擾動淤泥與沉積淤泥的流變特性研究論文

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1、擾動淤泥與沉積淤泥的流變特性研究論文摘要：為了分析不同沉積狀態(tài)的淤泥流變特性，本文將淤泥作為線性粘彈性體，提出了根據(jù)泥水系統(tǒng)控制方程解答和波浪在泥床上傳播時的實測變化規(guī)律求取淤泥流變參數(shù)的反分析方法，并利用遺傳算法分別求解攪勻(擾動)與自然沉積淤泥的流變參數(shù).結(jié)果表明，淤泥平均密度相同時，自然沉積淤泥的彈性模量明顯大于人工攪勻淤泥的彈性模量，兩者的粘性系數(shù)隨淤泥密度的變化規(guī)律也有明顯區(qū)別，這主要是由于沉積淤泥與攪勻淤泥的內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同所造成的.關(guān)鍵詞：自然沉積淤泥擾動淤泥流變特性波浪傳播在河口海岸粘性泥沙運動研究中.freel(m=1,…，M)組實驗，已知波浪周期T、波

2、高H、水深d1、水密度ρ1、水的粘性系數(shù)μ1、泥厚d2、泥密度ρ2,根據(jù)實驗測量結(jié)果可求得復(fù)波數(shù)kem.假定粘彈性參數(shù)已知，則根據(jù)式(11)可以求得第m組實驗條件下的復(fù)波數(shù)kcm.由于不存在統(tǒng)一的μe滿足所有實驗條件下(m=1,…，M)的式(11)，我們構(gòu)造一個極值問題來確定最具代表性的淤泥流變參數(shù)值.令：式中：kcm為μe的函數(shù)，則φ最小時的μe值即可認(rèn)為淤泥作為線性粘彈性體時的代表值.文獻5采用有約束的外部懲罰函數(shù)方法來反求μe值，存在對初值的依賴性高，最后收斂解難以確定等問題.這里我們采用遺傳算法10來求解式(12)，最終得到的μe值與初值無關(guān).1.4遺傳算法簡

3、介遺傳算法是通過模擬生物進化來求解問題空間解的一種方法，在處理極值優(yōu)化問題時，特別是目標(biāo)函數(shù)具有局部極值或?qū)?shù)不連續(xù)時，非常有效.遺傳算法的主要思路如下：在求解問題時，遺傳算法首先從一定數(shù)量的隨機解(染色體)即種群出發(fā)，開始進行進化計算，種群中第一代的每一個染色體經(jīng)過一定的遺傳操作，如變異、雜交和選擇等，形成第二代種群，上述過程重復(fù)進行直至得到預(yù)定代數(shù)的種群，在最后的種群中，可能有一個染色體占有絕對優(yōu)勢，它就代表了所求問題的優(yōu)化解.近年來遺傳算法在各個學(xué)科得到了廣泛應(yīng)用10，我們采用了Houck等建立的MATLAB遺傳算法工具箱求解了式(12).2實驗測量在天津大學(xué)海

4、岸工程實驗室內(nèi)的波浪水槽內(nèi)進行了波浪在攪勻和沉積泥床上的波浪傳播實驗.實驗中的攪勻泥床指的是根據(jù)實驗所需的淤泥密度，向初始密度比較大的淤泥中配置不同的自來水，進行充分?jǐn)嚢栊纬傻膹哪啻脖砻娴侥啻驳撞棵芏染鶆虻挠倌啻?；沉積泥床是把淤泥和水進行充分?jǐn)嚢?，形成密度?120kg/m2左右的均勻泥水混合液，經(jīng)過自然沉積不同天數(shù)而形成的泥床，本次試驗中沉積泥床最少沉積天數(shù)為4天，最大沉積天數(shù)達(dá)53天.實驗用泥取自天津新港，關(guān)于實驗用泥的處理、實驗布置及測量方法詳見文獻8.根據(jù)水槽內(nèi)波高傳感器的實驗結(jié)果可以得到波浪在泥床上傳播時的波長和波高指數(shù)衰減率，由此便可以求得實測復(fù)波數(shù)ke，

5、從而反求淤泥粘彈性參數(shù).表1列出了攪勻與沉積泥床上的實驗條件.表1攪勻與沉積泥床實驗條件3攪勻和沉積淤泥流變特性的比較無論攪勻泥床還是自然沉積泥床，當(dāng)淤泥密度較大時，波浪在床面上的衰減都很小，通過反分析方法難以合理確定淤泥粘彈性參數(shù)，所以對于攪勻和自然沉積淤泥，我們分別采用泥密度在1401kg/m3和1336kg/m3以下的數(shù)據(jù)來反求淤泥粘彈性參數(shù).圖1和圖2分別顯示了把淤泥作為線性粘彈性體時，根據(jù)波浪在泥床上傳播的實驗結(jié)果反求出的攪勻泥床和自然沉積泥床的彈性模量和粘性系數(shù)，由此可以近似擬合出攪勻淤泥、自然沉積淤泥的粘彈性參數(shù)與密度的關(guān)系如下式中：下標(biāo)m、d表示攪勻淤

6、泥和自然沉積淤泥，擬合曲線分別見圖1、2中的實線和虛線.圖1攪勻與自然沉積淤泥的彈性模量圖2攪勻與自然沉積淤泥的粘性系數(shù)根據(jù)反求出的不同密度時的粘彈性參數(shù)和擬合公式可知，相同平均密度條件下，自然沉積泥床的彈性系數(shù)一般比攪勻泥床的彈性系數(shù)大4倍以上.由于彈性系數(shù)增大，在波浪條件相近時，與攪勻泥床密度接近的自然沉積泥床的運動強度一般比較小，這與水槽實驗觀測到的現(xiàn)象是吻合的.沉積淤泥與攪勻淤泥相比彈性系數(shù)的增大，表明淤泥內(nèi)在結(jié)構(gòu)的增強，攪勻淤泥結(jié)構(gòu)受到破壞而彈性模量降低，沉積淤泥經(jīng)過較長時間的壓縮變形，淤泥內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊密，因此彈性較大.由圖2可知，對于攪勻泥床，其粘性系數(shù)隨泥

7、密度增大而增大；而對于自然沉積泥床，其粘性系數(shù)隨泥密度的增大而減小.攪勻淤泥由于結(jié)構(gòu)受到破壞，波浪作用下呈現(xiàn)出較強的運動，密度愈大其內(nèi)部摩擦愈大，因此呈現(xiàn)粘性系數(shù)隨密度增大而增大的現(xiàn)象.沉積淤泥粘性系數(shù)隨淤泥密度增大而減小，表明在波浪作用下泥床內(nèi)部結(jié)構(gòu)隨淤泥密度的增大而愈來愈不易受到破壞，因此愈來愈趨近于完全彈性體.根據(jù)大量水槽實驗結(jié)果，攪勻泥床與自然沉積泥床上的波浪傳播特性有明顯區(qū)別，如對于新港淤泥，攪勻泥床在泥密度為1.34g/cm3左右時波浪衰減率最高；而對于自然沉積泥床，平均泥密度為1.24g/cm3左右時波浪衰減率最高.本文的計算結(jié)果說明，