浅水区抗拖网ADCP海床基的研制

搭载声学多普勒流速剖面仪(ADCP)的海床基是实现浅水区水文环境长期监测的有效装置。针对现有ADCP海床基不能避免渔业拖网破坏的缺陷,对海床基的结构、功能进行了全新设计,成功研制了新型抗拖网ADCP海床基,并设计了合理有效的布放回收方法。海上应用表明,抗拖网ADCP海床基能够在浅海渔业捕捞区完成水文数据的采集,可实现对海洋环境的长期有效监测。     

基于流-固耦合的不同外形抗拖网海床基外部流场分析

本文采用计算流体动力学方法(CFD),在考虑耦合场的条件下对2种不同形状的抗拖网海床基外部流场进行了流固耦合分析。根据抗拖网海床基的外形结构,建立了抗拖网海床基流体动力学分析模型,利用ICEM CFD对其进行前处理,并利用动网格技术对模拟区域的边界条件进行了设置。根据流固2种不同耦合方式的介绍及模拟对比分析,选择了单向流固耦合方式。对两种抗拖网海床基的外部速度场以及压力进行分析研究,抗拖网海床基外部流场的数值模拟可以为进一步开展抗拖网海床基结构优化设计提供参考。     

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.     

直立堤前海床的局部冲刷

对不规则波作用下直立堤前海床的局部冲刷进行了研究。研究了由于波浪作用导致床面的底沙运动,从而造成提前海床的局部冲刷,即所谓的“相对粒沙”的情况。报导了;(1)堤前海床面为水平、堤下无基床情况下的堤前局部冲刷,以及堤下有明基床时基床尺度对堤前局部冲刷的影响;(2)堤前海床面为斜坡面时堤前的局部冲刷,以及当堤下有明基床时基床尺度对堤前局部冲刷的影响;(3)从波浪作用下床面边界层的理论分析出发,对于在不规则波作用下,离堤面愈远处的冲刷坑深度愈小的事实给出了解释。     

海流作用下海底管道局部冲刷数值分析

在任意拉格朗日-欧拉参考坐标系下,采用基于雷诺平均的Navier-Stokes方程组(RANS)、流线迎风有限元方法、泥沙输运模型以及底床变形方程,对海流引起的海底管道局部冲刷进行了数值模拟。着重讨论了均匀来流流速和海底管道直径对局部冲刷发展过程及平衡冲刷深度的影响作用。数值结果表明,在冲刷的初始阶段,冲刷深度随时间迅速增加,之后缓慢逼近极限平衡深度;在管径一定的情况下,管道附近的局部平衡冲刷深度与流速大致呈线性关系;当流速超过某一临界区域后,最大平衡冲刷深度出现的位置并不在管道正下方,而是随流速的增加向管道下游方向移动;另外,管道直径也会对平衡冲刷深度产生比较明显的影响,在相同流速下,平衡冲刷深度大致随管径呈线性增大。在本文的计算范围内,海底管道的相对局部平衡冲刷深度基本随雷诺数线性增加,但流速对冲刷深度的影响作用要比管径的影响作用更为明显。     

长江口深水航道整治一期工程南导提丁坝群头局部冲刷试验研究

采用双向稳定水流、清水定床、局部动床的试验方法，用正态模型研究长江口深水航道整治一期工程南导堤丁坝群坝头局部冲刷问题。结果表明，航道开挖和双本坝的存在使得下游流速有所增加，影响程度落潮大于涨潮。坝头局部冲刷主要受落潮流控制，在沿深度为单一砂粉底质情况下，坝头冲刷坑深度分别达到27m和29m；考虑到原状底质下部为极难起动的粘土，实际冲刷坑底界到达粘土层后就不再刷深，此时冲刷坑深度为7．4m和4．7m，冲刷坑的平面范围有所加大。工程设计提出的护坦尺度能较好地保护坝头前沿滩地，适当缩小护坦尺度也能起到保护作用，但冲刷范围明显增大。     

海底子母管作用下海床冲刷的试验研究

子母管作为海洋工程中的新型管线结构,越来越受到重视。本文运用物理试验的方法研究了稳定流中海底子母管对海床局部冲刷的影响。通过控制不同海底子母管间间距,管径及来流流速,分析出了两管间隙比对冲刷坑内冲刷深度的影响,同时,从泥沙起动原理出发,利用流体的连续性特征,推导了与子母管间间隙比、管径及来流流速相关的冲刷坑深度理论公式,该理论公式与试验结果吻合良好,可预测子母管下泥沙的冲刷。通过试验可知,雷诺数及子母管间间隙对冲刷坑深度有较大的影响。在一定雷诺数下,子母管间间隙越小,冲刷坑深度越大,泥沙输移越也越严重。在管线间间隙比不变时,雷诺数增加同样能加强管线下方冲刷。     

基于声呐图像的海上风电桩基局部冲刷实时监测研究

在江苏大丰某海上风电场选取代表机位,安装桩基局部冲刷实时监测系统对桩基周围海床进行实时监测,并和多波束水下地形测量成果进行对比分析。结果表明：该系统实时监测效果较好,与多波束的测量结果相吻合,其最大优势在于能长期实时连续监测桩基周围海床的高程变化情况,掌握长期冲淤趋势。监测桩基海床已产生最大冲刷深度达8 m 的冲刷坑,为保障风机系统的安全稳定,建议及时采取冲刷防护措施,以防冲刷坑进一步发育。     

斜向波作用下斜坡海床上管线三维冲刷不均衡性研究

由于海床起伏不平,斜坡的存在必然改变波浪对管线及海床的作用特性,进而影响管线三维冲刷。基于波浪港池实验,考虑规则波的作用,采用中值粒径为0.22mm的原型沙铺设与波浪传播方向成45°夹角的斜坡,研究斜向波作用下斜坡上海底管线的三维冲刷特性。通过测量管线下方冲刷坑宽度和深度的差异,分析管线三维冲刷的不均衡性。实验表明:管线的存在使斜坡上的波高有所降低;斜向波作用下管线三维冲刷的不均衡性表现为深度不均衡性和宽度不均衡性,宽度不均衡性主要是管后淤积泥沙的后移引起的,周期对三维冲刷不均衡性的影响比波高对其的影响程度大;管线自深海向近岸延展时,随水深的减小,冲刷深度分为缓慢发展阶段和快速发展阶段。     

水流作用下斜桩局部冲刷及流场变化试验研究

为研究水流作用下斜桩周围局部冲刷特性及流场变化并掌握斜桩同垂直桩的差异,本研究在不同流速条件下开展了包含反斜桩、垂直桩、正斜桩等多种工况的水槽试验,测量分析了斜桩的冲刷历时曲线、床面形态、沿程流速分布、最大冲刷深度等数据.结果表明:清水条件下斜桩周围局部冲刷坑及桩后沙丘尺度明显减小;斜桩桩前最大冲刷深度随倾角的增加而逐...     

Burial and scour around short cylinder under progressive shoaling waves

The results of a laboratory experimental program aimed at better understanding the scour around and burial of heavy cylindrical objects under oscillating flow on a sandy bed are described. This study was motivated by its application to the dynamics of isolated cobbles/mines on a sandy floor under nonlinear progressive waves, such as that occur in shallow coastal waters beyond the wave-breaking region. In the experiments, nonlinear progressive waves were generated in a long wave tank of rectangular cross-section with a bottom slope. Model mines (short cylinders) were placed on the sandy bottom and the temporal evolution of the bed profile and the velocity field in the near field of the object were observed. Experiments were conducted at relatively high Reynolds numbers for a range of flow conditions, which can be characterized by the Keulegan–Carpenter number and Shields parameter. Depending on the values of these parameters, four different scour regimes around the cylinder including periodical burial of cylinder under migrating sand ripples were observed; they were classified as: (i) no scour/burial, (ii) initial scour, (iii) expanded scour, and (iv) periodic burial cases. A scour regime diagram was developed and the demarcation criteria between different regimes were deduced. Semi-empirical formulae that permit estimation of the scour depth with time, the equilibrium maximum scour depth and length, and conditions necessary for the burial of the cylinder as a function of main external parameters are also proposed.     

Scour and burial mechanics of conical frustums on a sandy bed under combined flow conditions

The scour and burial of conical frustums placed on a sandy bed under waves alone (WA) and combined flows (CF) conditions was investigated. The observations indicate that equilibrium burial depth is smaller than burial of other objects such as short cylinders laying on a sand bed under equivalent hydrodynamic conditions. Truncated cone offers less resistance to the flow field due to its more round shape when compared to a horizontally placed short cylinder characterized by sharp edges. A smaller disruption to the flow field translates to less turbulent intensity and to smaller sediment transport capacity of the flow around the object and less burial. The equilibrium burial depth shows a significantly weaker dependency on the Shields parameter than on the Keulegan-Carpenter number, contrary to the case of finite short cylinders. A new empirical predictor based on the relative strength of the wave to the wave plus current velocity, the Keulegan-Carpenter number, and the Shields parameter is proposed for estimating the equilibrium burial of truncated cones under combined flows. Both the Keulegan-Carpenter number and the Shields parameter determine the width of the scour hole around the cone. The former however, is the most dominant parameter influencing the length of the scour hole.     

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。     

Experimental observations and evaluations of formulae for local scour at pile groups in steady currents

Bridge scour is recognized as one of the key factors that causes structure failures, which in turn leads to economic and life loss. In this study, flume tests of four typical arrangements of pier groups embedded in sand under steady clear water conditions were carried out to observe the process and maximum depth around piles of scour. The investigation included single pile, tandem piles, side-by-side piles, and 3 × 3 pile groups. Different conditions including different pile spacing, flow velocity, and water depth are considered. Moreover, the evaluation of design methods from the United States, New Zealand, and China was analyzed and compared through experimental and mathematical methods. The experimental results show that shielding and jetting effects are obvious in pile groups, which become less obvious with the increase of pile spacing. The dynamic process of scour around single pile and pile groups are quite different. Meanwhile, most of the predicted scour depths by these equations tend to be much larger than those from field data, which may lead to overdesign and consequently high construction cost. In addition, data from this study and some laboratory experiment data from previous work were used to derive the correction factors of a new scour prediction equation, which can be used to estimate the scour in a sand bed and agree well with the observations.     

单向流条件下单桩桩周冲刷过程特征试验研究

水流引起桩基周围地基冲刷是海洋工程中的经典课题,由于问题涉及流体动力学和土力学的交叉内容,加之试验技术和计算能力的限制,这一冲刷过程仍有很多方面尚待进一步厘清。开展10组室内水槽试验,研究了不同水深情况下定床和动床冲刷时单桩桩周局部冲刷深度的发展过程。在试验过程中,通过模型桩内放置摄像机实时监测桩周冲刷深度变化,得到桩周冲深边界及最大和最小冲深方位随时间的变化曲线。试验研究发现这一冲刷过程主要特征为:局部冲刷首先发生在桩(侧)前方并逐渐向桩周扩展,而桩后则先发生淤积后再冲刷;水深越大,流速越大,桩后淤积现象持续时间越短,桩周冲刷发展迅速、均匀,但达到稳定所需时间越久;桩周最大、最小冲深点首先分别位于桩的侧前方、桩后区域,随着试验进行会发生转变或波动。     

港珠澳大桥青州航道桥桥墩基础冲刷试验研究

桥墩基础冲刷是桥梁毁坏的重要因素,是桥梁基础设计的关键指标之一。目前国内外对于桥墩基础在复杂动力条件下冲刷深度的研究常采用物理模型试验方法,利用正态系列模型方法,在波流水槽中研究了水流、潮流和波流共同作用下青州航道桥索塔基础周围流态变化和局部冲刷特征。研究结果表明,桥墩最大冲刷深度和冲淤范围与水流流速、桥墩轴线与水流夹角和波浪等因素有关;在潮流最大流速和恒定流流速一致情况下,桥墩局部冲刷深度达到平衡后,将会达到与恒定流基本一致的最大冲深;波流共同作用下的最大冲刷深度比恒定流增加10%左右。设计桥墩形状在100年一遇水流和波浪共同作用下桥墩基础局部最大冲刷深度为13.7 m。     

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。