（水力學及河流動力學專業(yè)論文）潮流波浪泥沙模型變率影響研究.pdf

摘要 摘要 本文對潮流 波浪 泥沙物理模型變率的影響進行了系列概化物理模型試驗 研究 并對采用數(shù)學模型方法研究變率影響問題進行了初步探討 主要內(nèi)容有 1 評述了國內(nèi)外河口物理模型試驗研究和物理模型變率影響研究的現(xiàn)狀 對變率影響的研究方法和理論依據(jù)進行了闡述 指出進行河口海岸模型變率影響 研究的熏要性和必要性 2 給出進行潮流波浪共同作崩下懸沙和底沙 全沙 物理模型需要遵循的 相似條件 3 參照長江口北槽航道的具體條件 設計了變率為2 5 4 6 8 3 3 和1 2 8 的五個概化物理模型 其水平比尺分別為2 0 0 4 0 0 6 6 0 1 0 0 0 和1 6 0 0 垂直 比尺分別為8 0 1 0 0 1 1 0 1 2 0 和1 2 5 4 對五個模型的潮位 流速 波高 含沙量進行了驗證 使得潮流 波浪 和含沙量與原型基本相似 為模型變率影響研究提供了基礎條件 5 對系列變率模型進行了無丁壩時大潮 中潮 大浪 中浪及其相互作 j 下懸沙定床 清水動床以及渾水動床試驗 研究變率對航道流速 波高 航道沖 刷深度以及底沙輸沙量的影響 6 在系列模型上進行了三種丁壩布置即 對丁壩 對口丁壩 一對斜對t 壩 錯口丁壩 和磚對丁壩 雙對口丁壩 情況下的清水動床 懸沙定床和懸沙 動床試驗 研究變率對航道流速 航道沖淤變化 丁壩壩頭沖刷坑深度和沖刷范 圍的影響 7 建立了潮流作用下變態(tài)模型與變率為l 的正態(tài)模型丁壩壩頭沖刷穩(wěn)定深 度之間的關系式 可以通過變態(tài)模型預測正態(tài)模型中t 壩壩頭的沖刷深度 8 從理論上分析模型變率對流速和含沙量沿垂向分布的影響 采用數(shù)學模 型進行模型變率影響研究 針對系列概化物理模型建立了相應的潮流數(shù)學模型和 泥沙數(shù)學模型 給出了模型變率對潮流流速和航道沖淤變化的影響 關鍵詞 潮流 波浪 泥沙 物理模型 變率 a b s t r a c t a b s t r a c t i nt h i sp a p e r t h ee f f e c t so fd i s t o r t e dr a t i o so n p h y s i c a lm o d e l so f t i d a lc u r r e n t s w a v e s a n ds e d i m e n tt r a n s p o r th a v eb e e ns t u d i e db yas e r i e so fg e n e r a l i z e dp h y s i c a lm o d e l s a n dn u m e r i c a lm o d e l s t h em a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s 1 t h er e s e a r c hs i t u a t i o no fp h y s i c a lm o d e l sf o re s t u a r ya n dt h ee f f e c t so fd i s t o r t i o n r a t i o so np h y s i c a lm o d e l sa r er e v i e w e d t h et h e o r i e sa n dt h em e t h o d sf o rd i s t o r t i o n r a t i or e s e a r c ha r ec o m m e n t e d 2 t h eb a s i ce q u a t i o n so f t i d a lc u r r e n t s w a v e s s e d i m e n t t r a n s p o r ta n dt h es i m i l a r i t y t h e o r yo ft o t a l s e d i m e n tt r a n s p o r tm o d e l i n gf o re s t u a r i n ea n dc o a s t a lr e g i o n s a r e g w e n 3 a c c o r d i n g t ot h ec o n d i t i o n so fn o r t hp a s s a g ei ny a n g t z ee s t u a r y f i v eg e n e r a l i z e d p h y s i c a lm o d e l s w i t h d i s t o r t i o nr a t i o s2 5 4 6 8 3 3 1 2 8 a r e d e s i g n e d t h e h o r i z o n t a ls c a l e sa r e2 0 0 4 0 0 6 6 0 1 0 0 0 1 6 0 0a n dv e r t i c a ls c a l e sa r e8 0 1 0 0 l l o 1 2 0 1 2 5r e s p e c t i v e l y 4 t h et i d a ll e v e l s v e l o c i t i e s w a v eh e i g h t sa n ds e d i m e n tc o n c e n t r a t i o n si nf i v e m o d e l sa r ev e r i f i e d t h es i m i l a r i t yi ss a t i f i e df o re a c hm o d e ii nt i d a lc u r r e n t s w a v e s a n ds e d i m e n t a t i o n r e s p e c t i v e l y r 5 t h ee x p e r i m e n t so fs e d i m e n tt r a n s p o r tu n d e rt h ea c t i o n so ft i d a lc u r r e n t sa n d w a v e sa r ec a r r i e do u t t h ce f f e c t so fd i s t o r t i o nr a t i o so f ft h er i d a lc u r r e n t s t h ed e p t h s o fs c o u ra n dd e p o s i ta n dt h ed i s c h a r g eo fb e dl o a d si nt h ec h a n n e la r ed i s c u s s e d 6 t h ee x p e r i m e n t so fs e d i m e n tt r a n s p o r tu n d e rt h ec o n d i t i o n so f ap a i ro f g r o i n sa n d s l a n tg r o i n sa n dt w op a i ro fg r o i n sa r ec a r r i e do u t t h ee f f e c t so fd i s t o r t i o nr a t i o so n t h et i d a lc u r r e n t s t h ed e p t h so fs c o u ra n dd e p o s i ti f lt h ec h a n n e la n dt h el o c a ls c o u ri n t h ez r o i nh e a d sa r ed i s c u s s e d 7 1t h er e l a t i o n s h i po fl o c a ls c o u rd e p t hb e t w e e nd i s t o r t i o nm o d e l sa n dt h ef l o f i t l a l m o d e li so b t a i n e d f 8 t h ee f f e c t so fd i s t o r t i o nr a t i o so nd i s t r i b u t i o no fv e l o c i t i e sa n ds e d i m e n t c o n c e n t r a t i o n si nt h ev e r t i c a ld i r e c t i o na r ea n a l y z e d t h en u m e r i c a lm o d e l so ft i d a l c u r r e n t sa n ds e d i m e n tt r a n s p o r tf o rt h r e eg e n e r a l i z e dp h y s i c a lm o d e l sa r ee s t a b l i s h e d f r o mt h en u m e r i c a lm o d e l s t h ee f f e c t so fd i s t o r t i o nr a t i o so nt i d a lc u r r e n t sa n d s e d i m e n ts c o u ra n ds i l ti nt h ec h a n n e la r eg i v e n k e y w o r d s t i d a lc u r r e n t s w a v e s s e d i m e n t a t i o n p h y s i c a lm o d e l d i s t o r t i o n r a t i o 前言 刖磊 物理模型是研究和解決河流 河口 海岸工程水流泥沙問題的重要手段 我 國幾乎所有的大型水利 水運 水電 i 程都采用物理模型進行研究 如長江葛洲 壩工程 三峽工程 黃河小浪底工程 長江口深水航道工程 黃驊港 杭州灣跨 海大橋等 物理模型有正態(tài)和變態(tài)之分 一般根據(jù)所研究的問題來選擇正態(tài)模型 或變態(tài)模型 對于河流特別是河口海岸問題 由于種種條件的限制 不得不采取 變態(tài)模型甚至是大變率的變態(tài)模型進行水動力和泥沙運動研究 從理論上講 變 態(tài)模型并不完全滿足相似理論的要求 在漉場昶l 泥沙運動方面均會產(chǎn)生不同程度 的誤差 因此變態(tài)模型的適用范圍和變率限制 長期以來成為從事物理模型試驗 的科技人員探討的重要問題之 單純從理論上進行分析 不可能得出泥沙模型 變率的允許范圍 只有通過理論分析與試驗相結合的途徑z j l 能解決這個難題 雖 然過去針對局部沖刷等問題 國內(nèi)外均進行過系列模型試驗 其目的僅在于推求 相當于正態(tài)模型時的試驗值 而不能回答模型變率的影響問題 進行泥沙模型變 率影響試驗的難度很大 國內(nèi)外至今尚無這種試驗研究的先例 上世紀8 0 年代在南京水利科學研究院建造了水平比尺2 0 0 0 垂直比尺1 5 0 變率為1 3 3 的長江口模型 進行長江口深水航道治理工程的可行性研究 隨著 長江口深水航道治理工程一期工程的實施 1 9 9 8 年在上海交通部河口海岸研究 中心建造了水平比尺1 0 0 0 垂直比尺1 2 5 變率為8 的長江口模型 用于研究長 江口深水航道治理工程實施過程中的潮流和泥沙問題 這兩個變態(tài)模型得到的潮 流場和泥沙沖淤分布與正態(tài)模型得到的結果是否一致 也就是變率的影響如何 是工程建設單位和研究單位十分關注的問題 結合長江口航道建設有限公司委托項目 長江口懸沙動床模型設計剎模型變 率影響研究 項目和國家自然科學基金項目 河1 3 海岸模型變率影響研究 對 潮流波浪泥沙物理模型變率影響開展了試驗研究和數(shù)學模型計算 主要工作如下 依據(jù)竇國仁河口海岸物理模型相似理論 參照長江口的具體條件 設計 了變率分別為2 5 4 6 8 3 3 和1 2 8 的五個概化模型 模型中的潮流 波浪利地形等邊界條件 均模擬同一原型情況 在這五個模型中分別進行了光丁壩情況下潮流波浪作用時定床試驗 動 河海大學博士學位論文 床試驗和渾水動床試驗 有丁壩情況下潮流作用時定床試驗 動床試驗和渾 水動床試驗 研究各模型的潮流速變化 波高變化 航道及其邊坡沖淤變化 以及丁壩頭局部沖刷過程等 得到模型變率的影響程度 填補了潮流波浪作 片j 下泥沙物理模型變率影響研究的空白 對流速 含沙量 泥沙起動流速和推移矮輸沙能力公式進行了理論分析 研究了模型變率對水流和泥沙運動的影響程度 采用數(shù)學模擬的方法對模型變率影響進行了研究 分別建立變率2 5 6 和1 2 8 的三個概化數(shù)學模型 得到了無丁壩和有丁壩情況下模型變率對 潮流和泥沙沖淤的影響 上述研究成果為河口海岸泥沙物理模型的設計和現(xiàn)有物理模穗試驗成 果的應埔提供r 理論依據(jù) 主要創(chuàng)新點 1 采崩系列概化物理模型 進行了潮流物理模型 波浪物理模型和潮流波 浪共同作用下的泥沙物理模型變率影響研究 2 給出潮流模型 波浪模型和泥沙模型變率的允許范圍 建立了丁壩壩頭 沖刷坑穩(wěn)定沖刷深度與模型變率之間的關系 3 采用潮流和泥沙數(shù)學模型對系列概化模型的變率影響問題進行探討 為 模型變率影響研究提供了新的手段 學位論文獨創(chuàng)性聲明 本人所呈交的學位論文是我個人在導師指導下進行的研究工作及取 得的研究成果 盡我所知 除了文中特別加以標注和致謝的地方外 論 文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果 與我一同工作的同事 對本研究所做的任何貢獻均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意 如不實 本人負全部責任 論文作者 簽名 注 手寫親筆簽名 o 歲年 月 礦日 學位論文使用授權說明 河海大學 中國科學技術信息研究所 國家圖書館 中國學術期刊 光盤舨 電子雜志社有權保留本人所送交學位論文的復印件或電子文 檔 可以采用影印 縮印或其他復制手段保存論文 本人電子文檔的內(nèi) 容和紙質(zhì)論文的內(nèi)容相一致 除在保密期內(nèi)的保密論文外 允許論文被 查閱和借閱 論文全部或部分內(nèi)容的公布 包括刊登 授權河海大學研究 生院辦理 論文作者 簽名 注 手寫親筆簽名 0 3 年 月 籮日 第一章緒論 1 1 問題的提出與研究意義 第一章緒論 我國海岸線長1 8 0 0 0 多公里 有近百條河流入海 在河口治理和港口航道建 設中 水動力及泥沙問題的研究是工程建設的關鍵問題 目前的主要研究手段有 水文泥沙 地形等現(xiàn)場資料的測驗和分析 水流泥沙數(shù)學模型計算和物理模型試 驗等 數(shù)學模型是根據(jù)水流 泥沙運動規(guī)律 建立基本數(shù)學方程式 用數(shù)值方法來 求解這些方程式 得出水位 潮位 流速和河床沖淤厚度的近似解 分析和預 測工程實施前后的水動力和河床變化情況 根據(jù)研究的要求和條件 數(shù)學模型可 采用一維 二維 三維模型 目前一維和二維水流 泥沙數(shù)學模型已較廣泛應用 在實際工程的研究中 三維水流和泥沙數(shù)學模型的研究日趨深入 已用于解決橋 墩局部沖刷等問題 但是 由于水流 紊流 與泥沙之間的相互作用機理還不十 分清楚 泥沙的運動規(guī)律還有待完善 因此 三維數(shù)學模型特別是三維泥沙數(shù)學 模型目前還沒達到工程應用的程度 水流泥沙物理模型是將河道地形和水流 泥沙運動特征及沖淤時間等按相似 原理縮小成模型 模擬特定時段內(nèi)的水流泥沙運動 得出河床演變的相似情況 用柬分析和預測河床的變化 雖然數(shù)學模型具有節(jié)省人力 物力和時問的優(yōu)點 但物理模型試驗比較直觀 特別涉及河l f 泥沙沖淤等復雜問題時 仍不失為研究河口治理問題的重要工具 物理模型的理論基礎是相似理論 根據(jù)相似理論的要求f 8 1 物理模型以正 態(tài)為宜 然而由于河口海岸地區(qū)水域很大 進行詐態(tài)或小變率的泥沙模型試驗幾 乎都不現(xiàn)實 目前國內(nèi)已建的河口模型水平比尺一般在6 0 0 2 0 0 0 垂直比尺為 6 0 1 5 0 變率 水平比尺與垂直比尺之比 為6 一1 5 能否在這些變率的模型上 丌展泥沙研究 變態(tài)模型的適用范圍和變率的限制 特別是何種比尺下刁能進行 波浪潮流共同作用下的泥沙物理模型試驗 也就成為需要研究的課題之一 河海大學博士學位論文 1 2 河口模型試驗研究綜述 1 2 1 河口物理模型的發(fā)展 1 8 8 5 年雷瞄 r e y n o l d s 酋先利用潮汐河口模型試驗 研究英困默爾西 m e r s e y 的潮汐水流f 9 i 早期的潮汐河h 模型試驗設備比較簡陋 考慮的相似條 件也比較簡即 2 0 世紀2 0 年代 隨著航運業(yè)的興旺 各國相繼通過模型試驗來研究潮汐河 ii 的治理問題 其中比較著名的如法困費罩哈哥特 v e r u o nh e r c o u r t 的塞納 s e i n e 河口模型試驗 和英國古普生 a h g i b s o n 教授的塞汶 s e v e r n 河口模型試驗 但這些模型比尺都比較小 變率較大 雖可連續(xù)運轉 但精度較 差 通過模型試驗對河口水流情況的認訌 有所提高 對整治規(guī)劃超到了 定的作 用 二次世界大戰(zhàn)后 隨著電子工業(yè)的發(fā)展 模型試驗中潮汐的發(fā)生裝置已由簡 竹的機械裝置發(fā)展成為運用光電原理麗設討4 的半扇動控制裝置 模型試驗也山滴 水試驗發(fā)展到鹽淡水混合的渾水試驗 無論在試驗技術和相似條件的考慮方面都 f 獅進了一大步 同時現(xiàn)場測驗技術也有屁著的改進 因而向5 0 年代以來各圈河 i 1 的治理取得恩著的進展 航道水深有了較大幅度的增加 各國河口攔門沙的自 然水深 般都刁i 足6 m 經(jīng)治理后 都已達到1 2 5 睢以上 5 萬噸級海輪可隨時進 出 目前的潮汐河口模型呵以復演河床的沖淤演變 例如德國易北河口的動床模 型已成功地復演了整治河床的演變過程 在物理模型中研究泥沙問題 模型變率 不能大 因而 模型尺寸有向大發(fā)展的趨勢 如擬建中的珠江口模型 和杭州灣 模型m l 模型中潮汐的發(fā)生及潮位 流速等數(shù)據(jù)的量測均可全部實現(xiàn)自動化 在模型中可研究的問題亦逐漸拓寬 除一般水力學問題外 物理模型試驗已經(jīng)成 為航道整治 疏浚挖槽 鹽水入侵及污染擴散等閩題的重要研究手段 1 2 2 國外河口研究概況 自1 9 世紀中葉法國塞納河口第一個開始熬治以后 各國的河口都相繼進行 了治理 如美國哥倫比亞河口的整治工程始于1 8 8 2 年 法國盧瓦爾 l o i r e 河 第一章緒論 口的整治開始于1 8 3 4 年 l3 1 受當時的研究水平限制 對于一些河口都采用疏浚 方法取得所需的水深 以易北 e l b e 河口為倒 t 4 1 5 1 1 9 3 6 年直通漢堡的航道深 度為1 0 m 1 9 6 1 年浚深至1 l m 1 9 6 9 年浚深至1 2 m t 9 7 8 年疏浚達到1 3 5 m 攔門沙河段航道走向對航道的疏浚量影響很大 西德威悉河i l 口外的西支航道 t 6 由于定線合理 經(jīng)整治后航道中形成了有利的水流條件 從淺灘來的均勻側 向流在航道中造成落潮量的優(yōu)勢 運行半個世紀以來航道一 直穩(wěn)定 隨著船只吃水深度的不斷增加 單靠疏浚難以增加較大的水深 故在2 0 世 紀初已對不少河口采取疏浚與整治相結合的治理原則 但制訂整治工程的規(guī)劃主 要依靠經(jīng)驗 缺乏科學根據(jù) 自2 0 世紀2 0 年代 河工模型試驗被廣泛應用 對 制訂河口整治規(guī)劃起了積極的作用 1 9 3 0 年荷蘭公共工程部要求德爾夫特水工研究所 d e l f th y d r a u l i c s 進行萊 茵河口物理模型試驗 該所通過動床模擬 證實延長南導堤可以改變口外沙洲的 部位 調(diào)整新水道口門流念和底沙輸移路徑 1 9 6 5 年該所又建造了新模型用以 研究鹿特丹新水道及哈林弗賴河口鹽淡水異重流問題 1 9 4 0 年 建立了治理密誣西比河口的物理模型 進行了西南水道航道水深 規(guī)劃研究 通過2 1 個方案的比較 并考慮到各種洪水流量與潮汐組合情況下的 航道淤積 最后確定了雙導堤和丁壩整治方案 該方案于1 9 8 2 年完成 取得1 2 2 m 水深的預期效果 而航道維護費用與1 0 6 7 m 水深下的維護費用相當1 1 法國塞納河口為強潮河口 徑流量終年變化不大 主要靠限水與地下水補給 河口中的3 4 淤泥來自海洋 在大風和強潮的作用下進入河口 造成嚴重淤積 影響法國第二大港哈佛爾港的發(fā)展 1 8 4 8 年開始了第一期治理工程 1 9 5 0 年在 進行塞納河口治理的第三期工程時 通過模型試驗研究了修建1 0 5 k m 長南導堤 以后航道增深的可能性 2 0 世紀7 0 年代 法國紀龍德河口完成了口外航道的加 深工程 使航道水深增加了6 m 達到1 9 5 m 該航道線路是根據(jù)夏都水工研究 所的模型試驗成果確定的 航道穩(wěn)定 維護疏浚量小f 1 8 1 英國默爾西 m e r s e y 河口潮差較大 徑流不大 河口大片淺灘的泥沙由潮 流從利物清港灣帶入 1 8 9 0 年開始開挖航道 1 9 2 3 年在修建第一一期導堤工程前 進行了模型試驗 確定了導堤布置的形式和堤頂高程 1 9 3 2 年又修建了第二期 導堤工程 1 9 4 5 年又進行了淡水和鹽水試驗 探明了修筑導堤后上河口造成嚴 河海大學博士學位論文 重淤積的原因 泰晤士 t h a m e s 河口為典型的鐘型河口 口外淺灘羅列 為了整治航道 的淺灘段 1 9 0 9 年通過物理模型試驗淦證了采用人工導堤4 i 能達到預期的效果 因而 決定采取全線疏浚的方案 開挖了5 4 k m 長的深水航道 20 1 模型試驗還表 明 拋到口外的疏浚士隨潮流進入航道 造成回淤量增加 當改為拋泥t 岸后 航道的疏浚量顯著減少 2 1 1 1 9 6 2 年美國在進行哥倫比亞河口航道整治前建立了哥倫比亞河口下游段模 型 研究將航道由1 2 1 9 m 拓寬至1 8 2 9 m 由1 0 7 m 加深至1 2 2 m 的工程措施 模型水平比尺5 0 0 垂直比尺t 0 0 采用0 3 5 m m 的塑料沙 模擬了河口長8 3 7 k m 的范圍 河口南堤是順堤 北堤是丁壩 采取整治工程與疏浚相結合的方針 改 善了哥倫比亞河口的航行條件 8 0 年代 德國進行了易北 e l b e 河口潮流動床物理模型 模型水平比尺 8 0 0 垂直比尺1 0 0 模型沙采用聚苯乙烯 平均粒徑2 m m 研究了航道由1 2 m 增深至1 3 5 m 寬度由3 5 0 m 拓寬至5 0 0 m 的工程措施 即將已有導堤延長3 2 k m 工程建設后的實測資料表明 基本可以不加維護巰浚就可保持1 3 5 m 航道水深 2 2 2 3 1 在河口航道治理方面 歐美和日本較多采用的措施是修建導堤 導堤一直延 伸到所需的深水區(qū) 美國5 8 個口門5 弘蜘 除封閉的8 個口門外 建有雙導堤的 2 6 個 建有單導堤的5 個 共占總數(shù)的6 2 日本1 3 9 個河口 2 6 1 建有導堤的 7 2 個 約占總數(shù)的5 2 7 0 年代以來 繼續(xù)有一些河口在建設導堤 如荷蘭鹿 特丹港進入北海的河口1 2 7 原來只有北導堤 1 9 7 4 年將北導堤延伸3 k m 又新 建1 0 5 k m 長的南導堤 一直伸到 1 8 m 水深處 西德易北河1 5 1 的疏浚工作始于 1 8 3 4 年 1 9 6 8 年建成一條長9 2 5 k m 的單導堤但8 1 后將其延長到1 2 4 k m 表1 1 列舉了國外部分河口模型的比尺情況 1 2 3 國內(nèi)河口研究概況 我國最早的河1 3 治理為黃浦江的治理f 引1 為了海運的需要 1 8 7 6 年丌始研 究黃浦江的整治計劃 1 9 0 5 年起陸續(xù)修建了順壩 丁壩和黃浦江曰導堤等一系 列建筑物 使整治前不足5 m 水深的航道逐步加深到9 m 低潮位下 當時上海 4 第一章緒論 港入海航道為長江口南槽 其主要障礙是銅沙淺灘 灘頂最小水深僅6 m 左右 1 9 3 5 年至1 9 3 7 年曾對這段航道進行試挖 但以失敗告終 3 2 3 3 l 1 9 1 6 年開始在遼 河口修筑東西雙導堤 以加大水深 導堤建成后雖對增加水深和改善航運條件起 了一定作用 但后因年久失修而逐漸失效 1 9 1 9 至1 9 2 9 年在閩江口北港修筑了 8 條3 i 暖壩和1 6 條j 壩用以增加航道水深 但未達到預期效果 3 0 年代對海河l 進行了疏浚和裁彎工程 并修建了丁壩 但收效不大 這些工程的進行 往往是 憑著經(jīng)驗 有成功 也有失敗 表1 1 國外部分河口物理模型概況 2 9 j 序 名稱國家或單位 水平比尺垂贏比尺變率 號 1東京灣模型2 0 0 0 1 0 02 0 2 瀨戶內(nèi)海 2 0 0 01 6 0 1 2 5 3 人村灣模型 5 0 0 02 9 21 7 4圣勞倫斯河口魁北克河段模型加拿大1 0 0 0 0 5 0 02 0 5緬茵一芬地灣模型2 5 0 01 2 5 2 0 c a r d i f f 灣模型 英國1 5 0 07 5 2 0 6 弗雷塞河口二義t 程模型加拿人 6 7 08 5 7 7 商爾斯頓港入海航道模型美國 2 0 01 0 0 2 8 哥倫比 河口模型美國 5 0 01 0 05 9 切薩皮克灣模型美國 1 0 0 01 0 01 0 1 0 塞納河口模型法國 1 0 0 0l o 01 0 l l 紀龍德酒口口門地區(qū)模型法強 1 2 5 01 0 01 2 5 1 2 紀龍德河口整體模型法國 2 0 0 02 0 01 0 1 3易北河口航道整治定床模型 西德水一f 研究所 5 0 01 0 05 1 4 易北河口航道整治動床模型西德永1 研究所 8 0 0i 0 08 1 5 易北河口深水港定床模型西德方修十研究所 5 0 01 0 05 1 6泰晤 河口馬普林深水港模型英國1 0 0 01 0 01 0 1 7 湄南河口模型 泰國5 0 01 0 05 我國第一個河口模型是1 9 5 3 年在天津大學進行的海河口模型試驗 同年在 南京水利科學研究所制造了錢塘江模型 試驗了我國第一臺潮汐控制儀的性能 1 9 5 8 年進行海河口動床模型試驗 1 9 7 2 年南京水利科學研究所與華東水利學院 合作 首次進行了長江口海門江心沙北泓的渾水淤積試驗 3 7 0 年代中期 南 京水利科學研究所做了射陽河裁彎懸沙淤積局部沖淤試驗 3 5 i 將潮汐河口懸沙模 型試驗技術向前推進了一步 近幾十年來 隨著波浪潮流作用下的泥沙運動基本規(guī)律的深入研究 拍枷1 采用變態(tài)河工物理模型研究和解決了許多河流 河口 海岸治理以及港口航道開 河海大學博士學位論文 發(fā)建沒中的泥沙問題 不但進行了潮流懸沙動床試驗 而且進行了潮流波浪共同 作用下的渾水動床模型試驗 在模型的相似理論和試驗技術方面取得了重要進展 4 1 4 6 表1 2 是國內(nèi)部分河口模型的比尺情況 表1 2 國內(nèi)部分河口海港物理模型概況 序 丌 名稱國家或單位水平比尺罨直比尺變率 1 l射b l 河閘模犁 1 9 f i 4 年 南京水科院8 0 08 01 0 2鴨綠江f 游潮i x 模型 1 9 5 5 年 南京水科院 1 2 0 01 5 08 3黃浦江河口整治 1 9 5 7 年 南京水科院 7 0 07 01 0 4k 江口整體模型 1 9 5 6 年 南京水科院2 6 0 01 2 02 1 6 7 5錢塘江河口模型 1 9 6 0 錢塘江j 1 程局 1 0 0 01 0 01 0 6甌江河口模型 1 9 6 9 年 南京水科院1 0 0 01 0 01 0 7錢塘江河口整體模型 1 9 7 2 錢塘江工程局3 0 o1 0 03 0 8妖江口航道整治模型 1 9 7 5 南京水科院 1 6 0 01 2 01 3 3 3 9 閩江口航道整治 1 9 7 5 杭州大學 6 0 06 01 0 j 0鎮(zhèn)海港 1 9 7 5 天津水運所3 5 0 5 0 7 黃埔薪港區(qū) 1 9 7 7 j 1 州水科所 4 0 08 05 1 2長江口航道治理模型 1 9 8 2 南京水科院2 0 0 01 5 0 1 3 3 1 3k 江口航道治理模型 1 9 9 8 長江口航道試驗中心 1 0 0 01 2 58 1 4長江口進口段模型 1 9 9 6 南京水科院 9 o1 2 07 5 1 5 黃埔新沙港珠江水利委員會 6 0 08 07 5 1 6 珠江口磨刀i j 河口珠江水利委員會 1 5 0 0i o o1 5 1 7 珠江三角洲模型h 珠江水乖 委員會 7 0 07 01 0 1 8汕頭港河口攔 沙整治模型 南京水科院 5 0 08 06 2 5 1 9 甌江龍灣港航道整治南京水科院 1 0 0 01 0 01 0 2 0 洋山深水港區(qū)南京水科院 7 o1 2 05 8 3 2 1 寧波北侖港南京水科院 7 5 01 2 56 2 2 呂泗港南京水科院 9 o1 0 09 2 3 溫州i 淺灘圍涂 翻鼙 網(wǎng)承水褂阮 1o 01 0 01 0 2 4 永定新河河口 南京水科院 6 4 08 08 2 5 廈門灣南京水科院 5 5 06 09 1 7 2 6 深圳 人鏟灣港區(qū)南京水科院 5 4 08 16 6 7 2 7 廈j j 西海域整治一 程 南京水科院 5 0 07 0 7 1 4 2 8韓國光陽港南京水科院 4 8 01 0 04 8 2 9珠江口天津水運所 9 0 01 2 0 7 5 3 0洋山港模型天津水運所 8 5 01 3 5 6 3 3 1 洋山港模型天津水運所 6 0 01 0 06 3 2黃驊港天津水運所 8 5 01 0 08 5 3 3甬江口天津水運所 3 5 05 07 1 2 4 已有變率影響研究 根據(jù)物理模型相似理論的要求 4 8 州 物理模型以正態(tài)為宜 然而由于河口 海岸地區(qū)水域很大 進行正態(tài)或小變率的泥沙模型試驗j l 乎都不現(xiàn)實 從理論上 第一章緒論 講 變態(tài)模型并不完全滿足相似理論的要求 在流場和泥沙運動方面均會產(chǎn)生不 同程度的誤差 5 7 刪j 以往有不少學者 6 3 8 1 從理論上研究模型變率對試驗成果的 影響 但通過系列模型試驗研究變率影響的并不多 而且主要是針對恒定水流條 件下順直段和彎道段變率對水流和泥沙沖淤相似性的影u 向 尚未見通過系列模楚 研究潮流作用下變率對流場和泥沙場的影響 佛里斯 6 9 1 指出當原型及模型內(nèi)同類物理量的比值不是常數(shù)而隨空間或時間 變化時 則此模型有比尺影響存在 對于河口模型比尺問題 美國陸軍工程兵團 水道試驗站的經(jīng)驗是 河口定床水工模型最適合的垂贏比尺是1 1 0 0 小于1 1 5 0 的比尺很少采用 很淺的河口則用l 8 0 或1 6 0 這是因為模型水深太小 時 現(xiàn)有流速儀不能應用 而且也不能傈證在大部分潮汐周期中水流為紊流狀念 德國方修士研究所也認為川1 垂直比尺l 1 0 0 較適當 這樣模型上流速與潮位 的測量精度大致與原體的測量誤差相一致 英國環(huán)境局在介紹泰晤士河口口外部 分模型試驗 資料中認為 研究較小范圍的問題時 用動床小比尺模型預測河口 體系的泥沙運動可得出合理的成果 日本學者則認為 7 3 河口是三維問題 條件 復雜 最好采用動床試驗 1 2 4 1 理論分析研究 一般認為 7 4 1 研究 維水流問題即只研究水位和平均流速的相似問題 這類 模型的變率可取得比較大一些 這罩控制模型變率大小的條件主要是模型的糙 率 而不是水流的相似條件 至于平面二維水流的相似還包含某種程度的二維流 場相似問題 因此變率受到更多的限制 但究竟多大變率彳 能使平面二維水流的 相似性不致受到過大的影響 目前尚無可靠的研究成果 以往文獻往往根據(jù)在水 槽試驗中獲得的平面二維水流的寬深關系來確定對變率的限錨4 亞林 m s y a l i n 將斷面劃分為代表性的中問區(qū)和受邊壁影響的兩個岸邊 區(qū) 設河流的水面寬為b 平均水深為h 代表中間區(qū)的水面寬為c 2 受邊壁 影響的左右兩個岸邊區(qū)水面寬為c t 假設中間區(qū)保持足夠的寬度 無論在原型 和模型中均能代表全斷面的水力特性 則模型的允許變率n 具有如下關系 刁s 魯c 爭 如兩岸邊壁區(qū)共有3 5 倍水深的寬度即2c 1 3 5 h 并要求中間區(qū)達到水 河海大學博士犖住論文 面寬2 1 3 或至少1 1 2 即c 2 o 6 7 0 5 b 則可得模型允許 變率限制的近似式 為 1 去c 爭 洛西耶夫斯基 a h 2 o c h e b c k h 口 根據(jù)水槽試驗 當水槽寬深關系小于一 定程度 如8 之后 斷面內(nèi)的環(huán)流方向和數(shù)曰都可能發(fā)生變化 據(jù)此 認為保 證變態(tài)模型斷面內(nèi)環(huán)流方向和數(shù)目不發(fā)生變化的限制條件為 7 5 1 叩 否1 百b 根據(jù)沙巴涅夫和崗恰洛夫的研究 當水深寬深比大于1 0 時 水流基本屬于 二維水流 7 6 1 因此 寬深比的限制可規(guī)定為 r l 而九 既可能大于 也可能小于 因此指數(shù)m 值可正可負 將上式改寫成 九 九 式中 叫分 這罩的a 即為模型比尺 偏離厶而產(chǎn)生的偏差 1 2 5 3 丁壩沖刷系列模型應用 丁壩 橋墩等建筑物前由于水流發(fā)生變化而出現(xiàn)局部沖刷坑 為了保證工程 的安全 需要研究沖刷坑的沖刷深度和沖刷范圍 1 0 4 1 0 l 在實測資料和試驗資料 的基礎上 許多學者 一2 如建立了不少局部沖刷預報公式 但是這些公式的應用 有一定的限制 也有不少學者從數(shù)學模型出發(fā) 去模擬局部沖刷坑的深度和大小 1 1 2 4 1 2 9 還有學者用系列模型進行了橋墩 沉井 圍堰等局部沖刷和防護試驗 模型沙采用過原型沙 非原型天然沙和塑料輕質(zhì)沙等 第一章緒論 下面介紹長江口深水航道工程丁壩沖刷系列模型研究的情況 3 0 1 長江曰深 水航道位于長江口的南港至北槽河段 治理工程分別由長約5 0 k i n 的一一對南導堤 和北雙導堤 分流嘴工程 丁壩工程以及疏浚工程組成 工程分三期實施 一期 工程南北雙導堤各長近2 0 k m 南北導堤各布置三條丁壩 航道浚深為1 0 m 為 了確定丁壩壩頭的防護范圍 采用系列模型對丁壩壩頭局部沖刷進行了試驗研 究 壩頭附近北槽河床質(zhì)為粉沙 d 5 0 o 1 6 m m 選擇北導堤兩條丁壩 n 1 和 n 3 和南導堤兩條丁壩 s l 和s 3 的布置方案 試驗分別采用長江口原型沙和 瀝青沙作為模型沙 當模型沙采用原型沙時 做3 個 f 態(tài)模型 比尺分別為4 5 5 5 和7 5 當模型沙采用瀝青沙時 系列模型的比尺分別為1 0 0 1 5 0 2 0 0 瀝 青沙的中值粒徑為0 3 5 m m 試驗在長3 0 m 寬6 m 的水槽中進行 丁壩頭部局部沖刷試驗動床范圍長 1 5 m 寬6 m 丁壩頭部附近水下地形按1 9 9 7 年測圖制作 在長江v i 整體模型上 測量一期工程丁壩壩頭流速 并作為局部模型的水流控制條件 選用上游大通流 量3 0 0 0 0 m 3 s 與大潮 中浚潮差4 0 m 組合進行沖刷試驗 模型測得n 1 n 3 s l 和s 3 丁壩壩頭落潮最大流速分別為2 5 n g s 3 0 m s 2 7 5 m s 和2 9 5 r r g s 對 應潮位為i 0 m 將原型沙的試驗結果換算到天然沖刷深度后 得到比尺分別為4 5 5 5 和7 5 的模型其對應的n 1 丁壩壩頭最大沖刷坑為8 7 m 8 8 m 8 7 m n 3 丁壩壩頭最 大沖刷坑為1 2 4 m 1 2 7 m 1 2 6 m s l 丁壩壩頭最大沖刷坑為9 5 m 9 6 m 9 5 m s 3 丁壩壩頭最大沖刷坑為i 1 2 m 1 1 4 m 1 1 3 m 將n l 丁壩壩頭瀝青沙系歹0 模 型試驗結果換算至原型值 得到對應比尺為1 0 0 1 5 0 2 0 0 三個模型的原型最大 沖刷深度分別為1 0 i m 1 0 0 m 和1 0 2 m 與n l 丁壩壩頭原型沙系列模型試驗結 果比較 兩者最大沖刷深度接近 1 3 本文的研究工作 結合長江口航道建設有限公司委托項目 長江口懸沙動床模型設計和模型變 率影響研究 項e 1 和國家自然科學基金項目 河口海岸模型變率影響研究 本 文采用系列概化物理模型對潮流 波浪 泥沙物理模型變率的影響進行試驗研究 5 河海大學博士學位論文 對采用數(shù)學模型方法研究變率影響問題進行了初步探討 進行的主要工作有 1 總結了國內(nèi)外河口物理模型試驗和物理模型變率影響的研究現(xiàn)狀 闡述了 變率影響的研究方法和理論依據(jù) 指出進行河口海岸模型變率影響試驗研究的重 要性和必要性 2 給出進行潮流波浪共同作用下懸沙和底沙 全沙 物理模型需要遵循的相 似條件 3 參照長江口北槽航道的具體條件 設計了變率為2 5 4 6 8 3 3 和1 2 8 的五個概化物理模型 其水平比尺分別為2 0 0 4 0 0 6 6 0 1 0 0 0 和1 6 0 0 垂直 比尺分別為8 0 1 0 0 1 1 0 1 2 0 和1 2 5 4 對五個模型的潮位 流速 波高 含沙量進行了驗證 使得潮流 波浪和 含沙量與原型基本相似 為模型變率影響研究提供了基礎條件 5 在系列變率模型中進行了無丁壩時大潮 中潮 大浪 中浪及其相互作用 f 懸沙定床 清水動床以及渾水動床試驗 研究變率對航道流速 波高 航道沖 刷深度以及底沙輸沙量的影響 6 在系列模型上進行了三種丁壩布置即一對丁壩 對口丁壩 一對斜對丁壩 錯口丁壩 和兩對丁壩 雙對口丁壩 情況下的清水動床 懸沙定床和渾水動 床試驗 研究變率對航道流速 航道沖淤變化 丁壩壩頭沖刷坑深度和沖刷范圍 的影響 7 建立了潮流作用下變態(tài)模型與變率為1 的難態(tài)模型丁壩頭沖刷穩(wěn)定深度之 間的關系式 可以通過變態(tài)模型預測正態(tài)模型中丁壩頭的沖刷深度 8 從理論上分析模型變率對流速和含沙量沿垂向分布 泥沙起動流速 推移 質(zhì)輸沙能力的影響 采用數(shù)值模擬方法 針對概化物理模型建立了相應的潮流數(shù) 學模型和泥沙數(shù)學模型 探討了采用數(shù)值模擬方法研究模型變率對潮流速 航道 沖淤變化的影響 第二章潮流波浪泥沙模型相似理論 第二章潮流波浪泥沙模型相似理論 模型試驗研究是建立在相似理論基礎上的 只有滿足相似理論所規(guī)定的相似 條件 模型 a 與原型相似 l 能根據(jù)模型的試驗結果推斷原型中的情況 相似條 件可以通過三種方法導出 一是方程分析法 二是根據(jù)相似定義的傳統(tǒng)分析法 三是量綱分析法 由于傳統(tǒng)分析法和量綱分析法在選擇物理量上都帶有任意性 司 能會遺漏某些重要的物理量或添進不必要的物理量 導致不正確的結果 因此 方程分析法最為完善 本章將從潮流運動基本方程 懸沙和底沙輸沙方程及河床沖淤方程出發(fā) 給 出進行潮流波浪作用下懸沙和底沙 全沙 物理模型需要遵循的相似條件 2 1 潮流的相似條件 在以膏 y z 表示的直角坐標系中 流體運動基本方程具有如下形式 彗 宴 宴 o 孤a va 2 2 1 o uo uo uo u 面 面 面 瓦 2 2 x 一古罷 殺c v 三o yc v 喜o y 三o zc v 喜o z 卜警一等一掣o zod x o xd xd xd a va va va v 面 瓦w 面 w 瓦 一古考 未c v 專一咖o r 立o zc p 爭警 等一警 a wa wa h a w 瓦卻面 面柵瓦 一一一 2 4 z 一古妾 未c p 警 專e v 塑b y 未c p 塑o z 一1 u t w p 一等一掣 式中 口 分別為j 幾z 方向上的時均流速分量 t 為時間 p 為壓力 p 為水的密度 一刃 一刀 一麗 一刀 一而和一訪留等為紊動應力 當x 軸取河道縱向方向 v 軸取河道橫向方向 z 軸以河底為原點并垂直向 河海大學博士學位論文 警 考 瓦b w c a b ub ua uo u 面蜘面 v 面 i 叫 一古罷 知擴b u 專c y 爭妄c y 司b u 一票o t t u 一雩b u v 一孚心 2 們 面枷忑 v 丙 瓦 叫 一吉考 熹c 君o v 專c y 面b y 未c r 孛b y 一誓一雩b y v 一孚 3 曲 面 面w 面州i 一g 一古安 未c v 警 專 考 妄c v 塑b z 卜學一百o r w 一1 0 w w 2 4 a 一 塑a xa 蟲a s z o 一一一l a p g o 一一石 d z 刈p 一塑笪 o b z 而水平方向紊動切應力一 訂和一 帚均從水面向河底接近直線增大 因而可分別 一刀 吉u 廳了 t 一三 一苧三主塑墮壁壘墨鯊堡型塑絲堡建 一而2 專y 曠萬 一 式中巴為無尺度謝才系數(shù) 即c 0 c 拓 f 為謝爿 系數(shù) 和礦分別為垂線平 均流j 噩在j 豐u 萬向的分量 h 為水深 考慮到上述各簡化計算式并忽略水的粘滯阻力 可以得到潮流運動方程 面o u 面o v 警 2 1 b 百o u 磊o u v 考 w 豢 礬一等 等一 u 1 f u 鬲2 v 2 c z z n 百 磊w 面 w i 2g o 一1 f 1 廠一 i 鬲 2 2 b 扣 考c w 警叫 一等一等一 池s n 面蝴磊枷丙 瓦2 斟v 一1 一1 f 一 1 萬一 2 t3 b b wa wa wa w 百十 面 丙 i 未c 扛廳蠆 抄專c 擊 廳z 爭 q 4 如果上述方程組中的各項均能按相同的比例縮小 則模型中的水流就能與 原型相似 將各模型量代入方程 2 1 b 至 2 4 b 式中 得到下列方程 其中 五為比尺 表示原型量與模型量的比值 其下標m 表示相應的模型量 下標p 表 示相應的原型量 砉c 警 砉c 舅 魯c 警 c z s 魯c 害 百2c 弘b u 孤 警c v 考 屯u 九c w 耄 警c 鰳 專c 警 7 7 卜誓c 迎a y 卜告c 唑孚 他 6 魯c 警c 扣籌t v 扣警c w 警吲 一等c 等卜誓c 雩卜麗2c 萼茅 q 7 9 河海大學博士學位論文 蒹t 未c 專u 廚 音 除以 2 6 式 成為如下無量綱形式 除以 2 7 式 成為如下無量綱形式 2 8 c 警 等c 蕓 等c v 薔 警t w 薯 m 船靜廁 渺箍t 毒 w 麥t 礦廁 挑 模型的水流運動滿足連續(xù)方程和運動方程的條件是 一妒一u k 一g業(yè)破爭 每 番 h 塑砂 帆 絲以 卜 k 業(yè)h m 盟疋 k 業(yè)m 丸一 至得式 52 以除 九一t 羽 0 i i k 業(yè)破 t 一允 扎一屯 k 孔一砂丑一九 丸一九 十 九一丑 甩 h 孔一跳 絲五 k 孔一匆 扣 絲以 k 孔一孤 絲以 h 孔一礬 鏟 攔 五一 玉k嬰砂 絲鍛 一 一 簪 姒 等 丑一 用 蚴彬 絲t 約 絲以 卻一孤 似 絲t 十 簪 攔 篡簪簪 k 等 盟地 婦 等 式形綱量無f 如為成式82 以除 笠丑 甩 t 一丑 扎一九 i i t 一丑凡一九 第二章潮流波浪泥沙模型相似理論 警乩等刮 等刮 蘭叢 l 3 2 y 2 1 籌乩甏乩麓乩 籌乩籌乩甕乩 籌乩籌乩餐乩麓2 州 整理得到模型水流與原型水流的相似條件為 無 五 掣2 2 9 九 丸 五 2 1 0 丑 屯 丑 硝2 2 1 1 芘 九 2 2 1 2 式 2 9 2 1 0 和 2 1 1 由慣性力與重力比尺相同而得 稱其為重力