潮汐环境下细粒泥沙沉降速度研究述评Ⅱ——计算方法与公式*

作为“潮汐环境下细颗粒泥沙沉降速度研究述评”的第二部分,详细介绍了在潮汐环境下确定细颗粒泥沙沉降速度的计算公式与相关方法。通过正式文献可以考证的,关于细颗粒泥沙沉速的计算公式逾百种,每个公式均有其一定理论或经验的背景,本文系统地分析并对比了不同背景的计算公式和方法：1）以粒径为主要因子的半经验公式（武水公式、Stocks公式等）,忽略了细颗粒泥沙的基本沉降特性;2）以含沙量为主要变量的泥沙沉速经验公式,不同研究者得到的结果或者公式的参数差异较大,在没有确认其计算条件、计算方法、测量工具、适用条件前,需谨慎选择,不能简单吸纳,尤其是在盐淡水混合的潮汐环境下,其相关关系和影响因子具有较强的特定性;3）劳斯公式拟合法所得的“有效沉速”,在计算过程把不同因子导致的泥沙颗粒向下的运动均归为泥沙重力沉降过程,物理概念不清晰;4）麦克劳林公式计算细颗粒泥沙沉速,符合沉速的物理定义,其理论性和物理意义也较强。     

潮汐环境下细颗粒泥沙沉降速度研究述评Ⅱ——计算方法与公式

作为"潮汐环境下细颗粒泥沙沉降速度研究述评"的第二部分,详细介绍了在潮汐环境下确定细颗粒泥沙沉降速度的计算公式与相关方法。通过正式文献可以考证的,关于细颗粒泥沙沉速的计算公式逾百种,每个公式均有其一定理论或经验的背景,本文系统地分析并对比了不同背景的计算公式和方法:1)以粒径为主要因子的半经验公式(武水公式、Stocks公式等),忽略了细颗粒泥沙的基本沉降特性;2)以含沙量为主要变量的泥沙沉速经验公式,不同研究者得到的结果或者公式的参数差异较大,在没有确认其计算条件、计算方法、测量工具、适用条件前,需谨慎选择,不能简单吸纳,尤其是在盐淡水混合的潮汐环境下,其相关关系和影响因子具有较强的特定性;3)劳斯公式拟合法所得的"有效沉速",在计算过程把不同因子导致的泥沙颗粒向下的运动均归为泥沙重力沉降过程,物理概念不清晰;4)麦克劳林公式计算细颗粒泥沙沉速,符合沉速的物理定义,其理论性和物理意义也较强。     

粉沙质海岸波浪和潮流作用下泥沙垂线分布研究

研究波浪和潮流作用下水体含沙量的垂线分布,是解析粉沙质海岸滩面泥沙在波浪和潮流作用下泥沙运移形态的重要基础。通过波浪水槽实验和现场观测资料,揭示粉沙质海岸滩面泥沙在波浪和潮流作用下垂线分布特征,并应用泥沙扩散方程,建立起半理论半经验的含沙量垂线分布公式。     

广州港南沙港区水文泥沙条件及回淤分析

根据广州港南沙港区的历史水文资料、近年的多次水沙实测资料和相关科研成果,时南沙港区的水文泥沙条件和工程后的泥沙回淤进行全面的分析研究.综合分析工程水域的水文泥沙条件和泥沙沉积环境,探讨了泥沙淤积经验公式在本港区的适应性,初步得到了南沙港区泥沙回淤的特性.     

港珠澳大桥岛隧工程沉管基槽开挖回淤强度研究

通过分析港珠澳大桥沉管隧道附近水沙条件及沉管开挖位置试挖槽回淤特征及影响因素,利用二维潮流及泥沙扩散数学模型模拟了沉管开挖前后水流变化及疏浚船舶施工溢流泥沙扩散淤积分布,综合考虑疏浚溢流因素及自然泥沙回淤因素,结合回淤公式对沉管基槽开挖回淤进行了分析研究和估算,结果显示挖槽后沉管基槽开挖位置流速减小40%～60%,流向更偏向垂直于挖槽基线;疏浚溢流泥沙扩散呈"窄条"型分布,泥沙扩散0.005 g/L浓度线最远范围不超过2 km,溢流泥沙主要沉淤至槽底内,两侧边坡也有所淤积,淤强低于挖槽底部。通过计算,基槽开挖后年淤积强度1.3～2.8 m/a。     

钱塘江河口细颗粒泥沙起动流速研究

采用泥沙水槽试验研究了钱塘江河口不同粒径的泥沙起动流速。针对室内水槽试验水深条件的局限性,提出了以实测含沙量过程线拐点附近相应的垂线平均流速为泥沙起动流速的方法,得到了水深范围介于0.15～13.6m、中值粒径介于0.002~0.07mm的泥沙起动流速。张瑞瑾、窦国仁公式与沙玉清泥沙起动公式对比结果表明,各公式对于浅水深的水槽试验值均有较高的计算精度,而对于大水深起动流速均明显偏大。以张瑞瑾公式为基础,通过多元回归分析法修正有关系数,建立了适合于钱塘江河口细颗粒泥沙的起动流速拟合公式。     

长江口北槽悬沙垂线分布经验公式研究*

利用Rouse公式对长江口多次实测资料进行整理分析,得出了长江口北槽纵向悬沙垂线分布的特征,验证了描 述悬浮泥沙垂线分布的Rouse公式的适用性,阐明了利用Rouse公式推算得到的不平衡条件下泥沙沉速与实际泥沙沉速的差 异,并利用不平衡条件下的垂线分布公式和北槽悬沙垂线分布实测资料,率定和验证了不平衡输沙系数和垂线平均含沙量 的经验关系式,在此基础上,建立了适用描述长江口北槽悬沙垂线分布的经验公式,并通过实测资料得到了验证。     

风对悬浮泥沙扩散特性影响数模研究

为探讨风对海岸工程产生悬浮泥沙的扩散特性影响,通过苍南海域海上倾倒试验实测资料验证了河口海岸地区平面二维潮流泥沙数学模型的计算参数。然后在模型中考虑风的作用,比较不同风向和风速作用下的悬浮泥沙扩散特性。研究结果表明:风会对悬浮泥沙的运动轨迹、扩散速度和扩散范围产生较大影响,且风向和风速是十分重要的影响因素。     

含沙量沿垂线分布的研究

文中以紊动扩散理论[1]为基础,针对不同的流速分布规律,提出均匀及非均匀悬移质泥沙沿垂线的分布规律,并对罗斯公式[2]和基于张洪武流速公式[3]的含沙量沿垂线分布的公式做一对比,与实测资料对比发现,后者与实测更加接近,并且克服了含沙量在水面处为0的弊端。     

泥沙颗粒沉降速度计算方法比较分析

泥沙颗粒沉降速度是泥沙管道输送磨阻损失计算的关键因素。针对当前使用较多的颗粒沉降速度计算方法,包括孙玉波提出的对应不同流型的个别计算方法、Concha等人提出的以形状系数为自变量的直接计算方法、Cheng Nian-Sheng基于阻力系数和雷诺数之间关系回归得出的公式、Ahrens基于阿基米德浮力指数和雷诺数之间关系回归得出的公式、Wilson提出的在不同剪切雷诺区的分段计算方法、Weiming Wu基于大量不规则颗粒沉速回归所得的公式,分别进行了详细介绍。进行了计算验证,并与测量数据相比较。给出了关于泥沙颗粒沉降速度计算方法选用的建议。     

开挖过程中悬浮泥沙扩散输移的数值模拟

通过建立平面二维潮流和悬浮泥沙输移扩散的数学模型,模拟某挖泥工程中悬浮泥沙的扩散输移过程,并应用非结构网格的有限单元法进行离散求解.该模型结合工程实际,采用连续线源模拟挖泥过程中的增量悬沙,以揭示其在开挖过程中扩散输移的机理,为工程环境影响评价提供科学依据.     

泥沙模型起动相似问题

本文根据床沙起动流速和起动拖曳力公式,分别导出了泥沙起动问题相似比尺,结果表明两者完全一致、并指出,以往所得结果之所以不一致,是因为起动流速公式中包含了阻力因素,该因素是以泥沙粒径的函数形式出现,在公式导演过程中,忽视了其阻力意义,因而导致了错误的结果.     

鳌江下厂渔港段水流挟沙力公式研究

利用2009年5月9-10日大潮期间所测得的鳌江下厂渔港段146组泥沙数据,对多个典型的挟沙力公式进行拟合,结果显示：直接利用这些公式不能较地反映全潮过程垂向分布的挟沙力状况。结合各相关因子,考虑垂向因子的影响,通过相关分析,并引入流向因子,分析得到全潮过程垂向分布的挟沙力公式。公式计算结果与该段河道实际挟沙力相符。利用鳌江口、飞云江口及平阳近岸海域近1,000组数据对公式进行验证,均得到较好的拟合效果,验证了公式的可靠性与有效性,也说明了公式同时适用于河道、河口及近岸水域挟沙力分析。该研究为今后鳌江河道治理、港池维护、近岸工程建设及相关科学研究提供参考。     

顺岸式码头港池的水流特点及淤积计算

顺岸式港池是港口工程中常用的一种布置形式,港池的水流和泥沙淤积均具有其自身的特点,以往没有该类港池的泥沙淤积计算公式.本文利用二维数值水流槽试验研究顺岸式码头港池水流的特点,通过理论推导得出顺岸式码头港池的淤积公式.结合上海洋山港现场实测资料及泥沙水力特性的成果,利用该公式计算了洋山港区一、二期港池的淤积情况,计算结果与现场实测值吻合良好.表明本公式可在洋山深水港区使用,也可在其他类似港区的顺岸式码头港池中推广应用.     

北江某河段宽级配泥沙模型设计探讨

结合该河段泥沙水流特点 ,对各家公式得到的计算结果进行对比分析。分析表明 ,运用水槽试验成果得到的各相似比尺是准确可靠的 ,模型试验成果运用到实际工程中获得了成功。     

连云港30万吨级航道工程疏浚土抛泥扩散的数值模拟研究*

利用二维潮流泥沙数学模型,对连云港航道抛泥扩散观测期间的流场和含沙量进行了模拟计算.在对实测成果验证良好的基础上,研究了各抛泥方案中疏浚土倾倒所产生的悬浮泥沙的扩散规律及其对周边水域含沙量的影响.研究结果表明,采用两艘舱容4 500 m3的耙吸式抛泥船,在拟设抛泥点的流向偏向航道一侧时进行抛泥作业,所产生的悬浮泥沙能较快地沿水流方向扩散,高含沙水体的存在时间及扩散距离均较短,对临近航道含沙量的影响很小.     

大丰港海域挟沙力关系式分析及应用

基于大丰港附近海域实测水文泥沙资料,对目前国内应用较为广泛的5种挟沙力关系式在大丰港附近海域进行应用计算,在此基础上,采用集中系数法和偏离系数法对计算结果进行对比分析。结果表明:河口水流挟沙力公式能较好地反映大丰港海域的水流挟沙情况,并拟合得到适用于大丰港海域的挟沙力关系式,将该公式应用于大丰港实际围垦工程中,通过建立二维水动力泥沙数学模型,计算得到的围垦后垦区海域年冲淤变化趋势,与数值模拟结果基本相同,表明该公式在大丰港海域具有良好的适用性。     

海底电缆铺设对悬浮泥沙影响的预测研究

基于经过验证的海域二维潮流数学模型,建立模拟海域悬浮泥沙输移扩散的数值模型.结合浙江岱山至大鱼山某海底电缆铺设的实际施工情况,以移动点源模拟从海底电缆基槽开挖到铺设整个过程的泥沙扰动,分析不同起始施工时刻引起的悬浮泥沙分布情况,预测海底电缆施工过程中悬浮泥沙的增量分布及其对周围环境的影响.     

悬移质含沙量垂线分布

根据尼古拉兹实验结果拟合得到一个新的掺混长度表达式。将新掺混长度表达式与对数流速梯度相结合,得到动量传递系数的表达式。在此基础上假定泥沙紊动扩散系数与对应的动量传递系数相等,进而得到新的含沙量垂线分布公式。该公式与Rouse公式、van Rijn公式以及张瑞瑾公式相比,精度十分近似,有效地解决了Rouse公式表层含沙量为零,van Rijn公式分段表述结构不统一,以及张瑞瑾公式结构过于复杂的缺陷。利用多个海域实测资料对其进行验证,验证结果表明,新的含沙量垂线分布公式能够较客观地反映含沙量垂线分布规律。     

长江口航道疏浚土利用至横沙浅滩数值模拟研究*

针对2020年后长江口深水航道疏浚土全部外抛至海洋倾倒区造成疏浚土资源浪费的问题,利用三维潮流泥沙数学模型SHIWM-3D对疏浚土综合利用至横沙浅滩进行固沙保滩的方案进行了数值模拟,综合分析横沙浅滩流态分布、泥沙输运扩散情况、疏浚土落淤效果以及对深水航道回淤的影响。结果表明：1）航道疏浚土吹泥上滩后部分泥沙直接落淤,部分泥沙则随涨落潮流扩散输运。2）横沙浅滩区域大潮期间呈现冲刷状态,小潮期间呈现淤积状态,疏浚土在浅滩总体表现为淤积。3）航道疏浚土吹泥上滩至横沙浅滩区域对深水航道的回淤影响不大。4）长江口航道疏浚土利用至横沙浅滩的方案是可行的,是解决2020年以后长江口航道疏浚土综合利用的可持续发展方向之一。