人工沙滩工程水体水质净化数值模拟研究

受自然因素和人为因素共同影响,我国沿海地区的部分河口海岸地区地表水体水质条件无法满足人们观海、亲海需求,因此如何建设和改善水质型人工沙滩成为亟待解决的问题.以我国沿海某城市拟建人工沙滩工程水体项目中的水质为研究对象,本文利用MIKE21软件建立工程区域二维水动力数学模型,计算和分析了人工沙滩戏水区水体置换分布和置换效率...     

渗透潜堤对沙滩剖面演化影响的物理模型试验研究

由于对海岸景观和生态环境影响较小,渗透潜堤被广泛用于沙滩整治修复和侵蚀防护。在波浪水槽中开展物理模型实验,研究潜堤对沙滩剖面演化的影响。采用浪高仪阵列和激光扫描仪采集了水面高程变化和沙滩剖面高程,分析了波浪传播的相关水动力特征,包括波高沿程分布、透射系数、波浪能谱以及非线性指标(偏度和斜度),不同入射波浪和潜堤设置情况时沙滩剖面的变形特征,统计了沙滩侵蚀关键因子(岸线蚀退距离、单宽侵蚀量等),探讨了沙滩侵蚀与波浪条件、渗透潜堤特征参数之间关系,提出了沙滩侵蚀量与渗透潜堤无量纲特征参数的估算公式。研究表明:在堤顶破碎、大孔隙介质阻力和堤前反射综合作用下,入射至近岸沙滩的波浪能量降低,潜堤具有消浪和沙滩侵蚀防护作用;泥沙整体离岸输运,潜堤向岸侧淤积;对于实验考虑的工况,潜堤位置变化对沙滩防护效果的影响较小,堤顶宽度增加更利于消浪和滩面防护,潜堤对于较强的波浪表现出更好的沙滩防侵蚀效果。     

波浪与抛石潜堤相互作用的MPS法数值模型研究

为了研究波浪与抛石潜堤相互作用过程中大自由表面变形和堤内渗流等强非线性紊流运动问题,利用改进的MPS法,建立了模拟波浪与抛石潜堤相互作用的MPS法数值计算模型。模型将抛石潜堤假定为均质多孔介质,采用Drew的二相流运动方程描述多孔介质内外的流体运动;通过在动量方程中增加非线性阻力项,并引入亚粒子尺度紊流模型,模拟波浪与可渗结构物相互作用过程中的紊流运动。选取"U"型管中多孔介质内渗流过程和孤立波与可渗潜堤相互作用两个典型的渗流问题,通过将数值计算结果与理论解和实测值的对比分析,对所提出的MPS法紊流渗流模型的模拟精度进行验证。结果表明:基于改进的MPS法构建的垂向二维紊流渗流模型可以很好地再现"U"型管中多孔介质内渗流以及波浪作用下可渗潜堤内外的复杂流场,显著缓解流-固界面处的压力震荡与粒子分布不均匀问题,实现了较高的模拟精度。     

长江口南汇咀岸滩围垦工程潮流数值模拟研究

南汇咀岸滩地处长江河口最大浑浊带,是长江河口淤涨速度最快的岸滩,是上海市规划围垦的重点区域。目前上海在南汇咀岸滩上已实施了围垦工程,围垦工程改变了长江口南汇岸线,也改变了南汇咀的水动力条件。为了解围垦工程实施后的水动力条件的变化,本文利用Delft3D-flow建立了长江口-杭州湾垂向平均的二维水动力模型,在对现场实测资料验证良好的基础上,对南汇咀海域围垦工程前后的潮流场进行了数值模拟,就围垦工程对周边海域的影响进行了分析研究。同时,对比南汇咀围垦前后的海图,采用GIS方法分析地形变化,利用地形变化来进一步验证海域的水动力变化。结果表明:工程后,杭州湾北岸流速增强,地形冲刷加剧;南汇东滩流速减弱,地形淤涨。     

厦门岛黄厝沙滩蚀退的原因与防护工程

黄厝沙滩位于厦门岛的东南岸,长4.2km,走向为NE-SW.东距小金门岛4.6km.南距大担、二担等小岛4km.1956年至2001年的45a间,在优势的NE向风和浪的作用下,沙滩平均每年以约2m的速度后退.近20a来,由于人工挖砂和海岸工程不当等原因,黄厝沙滩受到更严重的破坏.在近年沿岸道路和绿化带的施工中,人为地把原来大于30°坡度的天然侵蚀陡坎削成小于10°并与沙滩连接成一个坡面的缓坡.强台风袭来时,出现了多处沙滩砂不受阻挡地冲越上马路,冲越高程超过黄零8.5～9.0 m.在宽40多米的环岛路上积砂厚达8～10 cm!为了有效地保护黄厝沙滩,防止海岸线继续后退,应当采取挡沙坝或"离岸坝"工程以阻止纵向泥沙搬运,同时在可能出现横向砂冲越上岸的岸段和侵蚀后退严重的岸段修建护岸和挡浪墙工程以阻挡台风时大量海滩砂向陆地冲越.     

潜堤研究中的几个问题

本文综述现有国内外一些潜堤方面的研究成果,对潜堤设计中的几个问题,如合理的断面型式;合理的堤顶相对标高α/H(α——潜堤堤顶水深,H——潜堤堤前原始波高);消波性能(即波高传递率)n=H_1/H(H_1——潜堤堤后波高,)及潜堤块体稳定重量 W_z 等进行了分析比较并对上述几个问题进行了探讨。     

潜堤结构型式及其透射系数研究

针对胜利油田某保滩促淤工程，进行了多种方案不同潜堤结构型式的优选，比较了其中四种结构型式，并对这四种结构型式的潜堤分别进行了波浪水槽试验，测试其透射系数，在此基础上，给出了计算潜堤透射系数的经验公式，为工程设计提供依据。     

聚焦波作用下透水潜堤消波特性数值模拟研究

基于非静压数值计算模型,本文系统研究了聚焦波作用下透水潜堤的消波特性,通过设置合理的计算工况,详细分析了波高、堤顶水深、谱峰周期、孔隙率以及堤顶宽度5种因素对透水潜堤消波特性的影响。与此同时,本文将透水潜堤的计算结果同不透水潜堤的计算结果进行了对比分析。计算结果表明：透水潜堤对聚焦波的消减作用要强于不透水潜堤,从而说明,透水潜堤能更有效地降低畸形波对海岸基础设施的影响;波高和堤顶水深是影响潜堤消波特性的重要因素,随入射波高增加、堤顶水深减小,透水潜堤对波浪的消减作用逐渐增强。透水潜堤对长周期波浪的消波效果较差。在本文考虑的孔隙率范围内,孔隙率越大,透水潜堤消波效果越好;当孔隙率为0.4,堤顶宽度为0.612 5 m时,透水潜堤可消减54%的入射波能,比不透水潜堤对入射波能的消减增加36.1%。本文研究结果可为进一步认识透水潜堤的消波特性和海岸防护工程设计提供相应的参考。     

一种新型抛石潜堤对砂质海滩防护作用的试验研究

借助不规则波波浪水槽,开展了两种重现期、三种设计水位下的典型岸滩剖面断面模型试验,对一种新型抛石潜堤的消浪能力、保滩促淤特性以及堤身块石的稳定性进行了研究.由试验资料分析可知:潜堤的消浪能力随堤顶相对水深d/h的增大而衰减,建堤位置的选取对潜堤的透射系数K、浪爬高衰减系数K*以及堤后岸滩冲淤变化有较大影响;堤身整体稳定...     

护岸工程与沙滩流失

沙滩是沿海地区重要的旅游休闲资源,护岸工程是沿海地区重要的防灾设施,护岸在保护陆地资源的同时有可能对沙滩产生破坏。传统护岸设计形式为硬性护岸,硬性护岸建成后将在一定程度上影响沿岸水动力环境,若护岸设计不当,易引起周围沙滩流失,造成旅游经济损失。本文通过威海九龙湾沙滩流失实例说明了硬性护岸对沙滩稳定性的影响,并通过波浪泥沙物理模型试验对沙滩修复方案进行了研究,试验发现因受原护岸影响修复后的沙滩仍将处于持续侵蚀状态,并介绍了其他类似案例。文中重点强调了护岸设计不当极易造成沙滩流失,对护岸设计、岸线规划等具有一定参考价值。     

多向聚焦波作用下透水潜堤消波特性数值模拟研究

本文采用非静压模型NHWAVE建立高精度三维波浪数值水槽,对多向聚焦波作用下透水和不透水潜堤消波特性进行数值模拟研究。通过计算结果与实验数据的对比,验证了该模型模拟多向聚焦波产生传播及多孔介质内流动的能力,进一步考虑了有效波高、水深、谱峰周期和传播角度等因素对潜堤消波特性的影响。结果表明：潜堤对多向聚焦波的最大波幅、最大水位、沿水深平均最大流速和波能均有显著消减作用,且透水潜堤因孔隙介质的存在消波性能更好。随着有效波高增大,堤顶处波浪破碎点前移,不透水潜堤消波性能受波高影响较大。水深越大,潜堤消波性能越低。透水潜堤对长周期波浪消减效果较差。传播角度越小,聚焦位置处波幅越大,波浪非线性作用越强。研究结果可为我们进一步保护沿海设施免受极端海洋环境的影响提供一定的参考     

潜堤后高阶自由谐波的研究

基于高阶边界元方法的完全非线性数值水槽模型模拟潜堤地形上波浪的传播变形,通过与实验值进行比较,考察数学模型的正确性.采用两点法分离得到堤后高倍频自由波来研究入射波参数、水深对堤后高倍频自由波的影响.研究发现:基频波、二阶和三阶自由波幅值分别与入射波波幅成线性、二次和三次函数关系,基频波幅值基本不随波浪周期变化,而二阶和...     

莺歌海三莺村岸段人工沙滩工程岸线数值模拟以及模型的验证方法

以乐东莺歌海三莺村岸段人工沙滩工程为例,其完工1年后的岸线监测结果,表明需要进一步对人工沙滩后的海滩岸线演变进行研究分析。通过GENESIS岸线演变模型模拟人工沙滩后的岸线变化,并尝试采用3种方法对模型进行验证。经过验证后,对人工沙滩工程后1年、3年、5年岸线变化进行了模拟分析。研究结果表明:GENESIS岸线演变模型对于包围型(拦沙堤和离岸堤结合方式)人工沙滩工程是适用的。工程完工1年后,补沙岸线形成了侵淤变化的凹凸弯曲岸线,侵淤幅度不大,5年后侵淤幅度变缓,开始逐渐趋于平衡。据此,也为人工沙滩后期的养护、补沙防护工作起到重要的参考作用。     

莺歌海三莺村岸段人工沙滩工程岸线数值模拟以及模型的验证方

以乐东莺歌海三莺村岸段人工沙滩工程为例,其完工1年后的岸线监测结果,表明需要进一步对人工沙滩后的海滩岸线演变进行研究分析。通过GENESIS岸线演变模型模拟人工沙滩后的岸线变化,并尝试采用3种方法对模型进行验证。经过验证后,对人工沙滩工程后1年、3年、5年岸线变化进行了模拟分析。研究结果表明:GENESIS岸线演变模型对于包围型(拦沙堤和离岸堤结合方式)人工沙滩工程是适用的。工程完工1年后,补沙岸线形成了侵淤变化的凹凸弯曲岸线,侵淤幅度不大,5年后侵淤幅度变缓,开始逐渐趋于平衡。据此,也为人工沙滩后期的养护、补沙防护工作起到重要的参考作用。     

恒定流对潜堤波浪反射系数影响研究

为研究恒定均匀流对直立潜堤波浪反射系数的影响,采用了高阶边界元方法和混合欧拉-拉格朗日时间步进方法更新瞬时自由水面,运用基于二次形状函数的网格重分方案结合四阶龙格库塔方法更新时间积分,并运用两点法得到淹没潜体前的反射系数。将数值模拟得到的波面数据与物理模型试验结果进行对比,两者吻合良好。通过数值模拟研究给出了入射波周期、水流流速、潜堤相对宽度和相对淹没深度对反射系数的影响。结果表明,水流流速和潜堤相对淹没深度对反射系数影响较大,潜堤相对宽度的影响相对较小;水流的存在会使入射波周期等参数对反射系数的影响程度发生改变,在实际工程设计时应考虑水流对潜堤防浪效果的影响。     

植被斜坡岸滩海啸波消减数值模拟研究

An explicit one-dimensional model based on the shallow water equations(SWEs) was established in this work to simulate tsunami wave propagation on a vegetated beach. This model adopted the finite-volume method(FVM)for maintaining the mass balance of these equations. The resistance force caused by vegetation was taken into account as a source term in the momentum equation. The Harten–Lax–van Leer(HLL) approximate Riemann solver was applied to evaluate the interface fluxes for tracing the wet/dry transition boundary. This proposed model was used to simulate solitary wave run-up and long-periodic wave propagation on a sloping beach. The calibration process suitably compared the calculated results with the measured data. The tsunami waves were also simulated to discuss the water depth, tsunami force, as well as the current speed in absence of and in presence of forest domain. The results indicated that forest growth at the beach reduced wave energy loss caused by tsunamis. A series of sensitivity analyses were conducted with respect to variable parameters(such as vegetation densities, wave heights, wave periods, bed resistance, and beach slopes) to identify important influences on mitigating tsunami damage on coastal forest beach.     

基于OpenFOAM的潜堤—双弧板组合结构水动力特性数值研究

鉴于双弧板式透空堤的消浪性能仍不理想,提出了一种潜堤—双弧板组合结构,并基于OpenFOAM软件建立了波浪与该结构相互作用的数值模型,采用试验结果对所建数值模型进行验证。在此基础上,讨论了该新型结构的消浪特性、波压力分布特征以及所受波浪力的影响因素。结果表明,透射系数随相对板宽的增大而减小,反射系数则相反。透射与反射系数随相对潜深的变化较为显著。当结构位于静水位上方（即相对潜深为-0.05）时,透射系数最小而反射系数最大;当结构位于静水位下方（即相对潜深为0.05）时,透射系数最大而反射系数最小。该组合结构两块弧板上下表面的正负压力变化关于横轴近似对称,不同测点处的压力值差异显著。水平波浪力与垂直波浪力的变化趋势大致相似,但垂直波浪力远大于水平波浪力。研究结果可为其工程应用提供理论指导与技术支撑。     

不同高度潜堤减淤效果水槽实验研究

潜堤高程是淤泥质海岸潜堤设计的关键要素之一。为了确定潜堤高程,首先根据已建潜堤工程的经验分析得出潜堤减淤的主要机理,即主要是阻挡了浮泥或底部高含沙水体直接进入航道和缩短了含沙水体进入航道的时间,进而在长水槽中开展了一系列比对实验,主要研究不同堤顶高程时的水流紊动、堤前浮泥起动、浮泥层厚度变化、堤后航道泥沙落淤情况等,并以此作为比选堤顶高度的基本依据。实验结果表明当相对高度即潜堤高度与堤前水深之比为0.2～0.5时,便有较好的减淤效果。     

潜堤对波浪传播变形的物理模型试验研究

以不可渗透光滑潜堤为研究对象,基于波浪水槽试验,分析了规则波和不规则波通过淹没梯形潜堤时的波浪外部形态变化以及内部能量变化规律。探讨了不同波浪要素(周期、波高、淹没水深)对潜堤附近波高影响的变化规律。同时,探究了潜堤斜坡坡度、堤顶淹没水深对波浪频谱在频域分布的影响。研究结果表明:当波浪通过潜堤时,波浪主频能量衰减,波浪能量由低频向高频移动;潜堤斜坡坡度越大、堤顶水深越小,波浪主频能量衰减越剧烈;波浪通过潜堤后高频波能量占潜堤次生波能量的1%~30%。     

部分反射直墙前潜堤水动力特性研究

基于线性势流理论,对部分反射直墙前潜堤的水动力特性进行了理论研究。利用匹配特征函数展开法给出了潜堤透射系数和反射系数的计算方法,计算结果与边界元方法的计算结果一致。利用数值算例分析了潜堤透射系数和反射系数的主要影响因素。增大部分反射直墙的反射系数,将加大潜堤的透射系数。随着潜堤相对宽度或潜堤与直墙之间相对间距的增加,潜堤透射系数和反射系数呈周期性变化,但变化规律相反。