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水利工程论文-淤泥质海岸挖槽回淤预测的沉积动力学途径-以杭州湾试挖槽为例.doc

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水利工程论文-淤泥质海岸挖槽回淤预测的沉积动力学途径-以杭州湾试挖槽为例.doc

水利工程论文淤泥质海岸挖槽回淤预测的沉积动力学途径以杭州湾试挖槽为例摘要在淤泥质河口、海岸地区,港池和航道开挖后,挖槽内外经历着冲淤交替过程,在挖槽中由于水流作用的弱化,使得槽内淤积增加而冲刷减少,并随槽内深度增加而产生净淤积即回淤。挖槽回淤的沉积动力学途径,是建立在对冲淤机理分析和冲淤过程的合理概化基础上,可以构造半经验的回淤预报公式,也可为冲淤数学模型提供合理的结构和参数,关键是采用水动力强度指标,即水流及波浪引起的底部切应力τ或摩阻流U来界定冲淤发生的条件和衡量冲淤发生的规模此外还必需分析和表达挖槽工程区域水体含沙量的时空分布工程区沉积物的平面及柱状分布及其物理力学指标、沉速、淤积切力、冲刷切力、固结过程、流变参数等的实验测定。关键词挖槽回淤预测沉积动力学泥沙特性杭州湾1前言在淤泥质河口、海岸地区,港池和航道人工开挖后,挖槽内外都经历着冲淤交替的过程在挖槽中由于水流作用的弱化,使得槽内淤积增加而冲刷减少,与槽外相比,产生了因加深引起的净淤积,即回淤。挖槽回淤的沉积动力学途径,是建立在对冲淤机理的分析和冲淤过程的合理概化基础上的。通过分析与概化,可以构造半经验的回淤预报公式,也可为冲淤数学模型提供合理的结构和参数,或为动床物理模型提供确定比尺关系的依据。长期以来,水利及港口工程界广泛采用挟沙能力概念来分析挖槽的冲淤机理,用实际水体含沙量与挟沙能力的对比来概化冲淤过程,即对于某一水动力强度,水体含沙量高于挟沙能力S>S时,发生淤积,至S→S时淤积停止当S<S时发生冲刷,S→S时冲刷停止。由于挟沙能力S是与水动力强度联系在一起的,因此用实际水体含沙量与S的对比来概化冲淤过程,可以认为其实质上是一种动力学的分析途径。另一种动力学分析途径是采用水动力作用强度指标,例如水流及波浪引起的底部切应力τ或摩阻流速U,与沉积物的淤积特性和冲刷特性指标例如淤积切力τd、冲刷切力τc及相应的摩阻流速加以对比来界定冲淤发生的条件和衡量冲淤发生的规模。这样做,从动力学角度似乎更为直接。另外,当τ<τd时,淤积可一直进行下去直至S→0,而并无某一平衡含沙量与之相对应1冲刷也有类似情况。采用这一途径,要求1.1分析和表达工程所在区域的水动力作用强度,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虑近岸潮波变形及波浪变形引起的水流底切力的变化和挖槽内水流强度随流向与挖槽交角和开挖深度的变化。1.2分析和表达工程区域水体含沙量的时、空分布。1.3了解工程区域现场沉积物的平面及柱状分布,对代表性泥样进行物理、力学指标、沉速、淤积切力、冲刷切力、固结过程、流变参数等的实验测定。1.4建立反映冲淤过程的半经验预报公式或数学模型。国外在这一途径上的工作较多,早期有代表性的如Krone2、Patheniades1和Migniot.c3等。国内,较早的有天津塘沽新港新港回淤研究内部资料第一期。天津新港回研究组,1964年。、连云港等地区的工作4。对杭州湾试挖槽的回淤预测、分析也是按这一途径进行的,以此为例,简要分析如下。2挖槽冲淤过程的概化及表达淤泥质浅滩挖槽中的泥沙冲淤,取决于潮流及波浪底切力与沉积物水动力特性之间的对比,冲淤量是滩槽几何因子、水力因子和泥沙因子的综合结果,具体地2.1在海岸浅滩场合,水体含沙量主要来源于浅滩波浪掀沙。波浪掀沙主要发生在破波带,破波带外则主要来自近岸潮流对破波带内浑水的平流扩散输运5。在河口场合,流的输沙是主要的。2.2在一全潮过程中,当水流底切力超过沉积物的冲刷切力时,即τ>τc时发生冲刷,冲刷率又与淤泥的固结程度有关当水流底切力低于悬沙的淤积切力时,即τ<τd时发生淤积。挖槽与相邻浅滩相比,淤积历时加长且淤积率增大,冲刷历时缩短且冲刷率减小,从而导致挖槽回淤6。综合考虑挖槽中淤积历时T和冲刷历时T′随水动力、泥沙特性、滩槽水深比H/H0和流向交角的变化,可写出T和T′的表达式12挖槽淤积量通过水流行经挖槽时,悬沙垂线分布因泥沙沉降而发生调整来加以反映,得全潮淤积量的解析式为3全潮冲刷量为4全潮回淤量即为DtE6。2式较6有所改进。以上诸式中,T为挖槽在一个全潮中的淤积历时σ为潮流圆频率,H为挖槽水深H0为挖槽外侧浅滩水深Ud为泥沙淤积摩阻流速K为非顺流时槽内流速折减率为挖槽外侧浅滩的水流摩阻流速峰值T′为挖槽在半个全潮中的冲刷历时Uc为沉积物冲刷摩阻流速ω为泥沙沉速εs为泥沙垂向交换系数S为水体含沙量M为沉积物冲刷系数。由上述挖槽回淤的计算式可知,在对冲淤过程经过相当概化的情况下,也要求通过一定的实验以确定泥沙特性参数Uc,M,Ud,εsω、不同流向的槽内流速折减率、以及通过现场资料分析获得S、U0等数值。立足于主要参数的实验室测定,是这一动力学途径的主要特点和物理可靠性的依据。由于现场沉积物取样及泥沙特性的实验测定,其取样及试验条件相对较易控制,因此在建立研究河口海岸泥沙问题的数学模型时,目前也日益广泛地通过实验测定泥沙参数来确定非平衡输沙的近底边界条件和控制方程中的源项。图1杭州湾东、西试挖槽位置示意图图2杭州湾东、西试挖槽实测回淤过程3杭州湾试挖槽工程概况试挖槽选择在规划中1航道东段东槽和中2航道西段西槽,轴向与潮流主方向夹角约20°图1。设计尺度及基建挖方量如表1。竣工日期,东、西槽分别为1993年4月13日和1993年4月3日。实测回淤过程如图2。统计表明,在上述竣工水深条件下,西槽冬季平均回淤强度为11.8mm/d,夏季为3.92mm/d,年均7.85mm/d东槽因在竣工前8天在槽口两侧集中边抛达68万立米土方,影响回淤观测精度,统计不易准确,不计及计入初期快速淤积,得年平均淤强分别为7.85mm/d和10.31mm/d。表1杭州湾试挖槽尺度滩面高程挖槽深度长宽设计深度设计边坡基建方量万方竣工槽底高程mmm纵横m东槽7.44.620008012.01∶501∶10130.912.0西槽8.93.815008012.015011057.4512.7理论最低潮面下4杭州湾水流作用强度4.1杭州湾内流场以潮流为主,以M2分潮占优势由于受地形影响,涨潮流主流由湾口向北岸方向幅聚,落潮流主流则向南偏移幅散涨落潮流速由湾口向湾内渐增实测大潮平均最大涨、落潮流速在湾口外嵊泗大长涂山为1.11~1.25m/s,进入湾内金山王盘山则增大为2.35~2.18m/s。以水流底切力作为水流作用强度指标,因涨、落急时流速分布近似于对数流速分布,即离底高度Z处的时均流速UU/κlnZ/Z05式中κ为卡门常数。摩阻流速UU2U1/5.75lgZ2/Z16式中U2、U1为离底高度Z2、Z1处的流速,水流切力τρU2。由杭州湾多站实测流速分布,得涨、落潮流峰值摩阻流速U0的分布如图3,可知杭州湾水流动力普遍较高。U0>10cm/s的区域,涨潮流时较小,仅限于湾口偏北,落潮流时扩展到金山咀以下的湾中至湾口区,落潮流水流动力强于涨潮流。U0.e和U0.f的平面分布比流速峰值的平面分布能更确切地反映水流动力场的面貌。图3杭州湾潮流底切力U.0分布图4流速与水深H/H0关系曲线4.2挖槽内水流动力的变化挖槽内垂线平均流速将比挖槽前即滩面垂线平均流速有所降低,这种变化与滩面水深H0、挖槽深度ΔH、水流与航槽的交角α以及挖槽宽度β有关,即H0,ΔH,α,β由水槽试验得到以α为参数的ΔH/H0~关系曲线如图47。杭州湾试挖槽内外的流速对比,图5示出竣工初期和竣后约4个月此时挖槽回淤厚度已达2m左右的槽内、外垂线平均流速比,可知,竣工初期,槽内流速低于槽外,小槽时尤为明显东槽0.7~0.8,西槽为0.85~0.9,与图4所示的试验结果基本一致。图5槽内外垂线平均流速比取近底流速与垂线平均流速之比Vb/表示挖槽内流速分布的特点,绘于图6,可知,竣工初期,槽内流速分布有显著变化,近底流速除东槽大潮外均明显降低。

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