河海大学河口与海岸演变20161212.ppt

港口海岸与近海工程学院COLLEGEOFHARBORCOASTALANDOFFSHOREENGINEERING 河口与海岸演变 授课教师 张蔚南京 2016 12 第六章河口演变 河口主要的地貌 拦门沙和潮流深槽河口三角洲河口三角洲的演变侵蚀基准面及其对河口发育的影响河口形态的演变河口纵剖面的塑造河口的冲淤变化 治理河口一 认识 治理河口的方法二 河口航道治理规划的原则三 河口疏浚工程四 河口建闸 小河口 大河口的小支汊 第七章河口治理 长江口深水航道整治工程 一期 1998 20028 5米二期 2002 200510米三期 2006 201112 5米 疏浚工程量超过3亿立方米 按每一方土纵向堆放 疏浚土总方量可以围绕地球8圈 在长江口形成了长达数十公里的 拦门沙 区段 滩顶自然水深仅5 5 6 0米成为通海航道的碍航段 第七章河口治理 整治方案 南 北导堤工程 北导堤49公里 南导堤48公里 第七章河口治理 主要作用一是归集漫滩落潮水流和落潮分流 二是阻挡北槽两侧滩地泥沙在风浪作用下进入北槽航道 三是增强北槽的水流动力 并消除横沙东滩对北槽输沙带来的不利影响 6 第七章河口治理 整治方案 丁坝工程 主要作用是形成合理的治导线 使治导线范围内的流场分布有利于深水航道的成槽和维护 第七章河口治理 8 第七章河口治理 9 疏浚工程 主要作用是通过疏浚成槽 开挖及维护深水航道 第七章河口治理 讨论 导堤的布置 导堤的走向 与涨落潮流向一致 必要时固定分汊口 a 双导堤的间距根据单线航道或双线航道的要求确定过窄 影响纳潮量 导堤下游潮波反射厉害 引起淤积过宽 影响束水能力b 堤顶高程以最大落潮流时 水流归槽为最好 通常堤顶高程取在中潮位附近 同时注意到 堤顶不能过矮 避免大风天气下的泥沙因涨潮越过堤顶进入航道 导堤出口方向 口门适当放宽或错开 增加纳潮量 并考虑到口门泥沙的落淤问题 注意沿岸流的流向 第七章河口治理 三 河口疏浚工程 疏浚工程 采用挖泥船或其他机具进行水下挖掘土石方的工程 疏浚历史 早期 机械式疏浚系统当代 水力疏浚系统 包括扬吸式挖泥船 绞吸式挖泥船 耙吸式挖泥船 河口疏浚介绍 1 常用挖泥船介绍2 航道开挖后的淤积量估算3 疏浚泥土的处理 第七章河口治理 绞吸式挖泥船 装有绞刀和泥泵泥泵利用空气压力吸入泥土 对于疏浚深度有一定的限度 1 常用挖泥船介绍 第七章河口治理 自航耙吸式挖泥船 长 米 载重量 吨 抓斗容积 立方米 挖掘深度 米 航速 节 装有耙头和泥泵 第七章河口治理 装有吸泥管的自航海轮 吸泥管可伸出船玄或通过船体内的开槽进行耙吸 沪东中华300立方米耙吸式挖泥船下水 第七章河口治理 抓斗式挖泥船 第七章河口治理 抓斗式挖泥船有自航和非自航两种 自航式的一般带泥舱 泥舱装满后自航至排泥区卸泥 非自航式则利用泥驳装泥和卸泥 挖泥时运用钢缆上的抓斗 依靠其重力作用 放入水中一定的深度 通过插入泥层和闭合抓斗来挖掘和抓取泥沙 然后通过操纵船上的起重机机械提升抓斗出水面 回旋到预定位置将泥沙卸入泥舱或泥驳中 如此反复进行 斗轮式挖泥船 第七章河口治理 斗轮式挖泥船除了挖掘设备不同 其余与绞吸式挖泥船大同小异 斗轮式挖泥船转动轴与支臂成一定的角度 而绞吸式挖泥船绞刀头转动轴则平行于支臂 无人驾驶挖泥船 优点 体积小 适用于流场复杂 天气恶劣条件下 第七章河口治理 2 航道开挖后的淤积量估算 利用非恒定流连续方程 运动方程和输沙方程 建立泥沙输移的数学模型进行回淤率计算 对挖槽淤积量作出预报 第七章河口治理 另一种方法是从潮汐水流悬沙运动方程入手 7 4 第七章河口治理 特殊情况 p160 流量不变水流方向与航槽一致 第七章河口治理 使用方便 需要资料较少 缺乏严格性 误差范围较大 3 疏浚泥土 弃土 的处理 疏浚土可抛卸或沉积在三种不同类型的地区 吹泥造陆 在疏浚区域的邻近水下抛泥 其抛卸的泥土有可能转移至挖槽内 远距离抛泥 抛卸泥土不致影响泥区生态环境 第七章河口治理 3 疏浚泥土 弃土 的处理 常用的方法 水下抛泥将挖出的泥土用船舶送至抛泥地点 边抛法 随挖随抛 在枯季冲刷期水流挟沙力增大时宜用边抛 落潮流强 有利于边抛 泥沙颗粒细 在一定的流速下易被水流带动 宜用边抛 水流与挖槽的交角大 泥沙易于离槽 向岸边吹填 第七章河口治理 四 河口建闸 第七章河口治理 24 第七章河口治理 1 闸下淤积的原因 自然原因 历史原因和工程原因 第七章河口治理 自然原因 泥沙来源丰富 潮流的涨落运动产生强大的输沙能量 并将大量泥沙带入闸下河道 落潮是一个沿程冲刷的过程 但对于细粒泥沙而言 落潮流速小于起动流速 落潮含沙量明显小于涨潮含沙量 泥沙逐渐淤积 第七章河口治理 1 闸下淤积的原因 自然原因和工程原因 3 落潮流量减少由于闸身截断了上溯到潮区界的潮流量 潮棱柱体相应减少 纳潮容量相对变小 造成落潮平均流量 包括上游下泄径流量 也随之相应减少 4 潮波变形建闸后 挡潮闸下近闸河段的潮流由前进波变为驻波 改变了水力条件 是导致闸下泥沙进一步淤积的重要原因 5 引河两侧不断围垦 引河不断加长 加剧闸下淤积 第七章河口治理 工程原因 涨潮泥沙落潮带不出去 2 建闸后河床变形的估计方法 鉴于平原河流的河床在与水流长期相互作用下 可以建立水深 河宽 断面积 比降等与来水来沙之间的河相关系函数 利用河相关系 推到出河床重新达到平衡的河床断面尺寸 得到经验公式 第七章河口治理 3 闸下减淤措施 水力冲淤 A 逢大潮开闸冲淤B 低高潮时开闸冲淤C 利用水头差开闸冲淤D 纳潮冲淤机械清淤 A 机船拖淤B 机船挖淤C 水力冲塘 第七章河口治理 水力冲淤A 逢大潮开闸冲淤特点 大潮大淤 小潮小淤 做法 放水冲淤采用大潮大放 小潮小放的方法 尤其是大潮大放效果极为显著 第七章河口治理 水力冲淤B 低高潮时开闸冲淤特点 低高潮与高高潮相比 低高潮后落潮潮差较大 水位落到最低 落潮流速较大 做法 选择大潮汛的低高潮后开闸 可以获得相对较小的河道水深和较大的势能 从而增加冲淤效果 同时 还可以顶住下一个潮差较大的涨潮 第七章河口治理 水力冲淤C 利用水头差开闸冲淤特点 利用水头差开闸 由于势能的作用 可增加瞬时流速 加大瞬时流量 做法 1998年6月 9月 东滩中心河闸进行了不同水位差冲淤试验 共分3组 水头差分别为0 5m 1 0m和1 5m 试验结果见表1 第七章河口治理 水力冲淤D 纳潮冲淤 需考虑泥沙运动的滞后性p164 特点 纳潮冲淤是解决河口水力冲淤水源不足的有效方法 纳潮方式 a涨潮含沙量较高时控制纳潮 含沙量较低时加大纳潮 闸下水位较低冲刷 b 涨潮时加大纳潮 落潮后潮水位较高时放水冲刷试验结果表明 纳潮冲淤水源充沛 成本低 不与工农业生产争水 但上游淤积无法避免 第七章河口治理 机械清淤一般讲在上游水源有限 闸下河床比较坚硬 靠水流难以冲动的情况下 或者是在上游水源紧缺顺流搅动以增加落潮或上游来水带去沙量的情况下 用机械清淤能得到最佳效果 第七章河口治理 机械清淤A 机船拖淤闸下引河落潮含沙量明显小于涨潮含沙量 落潮时借助于机械的搅动 在同样的水流条件下 原来未能起动的床面泥沙便能起动和悬浮 使落潮或下泄径流挟带更多的沙量向下输送 这对于解决泥质河口淤积问题是一种经济而可行的清淤措施 对引河短 水深小的河道效果更为显著 第七章河口治理 机械清淤B 机船挖淤机船挖淤是一种经常性措施 简易绞吸式挖泥船清淤 早在1990年就已使用 它利用刀轴带动主附刀片旋转 切割水下泥层 使之绞成泥浆状态 通过泥浆泵将泥浆送至岸上 最大泥水输送距离可达100m 这种挖泥船体积小 造价低 工效高 操作方便 正常1h可挖30 40m3泥土 水下作业可深达2 2m 连续工效每昼夜可挖泥600 800m3 它适用于清除闸下附近河段淤积和汛前开槽保港等方面 第七章河口治理 机械清淤C 水力冲塘把水力冲挖机组开挖鱼塘技术应用到河道清淤疏浚工程中 实行机械与人工相结合的办法 具有节省劳力 提高工效的优点 第七章河口治理 工程措施 A 修筑导堤依据河口特性 因势利导地拟定合理的工程措施 才能取得好的效果 措施 在闸下河口一侧或两侧修筑导堤目的 改变水流条件 切断由风浪掀起的海滩泥沙补给源 减少涨潮流挟带进入引河的沙量 约束和稳定下泄径流 束水攻沙 改善并稳定出口水深 减少引河淤积 第七章河口治理 工程措施 B 合理确定闸下引河长度长引河 径流型 径流为主要动力 短引河 潮流型 潮流为主要动力 长引河当径流来量不足 极易导致水文泥沙的不平衡 造成严重淤积 短引河 实践证明这种河口淤积就较轻微 挡潮闸距离海口宜控制在0 8 1 0km以内 可较好地解决闸下淤积 第七章河口治理 C 植物措施 由于废黄河口外以及浅海滩涂大量泥沙在风浪和潮流作用下的再分配 因而防淤措施之一是种植水生植物 一是 防止海滩产沙 二是 切断涨潮流挟带泥沙进入河口 案例 南八滩河闸 北八滩河闸下游浅海滩涂上长有大片的大米草和至花米草等 闸下淤积就较轻 因此 在浅海滩涂大量种植固滩促淤植物 是一种极为有效的方法 第七章河口治理 水葫芦 水花生 大米草 C 植物措施 采取植被措施时应注意 对于外来物种需严格控制其生长范围 了解其生长属性 第七章河口治理 江苏东台沿海系粉沙淤泥质海岸 上个世纪70年代 为了防风浪 防流沙 淤涂泥 护海堤 便从国外引进了这种具有抗浪淤涂功能的大米草 这种海水草 耐咸耐碱 根须发达 狂窜疯长 东台当初只在海岸线外侧栽种的千余亩带状形大米草 每年都以200米左右的速度向东延伸 直逼苍茫大海 年复一年地与各种贝类生物抢滩争涂 决一生死 一 河口二维水流基本方程二 二维水流方程的离散及算法三 河口冲淤变化的二维数值模拟四 河口水工模型试验 第八章河口演变的模拟 一 河口水流二维基本方程 基本假定 1 密度不变2 水平均匀流 水平流速垂向变化很小 基本考虑 1 单位水柱控制体2 质量守恒或体积守恒 密度不变时 连续方程 3 动量守恒 运动方程 可从牛顿第二定律推得 4 边界条件 水 潮位 流量 流速 第八章河口演变的模拟 连续方程 动量方程 第八章河口演变的模拟 二 二维水流方程的离散及算法 为什么 因为得不到连续解 解析解 只能通过离散得到的离散的近似解 方程离散最常用的是差分法 概念清楚 表达简洁 编程简单 适用性强等优点 相应的区域离散 矩形 三角形 四边形及混合杂交形等差分方程 离散后的基本方程 代数形式 第八章河口演变的模拟 差分原理 在离散的时间和空间网格点上 用差商去逼近时间和空间 偏 导数值 如 时间 空间 第八章河口演变的模拟 三 河口冲淤变化的二维数值模拟 1 概述箱体模型 口内 河道段 冲淤总量一维模型 口内 河道断面 平均冲淤二维模型 整个河口 悬沙平面分布 冲淤分布三维模型 整个河口 悬沙空间分布 冲淤分布目前应用最广 二维模型 1 概述2 基本方程3 定解条件及计算参数 第八章河口演变的模拟 2 悬沙基本方程 空间三维控制体及方程 第八章河口演变的模拟 A 切应力法 B 挟沙力法 关键 潮汐河口挟沙力公式及沉降几率的确定 应说明的问题 1 泥沙应包括 悬沙 悬移质 和推移质 推移质目前只是经验估算 2 地形冲淤变化与水流计算模型的互动 即泥沙数学模型与水流数学模型的耦合 3 模型网格对地形的充分描绘 需要一定的精度 第八章河口演变的模拟 应说明的问题 4 模型参数的合理选取 5 动边界的处理 露滩问题 6 根据收敛条件合理选择时间步长 第八章河口演变的模拟 51 第八章河口演变的模拟 目前常用软件 DELFT3D MIKE 11 21 四 河口水工模型试验 1 概述基本概念 按照一定比尺模拟原型 在模型中复演原型的各种水流运动 研究内容 动力过程 研究各种工程建筑物与水流或波浪的相互作用 以及与此密切相联的流体运动状态和运动过程 水流和波浪作用下的泥沙运动和输移过程 泥沙输运 床面的冲淤变形 污染物扩散 污染物扩散的浓度分布和影响范围 热电 核电厂 温升分布等 第八章河口演变的模拟 模型与原型的相似包括 几何相似 运动相似和动力相似 第八章河口演变的模拟 几何相似 模型各相应尺度与原型之间存在一个比例常数p201 物理模型的不足 受到试验场地的限制 往往采用变态模型 水平与垂直比例不同 比尺效应和变态模式影响模拟的精度 物理模型的改进 a 提高测量仪器的测量精度 b 采用复合模型 第八章河口演变的模拟 模型与原型的相似包括 几何相似 运动相似和动力相似 第八章河口演变的模拟 运动相似 模型中与时间有关的变量 速度 加速度 与原型相似 动力相似 模型与原型中各相应的力之间必须具有一个比例 相似准则 作用力比为常数 弗劳德 Froude 准则 惯性力 重力 为保持两个流动系统在重力作用下的相似 流体的惯性力与重力之比值必须相等 即弗劳德数相等 相似准则 作用力比为常数 雷诺 Reynolds 准则 惯性力 粘滞力 两个流动的惯性力和粘滞力成比例 则它们的雷诺数相等 这就是雷诺准则 或称为粘滞力相似准则 欧拉 Euler 准则 惯性力 压力 欧拉准则或称为压力相似准则 即流动的惯性力和流体动压力成比例 则它们的欧拉数相等河口工程水工模型的分类a 潮汐定床模型河口及海湾整体潮汐模型河口或海岸局部潮汐模型 b 潮汐泥沙模型底沙运动为主的动床模型悬沙运动为主的浑水定床淤积模型 第八章河口演变的模拟 57 第八章河口演变的模拟 第九章海岸地貌 一 海岸断面特征二 海岸平面形态三 侵蚀海岸形态四 堆积海岸形态五 中国海岸类型 海底的基本轮廓和陆地一样 也有着复杂的地形 海底与有高山 平原 丘陵 峡谷等 目前大洋地貌单元的划分为 大陆边缘和深海底二个大单元 第九章海岸地貌 大陆边缘 大陆边缘 海岸带 大陆架 大陆坡和大陆隆海岸带 海陆之间的界限 又是海陆相互作用的地区 当水位升高时 常淹没于水面 水位降低时 则能露出水面 第九章海岸地貌 一 海岸断面特征 海岸作为陆地和海洋的分界 它是一个地带 从海岸地貌学的观点 这是一个受潮汐和海浪作用的地带 范围 上部为海蚀崖的顶部 或者击岸波流能够作用到的海滩顶部 它下部应在浅海波浪能够起到作用的海底 波浪扰动海底泥沙的下限处 第九章海岸地貌 第九章海岸地貌 滨岸带 前滩 后滩 外滩前滩 高潮位线和低潮位线之间的海滩 又称潮间带 后滩 露出高潮位线之上 在特大高潮或风暴潮时 尚可以被海水淹没又称为潮上带 海滩 前滩和后滩外滩 低潮线以下的破波作用地带 亦即波浪强烈扰动泥沙的地带 二 海岸组成 第九章海岸地貌 近海 一般指破波带以外 大陆架边缘以内的范围海岸线 海滩的上界为海上已不能到达的界限 泛指的沿海海陆交接线 64 第九章海