考虑渗流效应的冲流带泥沙起动机理研究

为揭示内部渗流对海岸冲流带泥沙起动的影响,系统地开展了斜坡海床冲流特性与泥沙起动机理研究。通过室内水槽开展了孤立波在可渗透和不可渗透斜坡海床上的冲流试验,测试了冲流过程中波高、波速等变化规律;建立了渗透海床冲流数值模型并通过试验结果进行验证;深入分析了床面渗流对其波浪流场动态特征以及床面泥沙起动的影响机理。研究表明,床面渗流作用加剧波浪的不对称性,在波浪上冲过程中因床面强入渗作用而增大了床面切应力;回流过程因入渗所造成流量损失而导致床面切应力减小。床面渗流引起床面颗粒有效重度和切应力变化而导致泥沙希尔兹数大大增加,加剧了泥沙起动现象,且床面切应力改变是引起泥沙希尔兹数变化的主要因素。     

波流边界层水沙运动数值模拟——I:水动力模拟

波流边界层水动力模拟对研究波流相互作用和泥沙运动具有重要的理论意义和实践价值。开发了波流边界层1DV垂向一维水动力数值模型,可用于模拟漩涡沙波床面和平底床面水动力特征。模型的构建基于边界层控制方程,平底床面采用k-ε模型,沙波床面采用双层模型,提出了漩涡层和紊动扩散层交界面紊动动能和紊动耗散率表达式。试验资料验证表明,模型较好地模拟了波浪-水流-床面共同作用下的边界层水动力特征,包括波周期内不同相位流速分布、紊动动能、剪切应力等以及波致时均流速分布和波流相互作用下的时均流速分布等。根据所建模型,讨论了不同床面和波流组合条件下的水动力特征。该模型可为研究波流边界层内水动力特征提供工具。     

波流边界层水沙运动数值模拟——Ⅲ.底部高含沙层模拟

为了解析底部高含沙层特征,研究了物理影响机制和时均含沙量剖面。采用波流边界层1DV泥沙数学模型,结合试验资料,通过设置不同的计算工况进行了影响因素敏感性分析;在此基础上,提出波浪相关的时均泥沙扩散系数分布,考虑主要影响机制,推导了基于边界层物理过程的波浪作用下时均含沙量剖面表达式。结果表明,底部高含沙层与波浪边界层密切相关,是受水动力和床面形态综合影响的结果。仅建立高含沙层与水动力或床面形态的单一关系是有局限性的。含沙量层化效应和制约沉速对底部高含沙层具有重要影响。提出的平底床面含沙量剖面表达式为幂函数-Rouse-指数分布,漩涡沙波床面为指数-幂函数-Rouse分布。预期可应用于二维和三维泥沙数值模拟。     

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。     

强潮河口区近底部沉积动力过程的高分辨率观测与分析

现场试验表明,三角架观测系统稳定性良好,获取了边界层内多层位、连续的温、盐、流速、浊度同步观测数据,适用于浅海近底部沉积动力过程高分辨率观测及物质输运研究。观测结果显示:观测期间,边界层内存在向陆的余流,并呈现逐渐减小的趋势,其主要由涨、落潮流的不对称造成,大风天气和密度环流亦是影响余流强弱的重要因素;观测期间多数时刻底部切应力大于起动切应力,底质沉积物可产生明显的搬运甚至再悬浮;悬沙浓度对沉积动力的响应在涨、落潮,大、小潮阶段均有各自的特点,水动力的变化、潮流加/减速时间的长短、床面泥沙的供应量、上部水体泥沙的沉降是导致悬沙浓度变化的主要原因;底部边界层内,涨、落潮期间不对称输沙导致潮周期内悬沙净向河口湾内输运。     

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。     

渗流作用下床面切应力响应机理

由于河床底部渗流的引入,传统的床面切应力测量方法不再适用,床面切应力对渗流的响应机理研究目前仅限于基于相关假定的理论分析和间接的推算,不同学者得出不同甚至相反的结论.利用自行设计的渗流床面切应力直接测量装置,对不同明渠水流及渗流组合动力条件下的床面切应力进行了测量.结果表明渗流作用下床面切应力变化与相对渗流强度v_s/U关系密切,一般在|v_s/U|<0.2%时出现拐点,在0.2%<|v_s/U|<0.4%时出现临界点,并指出相对渗流强度v_s/U的取值是已有研究成果相矛盾的关键因素.     

波浪及波流边界层泥沙起动规律

基于波浪边界层理论及单向流泥沙起动Shields曲线,推证出波浪泥沙起动Shields曲线;基于波流边界层理论,提出表述波流边界层动力特征的波流比因子X及非线性作用因子Y,并建立了Y与X的相关关系;在此基础之上,结合单向流及波浪泥沙起动Shields曲线,推证出波流共同作用下泥沙起动Shields曲线。结果表明:波浪泥沙起动Shields曲线在层流区与单向流光滑紊流区曲线保持一致,粗糙紊流区与单向流粗糙紊流区曲线保持一致,过渡区线型为折线,由层流区及粗糙紊流区曲线延长交汇获得;X及Y能够合理地表征波流边界层动力对比特征及非线性作用特征;波流泥沙起动Shields曲线介于波浪及单向流泥沙起动Shields曲线之间,随着波流比因子X的不同,依据非线性作用因子Y,自动在波浪及单向流泥沙起动Shields曲线之间非线性过渡。建立的波流泥沙起动Shields曲线与试验结果吻合较好,且能够概括单向流、波浪及波流等不同动力及细沙、粗沙等不同粒径的泥沙起动条件。     

波浪及波流边界层泥沙起动规律

基于波浪边界层理论及单向流泥沙起动Shields曲线,推证出波浪泥沙起动Shields曲线;基于波流边界层理论,提出表述波流边界层动力特征的波流比因子X及非线性作用因子Y,并建立了Y与X的相关关系;在此基础之上,结合单向流及波浪泥沙起动Shields曲线,推证出波流共同作用下泥沙起动Shields曲线。结果表明:波浪泥沙起动Shields曲线在层流区与单向流光滑紊流区曲线保持一致,粗糙紊流区与单向流粗糙紊流区曲线保持一致,过渡区线型为折线,由层流区及粗糙紊流区曲线延长交汇获得;X及Y能够合理地表征波流边界层动力对比特征及非线性作用特征;波流泥沙起动Shields曲线介于波浪及单向流泥沙起动Shields曲线之间,随着波流比因子X的不同,依据非线性作用因子Y,自动在波浪及单向流泥沙起动Shields曲线之间非线性过渡。建立的波流泥沙起动Shields曲线与试验结果吻合较好,且能够概括单向流、波浪及波流等不同动力及细沙、粗沙等不同粒径的泥沙起动条件。     

太湖疏浚前后波浪扰动下的底泥再悬浮特征

在室内波浪水槽中,研究不同底泥容重、不同波浪动力条件下底泥的再悬浮特征.结果表明:静止状态下,水体垂向悬浮物浓度差别不大,小波作用时底泥未普遍起动,各层悬浮物浓度增加不明显.随着大波浪的作用,底部切应力远大于底泥起动临界切应力,水体悬浮物浓度急剧增加,10 min内悬浮物浓度增加10 ～ 15倍,60 min内再悬浮量...     

波,流联合作用下的近岸海底沙波稳定性研究进展

近岸海底大型沙波是一种研究较为薄弱的地貌单元，但它的迁移对港口、航道和海底电缆及钻井平台、输油管道等海洋工程设施建设造成的危害极大。在综述目前国内外有关研究文献的基础上，概要地介绍了作者提出的一种较为简便、省力和有效的沙波迁移速率和沙波稳定性定量评价和预测方法，旨在提高航道通航能力和海洋工程建设的灾害防治和预测能力     

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%。     

Impacts of a Wave Farm on Waves,Currents and Coastal Morphology in South West England

This study investigates impacts of a wave farm on waves, currents and coastal morphology adjacent to the wave farm, which is located in the Southwest of England (the Wave Hub). In this study, we focus on the interaction between waves and tides due to the presence of the wave farm and its effects on wave radiation stresses, bottom shear stresses and consequently on the sediment transport and the coast adjacent to the wave farm, using an integrated numerical modelling system. The modelling system consists of the near-shore wave model SWAN, the ocean circulation model ROMS and a sediment transport model for morphological evolution. The results show that tidal elevation and tidal currents can have a significant effect on waves and that tidal forcing and waves have a significant effect on bottom shear stresses. Waves can impact on the processes related to the bottom boundary layer and mixing intensity in the water column. The wave farm has an impact on the gradients of radiation shear stresses and bottom shear stresses that modify current speeds and wave heights, which in turn impact on the near-shore sediment transport and the resulting morphological changes. Bed load transport rates show a decrease when the wave farm is present, even during storm conditions. The results highlight the importance of the interactions between waves and tides when modelling coastal morphology with presence of wave energy devices.     

A semi-empirical approach for estimation of bed shear stress in a tailings pond

Wind-driven waves and currents exert shear stress on the bed of a tailings pond. A semi-empirical approach for estimating this bed shear stress is presented in this paper. For the first time in a mine tailings storage facility, the current-induced component of the bed shear stress was obtained using 1,200-kHz acoustic Doppler current profiler measurements of in situ currents and a log-law fit to the mean velocity profiles, while the wave-induced portion was calculated using empirical wave hindcasting equations. The total bed shear stress was obtained by non-linear addition of wave and current components using a wave–current interaction approach. The study was conducted in the middle cell of the Shebandowan tailings storage facility, northern Ontario, Canada. The measured currents facilitated the visualization of the complex near-bed circulatory flow pattern in the pond. The estimated combined wave–current bed shear stress varied from 0.0006 to 0.16 Pa with an average value of 0.028 Pa. The results also showed that linear addition of bed shear stresses due to waves and currents could underestimate the total bed shear stress. A comparison of the results of the present work to those of previous studies suggests that it is more reliable to obtain current-induced bed shear stress from field measurements than to estimate it from empirical equations.     

多向波浪作用下大尺度墩柱所受波浪力的试验研究

波浪力是作用在离岸建筑物上的主要荷载,准确预测作用在结构上的波浪力在实际工程设计中极其重要,它决定着该结构是否能够安全可靠地工作。目前的研究大多集中在单向波浪作用下结构物所受的波浪力,而真实的波浪是三维多向不规则波浪。基于物理模型实验,系统地研究了多向不规则波浪作用下大尺度墩柱所受波浪力的特性。结果表明波浪的方向分布对波浪荷载具有明显的影响,尤其是对横向力,在方向分布宽度较大时,作用在墩柱上的横向力可达此时作用在墩柱上正向力的40%,这在实际工程设计中不能忽略。     

明渠水流自由面失稳与滚波发育研究

滚波(roll wores)是明渠均匀水流自由面失稳后发育的一系列波动现象.它的发生会带来诸多不利后果,如溢流、掺气、对河(渠)道水工建筑物的超负荷压力或应力等.滚波具有浅水长波的特征,因而利用一维浅水方程开展滚波问题的研究,取得了丰富的成果:如判定自由面稳定性的临界弗劳德数、演化方程的理论解及试验、数值研究等.构建能够更好地刻画滚波波动特征的理论模型,研究浑水、动床(包括床面变形)条件下滚波的形成及其演化规律,是今后滚波研究的一个重要方向.     

岩体夹层应力波能量演化及应力响应特征分析

夹层是常见的地质结构,在地震或爆破荷载作用下,夹层对应力波的传播以及对岩体的响应具有重要的影响。以往对应力波在夹层介质中传播的研究多集中于夹层对应力波的隔振或透射性能,而对应力波在夹层中的多次折、反射过程中能量的演化规律缺乏讨论,对夹层介质的应力响应与破坏没有开展较好地分析。通过理论方法对应力波在夹层内部传播过程中的能量系数的变化规律进行了研究,分析了岩体介质波阻抗和应力波入射角对夹层内外介质中累积波动能量系数的影响规律,以及平面型边坡中软弱夹层的应力响应特征和动态稳定性。研究发现,应力波在夹层内部往复反射过程中,夹层内剩余应力波能量随折、反射发生次数呈指数曲线下降,第4次折、反射后产生的应力波能量可以忽略;夹层内外介质中应力波的累积能量系数的差异随着夹层内外介质波阻抗的相对差异的增大而增大。在平面谐波入射下,边坡内部的夹层中的剪应力和抗剪强度呈波动变化;相对P波,SV波入射会产生较高水平的剪应力,对边坡稳定性影响最大。且SV波入射时,边坡的安全系数对夹层的倾角变化更为敏感,随倾角增大而迅速降低。     

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。     

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。