渗流作用下冲流带水力特性与泥沙起动机理研究

论文摘要

海床与河床内部渗流往往会影响冲流带床面泥沙输运,对沿岸结构物正常服役造成负面影响。研究波浪冲流过程中床面渗流规律以及其对床面泥沙起动影响机理,将有助于深入理解冲流带波浪冲流特性与床面侵蚀机理,进而对海岸与河岸防护提供科学依据。本文通过模型试验与数值模拟方法研究了考虑床面渗流作用的冲流带水动力特性,并分析了床面渗流对其泥沙起动的影响规律;针对钱塘江排桩式丁坝防护工程,系统分析了钱塘江涌潮作用下排桩式丁坝服役性能。主要研究内容分述如下:1、在室内水槽开展了孤立波在可渗透和不可渗透斜坡海床上冲流试验,测试了冲流过程中波高、波速等变化规律;对比可渗透与不可渗透海床冲流过程波形变化,发现不可渗透海床上涌更快,最大上涌高度更高,波面也更为陡峭。根据波形变化,可将波浪冲流过程定义为三个阶段。2、研究砾石海床孤立波作用下冲流过程,分别对波高、波浪不对称性、床面切向流速发育、边界层厚度与床面切应力进行了探讨,研究发现床面入渗大大加强了波浪不对称性,在其沿滩面上冲过程中表现为强入渗,相应增大了床面切应力;回流过程因入渗所造成流量损失,导致床面切应力明显减小。综合评估渗流引起床面颗粒有效重度和切应力变化对希尔兹数的影响,发现渗流引起的切应力改变是引起希尔兹数变化的主要因素,床面希尔兹数大幅增加,并导致泥沙起动范围大大增加。3、通过数值模拟深入研究了渗透床面泥沙粒径对流场特性与泥沙起动情况的影响规律。通过比较2mm海床与5.5mm海床表面泥沙希尔兹数,评估了在不同海床渗透性下重度修正、渗流力切应力修正、延续效应切应力修正三种机制对其分别影响。研究发现,渗流力切应力修正对希尔兹数影响最大,且与入渗速度正相关;延续效应切应力在砾石海床中影响较大,可以通过床面不对称性进行评估;重度修正在砂质海床中影响较大,且主要发生在上涌过程中。通过比较孤立波与周期波条件下海床水动力特性与表面泥沙希尔兹数,评估了不同流场对其产生的影响:结果显示,入射波浪变化改变了冲流带水力条件,从而对泥沙起动也产生较大影响,由于周期波作用床面入渗减弱,渗流力引起的泥沙重度修正也随之变弱。4、通过丁坝三维数值模型,模拟涌潮冲击钱塘江丁坝过程,对涌潮作用下海防工程压力分布规律进行研究,利用室内模型试验对数值结果进行验证,深入评估了丁坝透水率对排桩压力分布产生的影响。结果显示,排桩压力差P0在坝头处最小,坝根处最大,沿坝长方向P0峰值的差异随透水率减小而增大;在排桩高度方向上,P0随位置升高而逐渐增大,且透水率越小P0峰值也更大,不同透水率差异随着位置增高而逐渐减小。

论文目录

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 王逸伦

导师: 曹志刚

关键词: 渗流作用,冲流带,希尔兹数,排桩式丁坝

来源: 浙江大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 地球物理学,水利水电工程

单位: 浙江大学

分类号: TV142

DOI: 10.27461/d.cnki.gzjdx.2019.002424

总页数: 102

文件大小: 9286k

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