变化水头作用下地下水动力过程特性的实验研究

论文摘要

河口海岸地区受潮汐和波浪作用影响,浪冲带(swashzone)水流上冲回落机制复杂,是研究海岸工程中急需攻克的难题。海滩内部的保水量不断变化,影响沙滩内部孔隙水压力分布,改变泥沙内部地下水位高度,对海滩侵蚀和堆积产生重要的影响。因此,研究周期性上冲和回流作用下的沙滩内部的孔隙水压力变化,有助于我们了解浪冲带沙滩内部受潮汐、波浪等外部水动力作用下的渗流过程和特征,对海滩盐淡水混合、污染物输移、海滩泥沙运动等物理现象有更深入认识,并对其现象和过程给出水动力学相关的科学解释。基于此,本文采用物理模型沙柱实验研究了增减水和振荡水头驱动作用下(分别对应于浪冲带内水流上冲和回流过程,以及周期循环作用过程)海滩内部孔隙水压力、地下水位等特征参量的变化特征和机理机制。在实验过程中,尤其在介质交界面处,毛细作用会对沙滩内部孔隙水压力的分布起重要的影响。为深入探究增减水作用下地下水动力过程的变化规律,本研究进行了一系列的变化水头作用下的沙柱实验,包括降水实验、增水实验和振荡水头实验,对与毛细作用相关的粒径、沙面倾斜角度、毛细截断因子、振荡速度等因素对海滩内部孔隙水压力的影响开展了具体的研究分析。在降水实验中,压力水头在水位经过水沙交界面的瞬间,因为毛细作用产生突降,突降值为沙体的毛细高度(该毛细高度和粒径大小呈反比),突降过程快慢和沙面倾斜角度呈反比关系。对于分层沙柱实验,水位经过沙石交界面时孔隙水压力随时间的下降趋势会变得缓慢。在增水实验中,毛细截断因子(TF)对于浅含水层孔隙水压力变化有着非常重要的影响。在一定条件下,微小加水量可引起沙体内部孔隙水压力水头不成比例的增大。基于此,本研究讨论了不同毛细截断因子下的增水实验结果。实验表明,加水后,压力水头先迅速增长,然后减缓,最后达到平衡状态。不同截断因子对地下水动力过程有显著的影响。当TF≤1时,加入少量的水使孔隙水压力几乎瞬间增加,地下水位迅速上升到沙面,此时压力水头增量与TF呈线性关系。当TF=1时,压力水头增量接近最大值(沙体的毛细上升高度)。考虑压力水头的垂向分布,压力水头梯度在加水后先变大(梯度值>1),然后逐渐减小到初始静压状态(梯度值=1)。当TF>1时,加水后压力水头增大,但压力水头增量随TF值的增加而减小,特别是在TF=1附近敏感度增加。此时,少量加水后地下水位有一定的上升,但最终位置仍保持在沙面以下,整个增水实验过程中,压力水头垂向分布梯度变化不大,始终保持静压梯度(=1)。在振荡水头驱动实验中,本研究考虑了外部驱动水头不同的振荡速度,分析了沙柱内部相应的压力总水头和地下水位变化。研究表明沙柱内部总水头变化幅度小于驱动水头,而随着振荡驱动速度的增大,沙柱总水头变化谷值处幅值越小,峰值越大。实验发现沙柱总水头响应谷值的绝对值大于峰值,这与沙体毛细作用密不可分。周期振荡驱动实验的前1/4周期与降水实验类似,第二个1/4周期与增水实验类似。沙柱内部总水头和地下水位变化在谷值处与外部驱动水头存在明显的相位差,这表明沙柱的存在会导致孔隙水压力和地下水位变动的滞后。在第一个振荡周期内,地下水位在前0.35周期内随驱动水头的下降而降低,随后逐渐上升,但始终低于沙面。本文通过物理模型实验,初步研究了不同驱动水头情况下泥沙内部孔隙水压力的变化特征和规律,进一步拓展了对该问题物理本质的理解。此外,本文从简单的单一方向水头变化入手,扩展到周期振荡水头变化,为进一步深入研究外部复杂周期性水头作用下的海滩内部孔隙水压力动力响应过程和机理打下了良好的基础。

论文目录

致谢

摘要

ABSTRACT

1 绪论

1.1 研究背景

1.2 研究现状

1.3 存在问题

1.4 研究目的

1.5 研究内容

1.5.1 研究内容

1.5.2 研究框架

2 毛细作用原理及测量方法

2.1 基本概念和原理

2.1.1 基本概念

2.1.2 原理机制

2.1.3 影响因素

2.2 多孔介质毛细高度的计算

2.2.1 Washburn方程

2.2.2 Fetter's方程

2.2.3 海森公式

2.3 毛细高度测量实验

2.3.1 直接观测法

2.3.2 卡明斯基法

2.4 复数有效孔隙率

3 物理实验

3.1 实验设备

3.1.1 渗流水槽

3.1.2 振荡驱动装置

3.1.3 实验结果视频采集设备

3.1.4 毛管仪

3.1.5 其他

3.2 泥沙样本及中值粒径测量

3.2.1 泥沙样本

3.2.2 筛选设备

3.3 实验重复性

4 下降水头作用下泥沙内部水动力过程研究

4.1 实验设置

4.2 交界面对孔隙水压力的影响

4.2.1 水沙交界面

4.2.2 沙石交界面

4.2.3 初始渗流阶段

4.3 倾斜沙面孔隙水压力的变化

4.4 瞬时地下水位的变化

4.5 本章小结

5 上升水头作用下泥沙内部水动力过程研究

5.1 实验设置

5.2 孔隙水压力时空变化

5.3 瞬时地下水位随时间变化

5.4 本章小结

6 振荡水头作用下泥沙内部水动力过程研究

6.1 实验设置

6.2 总水头随驱动水头的变化

6.3 地下水位随周期变化

6.4 本章小结

7 结论与展望

7.1 结论

7.1.1 降水实验

7.1.2 增水实验

7.1.3 振荡水头驱动实验

7.1.4 创新点

7.2 展望

参考文献

作者简历

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 杭锦程

导师: 赵西增,刘海江

关键词: 沙柱实验,孔隙水压力,地下水位,毛细作用,毛细截断因子,振荡驱动

来源: 浙江大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 地质学

单位: 浙江大学

分类号: P641

DOI: 10.27461/d.cnki.gzjdx.2019.000217

总页数: 84

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