海啸波作用下泥沙运动——Ⅰ.岸滩剖面变化分析

在波浪水槽实验的基础上,对海啸波作用下的岸滩剖面演变规律开展研究。实验采用1/10~1/20的组合坡度,考虑3种不同的水深,选取N波作为入射波,同时采用规则波和非规则波进行对比研究。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。研究结果表明,水动力特性的不同造成了N波与规则波和不规则波作用下不同的岸滩剖面演变特点。N波作用下发生了明显的岸滩冲刷和淤积,水流回落时滩肩发生冲刷,高速薄层回流和出渗水流作用是滩肩冲刷的主要原因,离岸区水跃发生水流挟沙力降低,泥沙淤积呈沙坝剖面。     

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。     

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——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——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。     

规则波作用下刚性挺水植物波生流试验研究

通过在波浪水槽中进行一系列物理模型试验研究规则波作用下刚性挺水植物波生流特性,测试了2种水深和不同入射波况条件下的波生时均流速并对比了挺水植物有茎与无茎时波生流的情况,基于假设检验分别对挺水植物的拖曳力长度尺度、植物特征参数建立模型。研究结果表明:在茎密度为60株/m2时,波生流仍以根部作用为主要因素,对沉水植物公式进行拓展,据此提出挺水植物时均流速最大值预测公式;茎部对时均流速均方根具有衰减作用,且茎部在根部及根部上方区域产生的相对衰减强度,与厄塞尔数呈抛物线函数关系;在簇状根系分布下,茎部对垂向流速结构起稳定作用,尤其是在时均流速最大值所对应的量纲一垂直位置。     

压实作用下广西典型红树林区沉积速率及海平面上升对红树林迁移效应的制衡

气候变化造成的海平面上升是迫使红树林向陆迁移的主要驱动力, 而其自身通过捕沙促淤不同程度的减缓了海平面上升速率的影响。基于广西典型红树林区8根短柱的210Pb测年和含水率分析, 以考虑/未考虑沉积物压实作用为研究情景, 通过对比研究红树林区潮滩地表高程抬升速率和相对海平面上升速率的大小关系, 揭示当前海平面上升对广西红树林向陆/向海迁移的驱动机制。研究发现:未考虑压实作用下的沉积速率约是考虑压实作用下沉积速率的1.00~1.34倍(平均1.12倍), 压实作用明显;压实沉积速率介于0.16~0.78 cm/a, 其底层压实沉积速率与潮滩地表高程抬升速率相等。压实作用下, 英罗湾和丹兜海红树林区的地表高程抬升速率小于相对海平面上升速率;与未考虑压实作用得到的结论相悖。由于广西红树林海岸大都建有防波堤, 限制了红树林向陆的迁移;表明英罗湾和丹兜海的红树林正面临海平面上升的威胁。压实作用校正与否对地表高程抬升速率与相对海平面上升速率相当的区域尤为重要。     

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。     

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。     

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。     

基于波前构建法的时间域深度偏移——delta波包途径

作为一种基于射线的局部瞬态场,delta波包源自高斯波束,是高斯波束在时空域的对偶表示,具有高斯波束的全部优点和缺陷。基于delta波包叠加的时间域深度偏移,当射线穿过高速岩体时,受折射效应影响,密度降低,进而导致delta波包的分布密度降低,使成像质量变差,甚至无法成像。为了弥补这个缺陷,本文采用波前构建法计算射线路径。波前构建法能够以插入射线的方式保证均匀的射线分布,从而保证delta波包以均匀的分布密度覆盖整个成像靶区,进而提高成像质量。在具体实现上,采用链表结构替代以往使用的数组结构。Sigsbee 2A模型的数值试算表明,利用波前构建法可以改善高速体下方区域的成像质量,而利用链表存储波前信息要比利用数组至少节省9%的CPU耗时。     

在沿岸流作用下的线性短峰波解析解

由于目前三维短峰波的研究甚少涉及普遍的波-流相互作用机制,为此,针对波浪倾斜入射岸堤、反射、并伴随强烈沿岸流作用的典型近海波况,构造出有限水深短峰波一般线性系统,并得到其一般解析解和特定的深水、浅水波解析解。从而,进一步完善了现有的线性水波理论体系,为非线性短峰波理论在波-流相互作用领域里的探讨提供了一个可靠基础。     

波流共同作用下流速垂线分布及其影响因素分析

大量波流相互作用的实验表明,当波浪顺流传播时,平均水面附近的流速减小,而当波浪逆流传播时,平均水面附近的流速增加.为了从理论上解释这种现象,从垂向二维Navier-Stokes方程出发,推导出波浪、潮流共同作用下的水流控制方程;采用微幅波理论简化控制方程,并引入Grant-Madsen波流边界层模型,得到波流共同作用下的紊动切应力及流速垂线分布表达式.通过和实验结果及数值结果的对比,结果预测值和实测值较为吻合,表明公式能反映波高变化及涡粘系数共同对流速垂线分布的影响,且简单实用.利用该公式分析了波浪顺流、逆流流速变化的原因.     

规则波作用下垂直圆管负浮力射流的数值模拟

高密度盐水排放是海水淡化领域一个复杂和常见的物理现象。为研究波浪作用下盐水射流的水动力特性,建立了规则波作用下垂直圆管负浮力射流三维水动力数学模型。利用试验数据对数值计算结果进行验证,两者吻合较好。基于数值计算结果,分析规则波作用下垂直圆管负浮力射流流体扩散特征,研究规则波对负浮力射流三维时均速度以及瞬时浓度的影响。结果发现:入射波波高和周期对射流中轴上量纲一平均垂向速度的衰减指数影响不大,而对衰减系数影响较大;随着波高或波周期的增加,射流特征速度半宽增加,射流中轴上量纲一平均垂向速度的衰减系数减小,有助于射流流体在环境水体中的扩散。另外,建立了考虑浮力效应的波-射流动量比影响的射流中轴上量纲一平均速度衰减系数、平均特征半宽公式,可以为相关实际工程提供一定的参考。     

内孤立波环境下圆柱和方柱受力特征——Ⅰ.物理实验

随着近岸海洋的开发,海洋石油钻井平台底部的柱状支撑以及海洋中石油管线等水下结构物的安全问题受到的关注日益增多。而内孤立波对水下结构物的安全有着不可忽视的影响,这就决定了内孤立波对柱体受力的研究在工程实践中具有重要意义。国内外就内孤立波对柱体作用力的物理试验研究较少,而在分层流环境下圆柱和方柱受力规律的对比研究更鲜有报道。在大型重力式分层流试验水槽中,借助一套新型且专用于分层流环境下的内孤立波造波及水动力测力系统,进行了内孤立波环境下柱体受力规律的试验研究。对比分析了不同内孤立波波幅对圆柱和方柱受力的作用规律。研究表明,在分层流环境下,随着内孤立波波幅的增大,圆柱和方柱所受的水平作用力均增大;相同波幅情况下,方柱相较于圆柱会受到更大的水平力。研究成果可为分层流环境中柱体设计及安全评价提供科学依据。     

交通荷载作用下地基中Love波的传播特性

Love波的传播特性对动力响应和工程勘探都具有重要意义。运用解析法建立了交通荷载作用下双层地基中Love波的特征方程和位移表达式,并对方程进行了求解,得到了不同交通荷载情况下地基中Love波的弥散特性和位移分布情况。结果表明,交通荷载作用下Love表面波的传播速度不仅与土层的剪切波速度有关,而且与土层的压缩波速度有关。     

内孤立波环境下圆柱和方柱受力特征——II.数值模拟

柱体受内波作用力的数值模拟大多针对圆柱展开,方柱在内波环境下受力特性研究较少。借助三维数值波浪水槽,采用大涡模拟（LES）技术研究了内孤立波的产生、传播及其对不同形状柱体的受力特性。对比分析了内孤立波波幅对圆柱和方柱受力的影响规律。研究表明,在分层流环境下,随着内孤立波波幅的增大,圆柱和方柱所受的水平作用力均增大;相同波幅情况下,无论在上层或下层水体,方柱表面的压力分布更不均匀,迎流面与背流面的压差更大,从而导致方柱相较于圆柱会受到更大的水平作用力。     

SH波作用下岩质边坡响应规律的解析探讨

基于弹性力学理论,推导了弹性波动方程,并给出了位移势函数的表达式.根据应力波传播理论建立了边坡中应力波传播模型,以SH波为例详细说明了边坡中不同部位的应力波叠加情况.将边坡的坡面和坡顶自由面解耦为2个相互独立的自由面,分别分析了2个自由面附近应力波场的叠加,并据此研究了边坡中波函数幅值变化情况,得到了边坡水平向动力放大...     

应力波作用下巷道层裂破坏的数值模拟研究

采用LS-DYNA软件,对扰动应力波作用下巷帮围岩层裂破坏结构的形成过程、扰动应力波强度pmax对层裂结构形成的影响进行了有效的数值模拟,得到了一定巷道围岩应力状态下巷帮围岩层裂结构的形状、厚度等特征。结果表明：扰动应力波是形成巷帮层裂结构,继而诱发冲击矿压的重要因素;扰动应力波的强度决定了是否形成巷帮层裂结构及其层裂结构的范围大小。研究结果对揭示煤矿冲击矿压的诱发机理,及采取有效地防治技术具有重要意义