽进一步逼近水库前沿,则河床面临进一步冲刷的可能。     

威海靖海湾港区张家埠新港建设对泥沙冲淤影响预测分析

运用ECOMSED(水动力泥沙)三维模型模拟潮流、波浪(施加风)作用条件下威海靖海湾港区张家埠新港建设前后周围海域海底地形的演化,分析其冲淤变化.并利用冲淤平衡时波潮流共同作用下对海底的切应力与沉积物临界起动剪切力相等的原理,对新港建设后的极限冲刷深度进行预测.结果表明,在引堤透空段附近和防波堤端头冲刷较严重,50年一...     

海底管道掏空与波浪力变化关系试验

鉴于海底油气管道在海洋能源开发中的特殊意义,前人开展了大量管道安全试验研究,特别注重不同底床、不同波浪条件、不同埋置深度等方面的组合试验,本次试验针对危害管道安全的掏空和悬跨开展了波浪水槽试验,探讨黄河三角洲为主的粉土海床上掏空与管道受力关系,弥补这方面研究的不足,结果表明,海底管道受力变化与掏空过程密切相关。连续试验过程表明,海底管道与海床土、波浪水体之间存在密切关系。海底管道在波浪作用下冲刷掏空经历了3个演变阶段:泥沙起动阶段、水流隧道发育阶段、快速掏空阶段和冲刷平衡阶段。水流隧道伴随的管涌对冲刷掏空起重要作用。伴随冲刷掏空,管道波浪力出现规律性转化,从正向作用逐渐过渡到负向作用,也可以分出4个演化阶段:冲刷初始阶段,管道波浪力以正向为主,管道表现为正向力作用下的振动;隧道发育阶段,管道受到的作用力主要是波峰上举力和波谷下拉力,表现为上下振动;管道悬空阶段,波峰负向作用力和波谷正向力交替出现,管道在波浪作用下表现为前后振动;冲刷平衡阶段,管道主要在负向作用力下振动。     

潮流作用下海上风电群桩基础局部冲刷与防护试验研究

海上风电基础局部冲刷会影响风电结构的稳定,对海上风电的安全运行至关重要。以四腿群桩导管架基础为研究对象,对潮流条件下基础局部冲刷开展试验研究。试验结果表明：0°水流条件下,最大冲刷深度为1.05倍桩径;45°水流条件下,最大冲刷深度为0.97倍桩径。并探索了新型蜂巢结构在群桩基础防冲刷中的应用,设计了蜂巢格室防护方案,发现在蜂巢防护情况下,两个流向作用于四腿群桩基础时最大冲刷深度仅为无防护情况下的27.3%和25.9%,表明蜂巢格室在海上风电基础的冲刷防护方面具有良好效果,在实际工程中具有较大的应用潜力。     

立波作用下的底沙运动

立波作用下的底沙运动关系到港口的规划和建筑物的安全。本文以实验为基础，综合前人研究成果，得到立波作用下床面形态及冲刷类型。对较粗颗粒底沙在立波作用上进行受力分析，得到了一周期内沙粒累计推移距离，净输沙率及冲刷强度。认为冲刷形态的不同与近底速度和加速度的分布密切相连。     

Simulation of the nonlinear dynamic interactions between waves, a submerged breakwater and the seabed

This study employed direct numerical simulation to simulate the fully nonlinear interaction between the water waves, the submerged breakwater, and the seabed under differing wave conditions. In the numerical simulation, the laminar flow condition in the seabed was applied to evaluate the more exact fluid resistance acting on the porous media. Varying incident wave conditions were applied to the flow field resulting from the wave–structure–seabed interaction, and the variation in the pore water pressure beneath the submerged breakwater was investigated along the cross-section of the submerged breakwater. Structural safety and scouring were also considered on the basis of the numerical results for the flow field around the structure and the variation of the pore water pressure.     

Probability of Sediment Incipient Motion Under Complex Flows

Presented in this paper is a mathematical model to calculate the probability of the sediment incipient motion,in which the effects of the fluctuating pressure and the seepage are considered.The instantaneous bed shear velocity and the pressure gradient on the bed downstream of the backward-facing step flow are obtained according to the PIV measurements.It is found that the instantaneous pressure gradient on the bed obeys normal distribution.The probability of the sediment incipient motion on the bed downstream of the backward-facing step flow is given by the mathematical model.The predicted results agree well with the experiment in the region downstream of the reattachment point while a large discrepancy between the theory and experiment is seen in the region near the reattachment point.The possible reasons for this discrepancy are discussed.