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。     

海啸波作用下泥沙运动——Ⅱ.床沙组成变化分析

在波浪水槽实验的基础上,对海啸波作用下的床沙组成变化规律开展研究。实验采用1/10~1/20的组合坡度,选取N波作为入射波。实验对波高进行采集,对波浪的上爬、回落和水跃过程进行拍摄记录,对每个波作用后的地形进行测量,并对初始和最终的床面顶层泥沙进行采样筛分。实验结果表明,N波作用下泥沙在离岸区水跃发生区域堆积,淤积沙坝泥沙粒径呈粗化趋势。同时采用规则波和非规则波进行对比,波浪作用后形成岸滩也为沙坝剖面,淤积沙坝泥沙粒径呈细化趋势,结果均遵循Çelikoğlu提出的泥沙运动的基本规律,细颗粒泥沙会在强烈的紊动作用下从床面中被筛选出来,并被搬运到低紊动地区,此过程造成了剧烈紊动区泥沙的粗化。     

海啸波作用下泥沙运动——Ⅴ.红树林影响下的岸滩变化

近年来频发的海啸灾害造成巨大损失,而红树林具有很好的减小海啸灾害的作用。实验采用PVC圆管来概化模拟红树林,以无黏性沙堆砌而成1/10~1/20组合坡概化岸滩,选取孤立波模拟海啸波。实验结果表明,红树林的存在对岸滩剖面变化产生了较大影响,适当增加植物分布密度,并优化植物的分布方式,可有效减小海啸波对岸滩的冲刷危害。在本次实验条件下,得到了岸滩冲刷坑尺度、淤积沙坝尺度、最大冲刷深度、最大淤积高度与红树林的分布方式和密度、海啸波波高、泥沙比重和岸滩坡度之间的关系式,揭示了沙质岸滩剖面变化与红树林、海啸波水动力特性、泥沙颗粒、岸滩坡度之间的内在联系,为减小海啸灾害提供科学依据。     

波浪作用下砂质滩坝的沉积过程与沉积模式

受波浪及沿岸流影响,在滨岸地区形成的滩坝砂体是滨海（湖）带发育的主要砂体类型。目前国内外学者对滩坝沉积砂体的认识多来自于现代沉积和油气地质特征,对滩坝砂体的沉积机制和内部结构研究相对较弱。基于沉积水槽实验,采用规则波浪对沙质斜坡滨岸带进行模拟实验,观测波浪作用下滨岸带滩坝形成过程和波浪运动特征,记录波浪作用下滨岸带沙质滩坝在不同浪带平面时空演化规律。实验结果显示:波浪是改造湖岸原有沉积物的关键驱动力,波浪作用下沙质岸滩床面泥砂将发生输移运动,而滩坝是陆湖（海）泥沙在水动力驱动下搬运沉积的结果,水动力的强弱及水流结构引起泥沙在空间上的不均匀输运和分布,进而塑造不同的滩坝形态。与强波浪相关的高水位可以加速滩坝系统的形成并最终形成大规模的滩坝砂;相比之下,与较弱波浪相关的低水位只能略微改变初始沉积物形态。根据不同的沉积物特征可将实验中的滩坝系统分为三类:冲浪带和碎浪带滩坝系统近端部分的大规模厚层坝砂,破浪带和升浪带滩坝系统中部分布广泛的薄滩砂,以及位于滩坝系统中远端的弧形或平行排列的脊状、砂纹坝砂。建立了水槽实验模式下滩坝沉积模式,可用于指导油气勘探开发。     

孤立波作用下淹没垂直桩柱局部冲刷试验研究

孤立波在近岸地区会引起剧烈的泥沙运动,导致采用淹没式桩基础的近海建筑物周围发生局部冲刷,严重影响近海建筑物的稳定性。采用中值粒径为0.22 mm的均匀沙在波浪水槽中布置平底沙床,在两种不同桩径条件下,对孤立波作用下淹没桩周围的冲刷发展过程进行了记录分析,探讨入射波高及淹没率对局部冲刷的影响,并从冲刷形态方面对比分析了孤立波与单向水流、规则波作用下局部冲刷的异同。结果表明:在相同淹没率条件下,随着入射波高的增大,桩周冲刷形态由双喇叭型向瞬态型冲刷形态发展;在相同入射波高条件下,桩高与桩径比h_c/D位于1～7范围内,淹没率对桩前最大冲刷深度影响不大,而桩后最大冲刷深度随淹没率增大而减小,并给出了淹没因子K_s与淹没率的多项关系曲线;孤立波与单向流作用下的淹没桩周围地形变化相似,而与小周期规则波作用下的地形变化差异较大。对实测数据进行多元回归得到冲刷深度的综合计算公式,经验证该公式计算值与实测值最大误差不超过7%。     

江苏淤泥质潮滩剖面演变现场观测

为探究江苏中部沿海双凸型剖面演变特性,在江苏盐城川东港南侧潮间带布设了10个水准观测站,2012年9月至2013年11月对该潮滩剖面演变过程开展了现场观测.结果表明:该潮滩剖面呈现出双凸型特征,平均高、低潮位线附近的滩涂形成淤积率较高的地形凸点;潮间上带受潮流影响小,滩面高程相对稳定;平均高、低潮位之间的区域滩面高程季节性变化明显,总体呈现冲刷状态;潮间下带冲刷显著,滩面坡度增大.全剖面自岸向海呈现"稳定—淤积—稳定—淤积—冲刷"的双凸型剖面特征.     

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。     

海啸波作用下泥沙运动——Ⅲ. 数学模型的建立与验证

基于Boussinesq方程耦合泥沙运动和地形演变模型,建立海啸作用下泥沙运动数学模型。地形演变模型采用WENO差分格式,并将WENO差分格式与Lax-Wendroff格式和FTBS格式进行对比分析。运用Synolakis、Kobayashi和Young的实验数据分别对水动力模块和地形演变模块进行验证,数值模拟结果与实验数据吻合良好,模型能够很好地模拟海啸波的传播、破碎、上爬、回落过程以及岸滩的冲淤变化过程,该数学模型能够运用到海啸作用下的岸滩演变研究和预测中。     

波浪作用下沙坝剖面形成过程的数值模拟

建立了波浪、底部离岸流、泥沙运动和沙滩剖面演变耦合数学模型,模拟了实验室中波浪作用下沙坝剖面的形成过程,讨论了各个物理参数对剖面上的水动力和地形变化的影响。通过参数率定,较好地复演了不规则波作用下沙滩地形由均匀斜坡向沙坝剖面的演变,波高、底部离岸流、输沙率和剖面演变的计算结果与实测数据吻合良好。采用数值实验和误差分析方法,讨论了破碎波水滚倾角、泥沙扩散系数和床面休止角等物理参数对计算结果的影响。研究表明,所建立的模型能较好地描述波浪作用下沙坝剖面形成过程中的重要物理机制。     

破碎波作用下沙质海床床面形态变化试验

波浪在斜坡沙质海床上破碎会加剧泥沙输移导致海床形态变化,研究破碎波作用下沙质海床形态变化机制对于岸滩演变分析极为重要。在波浪水槽中采用中值粒径0.47 mm原型沙铺设1∶20坡度的底床模型进行试验研究,测量不同波浪条件下床面形态和沙坝顶端悬浮泥沙浓度变化。通过测量和计算破碎带输沙率、沙坝尺度和沙坝移动速度,分析破碎波作用下沙质斜坡海床上床面形态变化规律。试验结果表明,破碎带沙坝顶端的悬浮泥沙浓度与水深和底部床面密切相关,在形成沙坝和沙坝水平方向移动时,悬浮泥沙浓度较大;斜坡上沙坝前后来回运动的周期大小具有随机性,沙坝既有向岸又有离岸移动;在多组波长时间作用后沙坝尺度趋于稳定,底床净输沙量趋于0。     

破碎波作用下沙质海床床面形态变化试验

波浪在斜坡沙质海床上破碎会加剧泥沙输移导致海床形态变化,研究破碎波作用下沙质海床形态变化机制对于岸滩演变分析极为重要。在波浪水槽中采用中值粒径0.47 mm原型沙铺设1∶20坡度的底床模型进行试验研究,测量不同波浪条件下床面形态和沙坝顶端悬浮泥沙浓度变化。通过测量和计算破碎带输沙率、沙坝尺度和沙坝移动速度,分析破碎波作用下沙质斜坡海床上床面形态变化规律。试验结果表明,破碎带沙坝顶端的悬浮泥沙浓度与水深和底部床面密切相关,在形成沙坝和沙坝水平方向移动时,悬浮泥沙浓度较大;斜坡上沙坝前后来回运动的周期大小具有随机性,沙坝既有向岸又有离岸移动;在多组波长时间作用后沙坝尺度趋于稳定,底床净输沙量趋于0。     

软土地基条件下大型圆筒海岸结构稳定性计算方法

针对一工程发生破坏的实例,对软土地基条件下大型圆筒海岸结构的设计与计算方法进行了比较分析,并对波浪水流作用下软土特性参数的选取、泥面冲刷对结构稳定性的影响等进行了讨论。提出了反复荷载作用下软土的动力特性、水流作用下结构周围泥面的冲刷演变规律以及波浪作用下大型圆筒结构与软土的动力相互作用等,这都是软土地基条件下大型圆筒海岸结构工程应用亟待解决的关键问题。     

河北省海岸侵蚀动态及成因机制研究

河北省沙质岸滩存在海岸侵蚀现象,对沙滩旅游、海滩工程建设造成严重威胁,制约河北省海洋经济社会发展。海岸侵蚀监测结果显示,区域海滩滩面受波浪、潮流影响较大,时冲时淤,摆动频繁,沙质岸滩整体处于侵蚀状态,各区段蚀淤情况有所差异,高潮线以上有所淤高,海滩坡度开始变陡,呈下蚀状态。海岸侵蚀灾害已引起沙滩沙质粗化、滩肩变窄、滩坡变陡及基岩裸露比率增多等问题。针对这一突出问题,通过定点测量与遥感监测相结合的方式,研究了河北省海岸线动态演变特征,经计算,河北省各侵蚀岸段海岸侵蚀速率达1.0~4.0m/a,单宽体积侵蚀量-1.42~-19.08m~3/m·a。综合分析显示,人类海岸工程建设、区域海洋水文条件及输砂量减少,是河北省发生海岸侵蚀发生的主要原因。     

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。     

黄河下游漫滩洪水冲淤规律

滩地的淤积层分布记录着以往漫滩洪水的特征,即反映漫滩洪水的量级、频率和持续时间等,同时河漫滩也是预估河流泥沙、洪水灾害防治和湿地生态系统保护等的重要组成部分。根据黄河下游水文年鉴资料,分析滩地的淤积与漫滩洪水的定量关系,为未来河流泥沙预估提供依据。经分析得到大漫滩洪水在来沙系数S/Q<0.030 kg·s/m6时,主槽冲刷而滩地淤积,反之则滩槽同淤。当S/Q<0.030 kg·s/m6时,大漫滩洪水滩地的淤积量主要与漫滩系数Q_max/Q_p、上滩水量W₀和含沙量S有关;大漫滩洪水的主槽冲刷量则除了与洪水期水量W和沙量W_s有关外,还与滩地的淤积量有关。一般漫滩洪水,当来沙系数S/Q<0.023 kg·s/m6时,主槽冲刷而滩地淤积,反之则滩槽同淤。一般漫滩洪水主槽冲刷量与来沙系数S/Q和洪水期水量W有关,而滩地淤积量仅与含沙量S有关。黄河下游漫滩洪水滩地的淤积和主槽的冲刷主要发生在孙口以上河段,而孙口以下河段主槽冲刷和滩地淤积量均较少。     

磨刀门河口洪季波生流及其泄洪影响

磨刀门已由"径流型"向"径流-波浪型"河口转变,波浪已是该河口主要动力之一,但波浪对河口洪季水流及泄洪的影响缺少研究。在2-D潮流数学模型中添加随潮位实时变化的波浪辐射应力,建立波浪潮流耦合数学模型;波浪求解采用缓坡方程,背景水深由潮流模型实时提供,可通过比较考虑和未考虑波浪影响的河口流场来分析波浪对泄洪的影响。在年均常浪作用下,磨刀门河口洪季涨落潮阶段均有明显的波生环流结构。由于波浪作用方向向陆,波生流减弱了浅滩区的向海余流,增大了浅滩向陆余流;受浅滩向海余流减弱影响,河口动力自调整后形成归槽水流,促使深槽内向海余流增大。波浪有顶托河口泄洪之势,可改变滩槽泄洪分配比例;年均常浪的波高较小,其对潮流及泄洪的影响区域限制在浅水区,故对泄洪的负面影响有限。     

岸滩侧蚀对航道条件影响的三维数值模拟——以长江中游太平口水道为例

长江中游河道岸滩侧蚀现象普遍,易对航道稳定形成不利影响,深入研究岸滩侧蚀冲刷机理及其航道响应过程具有重要意义。建立了考虑相邻土体影响的黏性岸滩侧蚀坍塌力学模式,以长江中游太平口水道为例,基于局部网格可动技术,构建了岸滩侧蚀及其河床冲淤变化的三维水沙动力学模型;在模型验证相似的基础上,分析了清水冲刷条件下腊林洲边滩侧蚀对太平口水道航道格局的影响。研究结果表明:模型可较好地模拟由岸滩侧蚀所引发的河势演变过程;上游来沙减少后,太平口水道河床以及未守护低滩部位将进一步产生冲刷;腊林洲边滩稳定与否,对太平口水道“南槽-北汊”航道格局的稳定具有重要作用。     

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。     

近期黄河下游游荡段滩岸崩退过程及特点

小浪底水库运行后,黄河下游游荡段河床冲刷剧烈,滩岸崩退过程较为显著。估算典型断面的滩岸崩退过程,不仅有助于全面掌握该河段的河床演变规律,同时也能为河道整治及规划等提供相关参数。以1999—2013年游荡段典型断面(水文断面及淤积断面)汛后实测地形资料为基础,确定了这些断面平滩河宽的调整过程,发现多年平均崩退速率最大达215 m/a;分析了影响滩岸崩退过程的不同因素,发现滩岸土体组成及力学特性、滩槽高差等因素虽对崩退过程有一定影响,但来水来沙条件是主要影响因素;分别建立了游荡段水文断面及淤积断面滩岸累计崩退宽度与前期5年平均汛期水流冲刷强度之间的经验关系,相关系数都在0.85以上。公式计算值与实测值吻合较好,可用来估算游荡段典型断面滩岸的崩退过程。     

中国北方季节性冰冻河流岸滩崩塌数值模拟——以松花江为例

季节性冰冻河流（季冻区河流）受水动力-冻胀/冻融耦合作用,岸滩崩塌机理复杂,且对河道演变具有重要影响。通过建立水动力-冻胀/冻融耦合作用岸滩崩塌力学模式,以中国东北地区松花江干流大顶子山航电枢纽下游近坝段为例,开展季冻区河流岸滩崩塌及河道演变的三维数值模拟分析。研究结果表明:岸滩坡脚侧蚀主要由水力冲刷所控制,冻胀作用使岸滩开裂深度增加,冻融过程则会使岸坡土体力学强度降低,影响岸滩稳定;岸滩崩塌对季冻区天然河流演变具有显著影响,考虑岸滩崩塌的模拟结果与天然实测结果基本吻合,可较好地模拟河床冲淤、岸滩崩塌所引起的河道演变过程。研究成果可为季冻区河流岸滩崩塌及河道演变的深入研究提供技术支撑。