水利工程論文-擾動淤泥與沉積淤泥的流變特性研究.doc

水利工程論文-擾動淤泥與沉積淤泥的流變特性研究摘要：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，淤泥的流變特性和許多物理過程密切相關(guān)，如波浪在淤泥質(zhì)海床上的衰減特性和波浪作用下的泥床質(zhì)量輸移、淤泥液化等13，是影響波浪與底泥床相互作用的主要因素.淤泥流變特性的變化和水動力作用下床面穩(wěn)定性、底部泥沙的懸揚規(guī)律等也有著直接和間接聯(lián)系.實驗和計算結(jié)果表明，淤泥處于不同的沉積狀態(tài)時，由于流變參數(shù)的變化，波浪在泥床上傳播時波高衰減率可以相差12個量級4.因此，了解淤泥的流變特性是深入研究淤泥質(zhì)海岸泥沙運動規(guī)律的關(guān)鍵問題之一.關(guān)于淤泥的流變關(guān)系，目前已建立了相當多的模型4，然而由于模型參數(shù)特別是現(xiàn)場條件下的模型參數(shù)難以確定，使得各種模型在應(yīng)用于描述現(xiàn)場條件下波浪和淤泥質(zhì)海床的相互作用規(guī)律時受到限制.由于現(xiàn)有的測量儀器，如旋轉(zhuǎn)同心圓筒流變儀等實際上只能測量擾動淤泥的流變特性，對于自然沉積的底部泥床，目前還沒有很好的方法來測定其流變參數(shù)，對其流變特性的變化規(guī)律有待深入研究.基于以上原因，本文假定淤泥作為線性粘彈性體，在文獻5的基礎(chǔ)上，采用根據(jù)實驗結(jié)果反求模型參數(shù)的方法，比較了實驗室內(nèi)人工攪勻和自然沉積淤泥的流變特性，討論了淤泥流變特性變化對波浪衰減規(guī)律的影響.1理論分析1.1關(guān)于淤泥特性的假設(shè)近年來一系列的研究表明，淤泥在波浪作用下表現(xiàn)出復(fù)雜的非線性粘彈性體特征，其流變參數(shù)是應(yīng)變或應(yīng)變率歷史的函數(shù).但為了簡化問題，通過反分析方法確定淤泥的流變參數(shù)，并比較人工攪勻淤泥與沉積淤泥流變特性，這里仍然假定淤泥作為線性粘彈性體.在應(yīng)變較小的情況下，上述假設(shè)精確地描述了淤泥的運動規(guī)律；在應(yīng)變較大的情況下，這種假設(shè)相當于對淤泥的本構(gòu)方程進行等價線性化.根據(jù)線性粘彈性體假設(shè)，在頻率為的循環(huán)(振蕩)荷載作用下，淤泥的本構(gòu)關(guān)系可表示為6：對于天然或?qū)嶒炇覂?nèi)形成的自然沉積泥床，沿泥床表面向下的泥密度分布及其流變特性都是變化的，為了簡化問題而方便估計沉積淤泥的流變特性，我們假定泥床具有均勻密度和流變參數(shù)，水波與攪勻或沉積泥床的相互作用就都可以用密度均勻的兩層介質(zhì)線性系統(tǒng)模型來描述.1.2泥水系統(tǒng)運動控制方程根據(jù)Maa和Mehta7，波浪在泥床上傳播時，上層水體和下層淤泥運動的連續(xù)性方程和線性化運動方程可表示為：假定水面和泥水交界面位移表達式為：j(x,t)=ajexpi(kx-t)(5)式中：k=kr+iki為待求的復(fù)波數(shù)，實部與波長L的關(guān)系為kr=2/L，虛部ki表示波浪衰減率，aj為第j層位移振幅.方程(2)(4)中uj,wj,pj的解可表示為：在波浪周期T、波高H(H=2a1)、水深d1、泥厚d2、泥密度2以及淤泥流變參數(shù)已知的條件下，上述表達式中包括k,a2和Aj,Bj,Cj,Dj(j=1,2)總共10個未知量，這些未知量可通過自由表面的運動學(xué)和動力學(xué)邊界條件，泥水交界面的速度和應(yīng)力連續(xù)條件以及底部非滑移邊界條件來確定7，8.將式(5)(8)代入上述邊界條件并經(jīng)過化簡，可得到變量為=A1,B1,C1,D1,A2,B2,C2,D2,a2的線性齊次方程組C=0(9)式中：C為99矩陣，矩陣中各元素為復(fù)波數(shù)k的函數(shù).式(9)有非零解的條件為C的行列式必須為零，即：detC=0(10)式(10)是關(guān)于復(fù)波數(shù)k的隱式非線性方程.由于水的密度與粘性系數(shù)可作為常數(shù)，式(10)相當于復(fù)波數(shù)k可以表示為：k=f(,G,d1,d2,T,2)(11)在波浪-泥床系統(tǒng)的基本參數(shù)和淤泥流變參數(shù)已知時，式(11)可以通過Muller方法求解.1.3淤泥流變參數(shù)的反求法在淤泥流變參數(shù)確定的情況下，根據(jù)方程(11)可以求出波浪在泥床上傳播時的復(fù)波數(shù)，然后可進一步得到速度和壓力分布，這是分析波浪和泥床相互作用問題的一般過程.同樣，如果已知波浪在泥床上傳播的復(fù)波數(shù)而淤泥流變參數(shù)未知，由方程(11)也可以反求出淤泥的表觀復(fù)粘度，從而得到淤泥的彈性系數(shù)和粘性系數(shù).按照把淤泥作為線性粘彈性體的假設(shè)，對于同一種淤泥，泥密度保持不變時，由不同波浪條件的實驗結(jié)果反求出的淤泥粘彈性系數(shù)值應(yīng)該相同.但實際上，由于淤泥的非線性性質(zhì)，其粘彈性特征隨受力狀態(tài)而變化8，9，再加上實驗測量誤差的限制，根據(jù)不同實驗條件反求出的淤泥粘彈性系數(shù)是不會相同的.為了求得假定淤泥為線性粘彈性體時代表性的粘彈性參數(shù)值，我們根據(jù)每組淤泥的多組實驗結(jié)果構(gòu)造優(yōu)化問題來反求參數(shù).設(shè)對于某一密度的淤泥共進行了M組規(guī)則波浪在淤泥床上傳播的實驗.對于第m(m=1,，M)組實驗，已知波浪周期T、波高H、水深d1、水密度1、水的粘性系數(shù)1、泥厚d2、泥密度2,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e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e的函數(shù)，則最小時的e值即可認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e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e值與初值無關(guān).1.4遺傳算法簡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，進行充分攪拌形成的從泥床表面到泥床底部密度均勻的淤泥床；沉積泥床是把淤泥和水進行充分攪拌，形成密度在1120kg/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，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，