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《淤泥質(zhì)海岸挖槽回淤預(yù)測的沉積動力學(xué)途徑-以杭州灣試挖槽為例.doc》由會員上傳分享,免費在線閱讀,更多相關(guān)內(nèi)容在學(xué)術(shù)論文-天天文庫。
1、淤泥質(zhì)海岸挖槽回淤預(yù)測的沉積動力學(xué)途徑-以杭州灣試挖槽為例摘要:在淤泥質(zhì)河口、海岸地區(qū),港池和航道開挖后,挖槽內(nèi)外經(jīng)歷著沖淤交替過程,在挖槽中由于水流作用的弱化,使得槽內(nèi)淤積增加而沖刷減少,并隨槽內(nèi)深度增加而產(chǎn)生凈淤積(即回淤)。挖槽回淤的沉積動力學(xué)途徑,是建立在對沖淤機理分析和沖淤過程的合理概化基礎(chǔ)上,可以構(gòu)造半經(jīng)驗的回淤預(yù)報公式,也可為沖淤數(shù)學(xué)模型提供合理的結(jié)構(gòu)和參數(shù),關(guān)鍵是采用水動力強度指標(biāo),即水流及波浪引起的底部切應(yīng)力τ(或摩阻流U)來界定沖淤發(fā)生的條件和衡量沖淤發(fā)生的規(guī)模;此外還必需分
2、析和表達挖槽工程區(qū)域水體含沙量的時空分布;工程區(qū)沉積物的平面及柱狀分布及其物理力學(xué)指標(biāo)、沉速、淤積切力、沖刷切力、固結(jié)過程、流變參數(shù)等的實驗測定。關(guān)鍵詞:挖槽回淤預(yù)測沉積動力學(xué)泥沙特性杭州灣1前言 在淤泥質(zhì)河口、海岸地區(qū),港池和航道人工開挖后,挖槽內(nèi)外都經(jīng)歷著沖淤交替的過程;在挖槽中由于水流作用的弱化,使得槽內(nèi)淤積增加而沖刷減少,與槽外相比,產(chǎn)生了因加深引起的凈淤積,即“回淤”?! ⊥诓刍赜俚某练e動力學(xué)途徑,是建立在對沖淤機理的分析和沖淤過程的合理概化基礎(chǔ)上的。通過分析與概化,可以構(gòu)造半經(jīng)驗的
3、回淤預(yù)報公式,也可為沖淤數(shù)學(xué)模型提供合理的結(jié)構(gòu)和參數(shù),或為動床物理模型提供確定比尺關(guān)系的依據(jù)。 長期以來,水利及港口工程界廣泛采用挾沙能力概念來分析挖槽的沖淤機理,用實際水體含沙量與挾沙能力的對比來概化沖淤過程,即對于某一水動力強度,水體含沙量高于挾沙能力(S>S*)時,發(fā)生淤積,至S→S*時淤積停止;當(dāng)S<S*時發(fā)生沖刷,S→S*時沖刷停止。由于挾沙能力S*是與水動力強度聯(lián)系在一起的,因此用實際水體含沙量與S*的對比來概化沖淤過程,可以認(rèn)為其實質(zhì)上是一種動力學(xué)的分析途徑?! ×硪环N動力學(xué)分析
4、途徑是采用水動力作用強度指標(biāo),例如水流及波浪引起的底部切應(yīng)力τ(或摩阻流速U*),與沉積物的淤積特性和沖刷特性指標(biāo)(例如淤積切力τd、沖刷切力τc及相應(yīng)的摩阻流速)加以對比來界定沖淤發(fā)生的條件和衡量沖淤發(fā)生的規(guī)模。這樣做,從動力學(xué)角度似乎更為直接。另外,當(dāng)τ<τd時,淤積可一直進行下去直至S→0,而并無某一平衡含沙量與之相對應(yīng)[1];沖刷也有類似情況。采用這一途徑,要求:1.1分析和表達工程所在區(qū)域的水動力作用強度,在河口、海岸工程中,一般用水流或波浪引起的底切力(或摩阻流速)表示;要考慮近岸潮
5、波變形及波浪變形引起的水流底切力的變化和挖槽內(nèi)水流強度隨流向與挖槽交角和開挖深度的變化。1.2分析和表達工程區(qū)域水體含沙量的時、空分布。181.3了解工程區(qū)域現(xiàn)場沉積物的平面及柱狀分布,對代表性泥樣進行物理、力學(xué)指標(biāo)、沉速、淤積切力、沖刷切力、固結(jié)過程、流變參數(shù)等的實驗測定。1.4建立反映沖淤過程的半經(jīng)驗預(yù)報公式或數(shù)學(xué)模型?! 庠谶@一途徑上的工作較多,早期有代表性的如Krone[2]、Patheniades[1]和Migniot.c[3]等。國內(nèi),較早的有天津塘沽新港新港回淤研究(內(nèi)部資料)
6、第一期。天津新港回研究組,1964年。、連云港等地區(qū)的工作[4]。對杭州灣試挖槽的回淤預(yù)測、分析也是按這一途徑進行的,以此為例,簡要分析如下。2挖槽沖淤過程的概化及表達 淤泥質(zhì)淺灘挖槽中的泥沙沖淤,取決于潮流及波浪底切力與沉積物水動力特性之間的對比,沖淤量是灘槽幾何因子、水力因子和泥沙因子的綜合結(jié)果,具體地:2.1在海岸淺灘場合,水體含沙量主要來源于淺灘波浪掀沙。波浪掀沙主要發(fā)生在破波帶,破波帶外則主要來自近岸潮流對破波帶內(nèi)渾水的平流——擴散輸運[5]。在河口場合,流的輸沙是主要的。2.2在一
7、全潮過程中,當(dāng)水流底切力超過沉積物的沖刷切力時,即τ>τc時發(fā)生沖刷,沖刷率又與淤泥的固結(jié)程度有關(guān);當(dāng)水流底切力低于懸沙的淤積切力時,即τ<τd時發(fā)生淤積。挖槽與相鄰淺灘相比,淤積歷時加長且淤積率增大,沖刷歷時縮短且沖刷率減小,從而導(dǎo)致挖槽回淤[6]。綜合考慮挖槽中淤積歷時T和沖刷歷時T′隨水動力、泥沙特性、灘槽水深比H/H0和流向交角的變化,可寫出T和T′的表達式(1)(2)挖槽淤積量通過水流行經(jīng)挖槽時,懸沙垂線分布因泥沙沉降而發(fā)生調(diào)整來加以反映,得全潮淤積量的解析式為18(3)全潮沖刷量為
8、(4)全潮回淤量即為Dt-E[6]。(2)式較[6]有所改進?! ∫陨现T式中,T為挖槽在一個全潮中的淤積歷時;σ為潮流圓頻率,;H為挖槽水深;H0為挖槽外側(cè)淺灘水深;U*d為泥沙淤積摩阻流速;K為非順流時槽內(nèi)流速折減率為挖槽外側(cè)淺灘的水流摩阻流速峰值;T′為挖槽在半個全潮中的沖刷歷時;U*c為沉積物沖刷摩阻流速;ω為泥沙沉速;εs為泥沙垂向交換系數(shù);S為水體含沙量;M為沉積物沖刷系數(shù)?! ∮缮鲜鐾诓刍赜俚挠嬎闶娇芍?,在對沖淤過程經(jīng)過相當(dāng)概化的情況下,也要求通過一定的實驗以確定泥沙特性參數(shù)(U*c