水利工程論文-淤泥質(zhì)海岸挖槽回淤預(yù)測的沉積動(dòng)力學(xué)途徑-以杭州灣試挖槽為例.doc

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1、水利工程論文-淤泥質(zhì)海岸挖槽回淤預(yù)測的沉積動(dòng)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(dòng)力學(xué)途徑,是建立在對沖淤機(jī)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(yàn)的回淤預(yù)報(bào)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(dòng)力強(qiáng)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;此外還必需分析和表達(dá)挖槽工程區(qū)域水體含沙量的

2、時(shí)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(shí)驗(yàn)測定。?關(guān)鍵詞:挖槽回淤預(yù)測沉積動(dòng)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”。挖槽回淤的沉積動(dòng)力學(xué)途徑,是建立在對沖淤機(jī)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(yàn)的回淤預(yù)報(bào)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?yàn)閯?dòng)床物理模型提供確定

3、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(jī)理,用實(shí)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(dòng)力強(qiáng)度,水體含沙量高于挾沙能力(S>S)時(shí),發(fā)生淤積,至S→S時(shí)淤積停止;當(dāng)S<S時(shí)發(fā)生沖刷,S→S時(shí)沖刷停止。由于挾沙能力S是與水動(dòng)力強(qiáng)度聯(lián)系在一起的,因此用實(shí)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(shí)質(zhì)上是一種動(dòng)力學(xué)的分析途徑。另一種動(dòng)力學(xué)分析途徑是采用水動(dòng)力作用強(qiáng)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

4、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(dòng)力學(xué)角度似乎更為直接。另外,當(dāng)τ<τd時(shí),淤積可一直進(jìn)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(dá)工程所在區(qū)域的水動(dòng)力作用強(qiáng)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(qiáng)度隨流向與挖槽交角和開挖深度的變化。1.2分析和表達(dá)工程區(qū)域水體含沙量的時(shí)、空分布。1.3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

5、樣進(jìn)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(shí)驗(yàn)測定。1.4建立反映沖淤過程的半經(jīng)驗(yàn)預(yù)報(bào)公式或數(shù)學(xué)模型。國外在這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)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(jìn)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(dá)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(dòng)力特性之間的對比

6、,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(kuò)散輸運(yùn)[5]。在河口場合,流的輸沙是主要的。2.2在一全潮過程中,當(dāng)水流底切力超過沉積物的沖刷切力時(shí),即τ>τc時(shí)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(shí),即τ<τd時(shí)發(fā)生淤積。挖槽與相鄰淺灘相比,淤積歷時(shí)加長且淤積率增大,沖刷歷時(shí)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(shí)T和沖刷歷時(shí)T′隨水動(dòng)

7、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(dá)式(1)?(2)挖槽淤積量通過水流行經(jīng)挖槽時(shí),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(3)全潮沖刷量為(4)全潮回淤量即為Dt-E[6]。(2)式較[6]有所改進(jìn)。以上諸式中,T為挖槽在一個(gè)全潮中的淤積歷時(shí);σ為潮流圓頻率,;H為挖槽水深;H0為挖槽外側(cè)淺灘水深;Ud為泥沙淤積摩阻流速;K為非順流時(shí)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(gè)全潮中的沖刷歷時(shí);Uc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);

8、S為水體含沙量;M為沉積物沖刷系數(shù)。由上述挖槽回淤的計(jì)算式可知,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(shí)驗(yàn)以確定泥沙特性參數(shù)(Uc,M,Ud,εs;ω)、不同流向的槽

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