波流共同作用下泥沙数值模拟应用研究

以徐圩港区30万t级航道工程建设为例,应用经过验证的波浪、潮流共同作用下二维悬沙运动数学模型,研究工程建设对泥沙运动的影响。研究结果表明,防波堤的修建阻挡了原本徐圩港区近岸带较高含沙水体的运动,使防波堤圈围的陆域和水域造成近岸浅滩面积大量减少,部分沙源消失,工程区域含沙量有所降低。此外,由于东侧堤头挑流后引起堤头浅滩冲刷,掀起的泥沙使徐圩港区口门处含沙量略高,但由于防波堤形态不同,各方案口门附近含沙量场分布亦存在一定的差异。     

强潮河口拦门沙航道回淤及治理措施

针对瓯江口边界地形复杂、岛屿众多、口门以上河段存在高含沙量浑浊带以及底沙级配分布宽的特点，分析了强潮河口拦门沙演变规律及成因，应用波浪与潮流共同作用下的二维泥沙数学模型，研究拦门沙航道开挖后的回淤及治理措施。数学模型中引进前期含沙量的概念，得到了潮流挟沙能力公式，给出了波浪作用下浮泥引起航槽回淤的模拟方法。在瓯江口潮流与含沙量验证基础上，进行了拦门沙航槽开挖后悬沙、底沙与浮泥引起航槽回淤的验证计算，计算的淤积厚度及沿航线分布趋势与实测值比较接近。在此基础上，研究了瓯江口拦门沙航道治理原则、措施及工程对水动力泥沙环境的影响。     

连云港海域悬沙和表层沉积物交换研究

采用粒度谱计算方法分析连云港及邻近海域悬沙和表层沉积物交换特征,为徐圩防波堤口门布置和连云港港航道回淤研究提供理论支撑。连云港港主航道和徐圩航道5 m等深线以外的区域悬沙和表层沉积物交换率为0.1~0.2,表明航道回淤强度将处于较低水平,对今后航道维护有利;5 m等深线以内区域的交换率为0.3~0.4,悬沙落淤对航道回淤有一定贡献,表明该航道段回淤量相对较大,计算结果与实测航道回淤强度分布特征基本一致。灌河口沙嘴正常天气条件下交换率小于0.2,说明悬沙落淤对沙嘴的影响较小;5 m等深线以内破波带水域交换率大于0.5,表明悬沙和表层沉积物交换频繁。连云港港及邻近海域悬沙和表层沉积物交换主要为粒径小于62 μm的细颗粒组分。分析结果表明,为减少泥沙回淤对徐圩港区港池正常运行的影响,兴建防浪挡沙堤并将堤头布置在破波带之外十分必要。     

河口拦门沙段航槽回淤试验研究

河口、海湾地区航道开挖后,航槽内水流强度往往会降低,引起泥沙回淤。以某深水航道为例,利用水槽试验研究沙质海岸波流共同作用下的推移质运动对航槽回淤的影响,得出了航槽回淤量与航道边坡、滩面水深、波浪情况的关系,提出适用于该深水航道的推移质输沙率计算公式,可供其他相似工程参考。     

清远水利枢纽坝下河床冲刷及其对下引航道的影响研究

清远水利枢纽工程是继飞来峡水利枢纽后在北江干流上拟建的又一大型水利枢纽工程。通过动床物理模型试验,研究了枢纽建成运行后下游河道冲淤演变及其对下引航道口门区回淤的影响。结果表明,枢纽运行后,下游河道整体上无论是平面形态还是断面形态均没有发生较大的冲淤变化,坝下冲刷区域主要集中在坝下500 m范围内;下游引航道口门区及连接段总淤积量约8万m3,平均淤高1.46 m,没有形成比较突出的明显碍航的拦门沙。建议碍航时及时进行机械清淤,保障枯水期通航。     

河口高浑浊带航道回淤影响因子分析方法研究

针对河口高浑浊带区域的航道回淤影响因子分析问题,研究提出了一套合理的分析方法。采用了理论模型计算、实测资料分析和相关性分析等技术手段,以长江口深水航道为例,计算比较了冲刷动力、淤积动力以及满足淤积条件的近底层含沙量等因子对航道回淤量的影响,并提出了满足淤积条件的小流速时近底层高含沙量是直接影响长江口高浑浊带区域航道回淤量的主要因子。这一结论通过洪枯季对应数据的差异比较得到了验证,也表明了所提分析方法的合理性。     

滹沱河倒虹吸工程口门特性及河道冲淤试验研究

滹沱河倒虹吸工程是南水北调中线总干渠河北省段穿河建筑物最重要的工程之一.穿河建筑物所在河段宽浅、主流摆动不定、河床冲淤变化无常.通过资料分析、物理概化模型及计算等方法,分别就穿河建筑物所在河段的河床冲淤演变、河道水流流态、口门位置、口门型式和宽度、倒虹吸工程下游局部冲刷及两岸防洪等方面进行了模型试验研究.通过试验分析比较,了解了洪水过程中主河槽游荡的趋势,确定工程口门宽度为2000m,工程口门位置上、下游的冲刷及回淤情况和裹头附近的冲刷深度,并将总干渠"S"曲线段改为直线段,减轻了口门附近梨型导流堤局部的冲刷强度.为设计提供了依据,并可供同类工程设计参考.     

瓯江口拦门沙航道回淤分析

通过对瓯江口拦门沙航道3次疏浚后的回淤分析,以及从瓯江口的水流动力条件、风浪、盐度分布对含沙量影响等的初步分析,得出了拦门沙航道回淤的原因.     

洋口港区烂沙洋北水道航道开挖可行性研究

为满足洋口港区发展需求,应对船舶大型化趋势,开展了烂沙洋北水道自然水深航道浚深的可行性研究。依据现场实测风速、潮流、波浪、泥沙等资料,进行了工程海域气象、水文、地貌等自然条件的综合分析,建立了辐射沙脊群洋口港区二维波浪潮流泥沙数学模型,对航道开挖方案实施后的潮流、泥沙进行了数值模拟,并预报了航道开挖后的常年回淤量和大风天的淤强分布。计算结果表明,航道开挖前后海区内潮流场变化不大,疏浚段流速略有变化;航道开挖后的常年回淤量小于700万m3,一次大风过程航道内不会发生骤淤碍航。因此,初步论证了烂沙洋北水道航道开挖是可行的。     

长江口北支航槽开挖后回淤计算方法对比研究

针对长江口北支某航道调整工程航槽开挖后航道水域的泥沙回淤问题,结合航道水域的回淤情况,采用泥沙数学模型和3种经验公式进行回淤计算,并对比分析了4种方法的适用性。结果表明:由于该航道处于高含沙水域,航槽开挖后2 a内河床基本达到平衡状态;4种计算方法结果总体上差别不大,各有适用性。可为类似航道治理方案设计、工程建设以及防淤措施研究提供依据。     

浑水条件下偏心铰弧形闸门的空化空蚀

在空化空蚀试验台上，对黄河小浪底水利枢纽排沙洞偏心铰弧形闸门顶水封的1:1切片，进行缝隙空穴流试验。直接观测其在清、浑水条件下原型可能出现的空化空蚀状况。同时，分析了浑水对空化的影响后表明，浑水的产压级高于清水，浑水的空蚀强度大于清水，且均随浑水的浓度增加而加大。     

鄱阳湖入江水道冲淤变化特征

基于1996—2010年枯水期6幅TM遥感影像数据和2010年、2015年典型断面测量数据,从不同尺度对鄱阳湖入江水道区冲淤变化规律进行研究。结果表明:入江水道主槽总体表现稳定,不存在游荡现象;入江水道主槽总体表现为冲刷,年冲刷速率为0.01 m;濂溪区朱家村以北河段、星子水文站断面附近因受人类活动较少,主槽岸线未发生显著变化,表征为冲刷集中区,年冲刷速率分别达0. 08 m、0. 04 m;濂溪区至庐山市老虎垄之间河段、庐山市陶子发河段在2000—2010年间受人类活动影响显著,在2010年后人类活动影响显著减弱情况下分别表征为冲淤平衡区和淤积区。     

黄河小北干流河道冲淤演变规律研究

通过分析实测资料,探讨了黄河小北干流近几十年来的水文系列特点及河道冲淤演变规律,指出小北干流河段汛期淤积,非汛期冲刷,呈累计淤积状态。研究了河道冲淤量对来水来沙的响应关系,汛期冲淤量主要与汛期水量和沙量有关,非汛期冲刷量主要与非汛期水量正比。本文还建立了预测汛期冲淤量的BP网络算法,给出了小北干流河道不同来沙量时的合理输沙水量。     

NUMERICAL STUDY ON THE THREE-DIMENSIONAL CHARACTERISTICS OF THE TIDAL CURRENT AROUND HARBOR ENTRANCE

A three-dimensional (3-D) numerical model is established to investigate the tidal current motion characteristics around the harbor entrance. Computational approaches consist of the finite difference method, time-splitting technique, C-grid, and a high-order turbulence closure model. The Ocean General Circulation Model (OGCM) inundation scheme is incorporated in the model. An engineering application, Lianyungang Harbor, China, is used as a real-life case. The model is validated by showing that the simulated results agree well with the field data. In the approach channel, the tidal current shows a deflection effect especially in the bottom layer. As for Lianyungang Harbor, a jet flow forms at the tip of the northern breakwater, which drives a circulation flow at the inner side of the harbor entrance. In the vertical, the flow is significantly stratified at the entrance section within the channel, where the flow direction varies between layers and the speed distribution is quite uniform. These 3-D features become less evident to the offshore. Additionally, the sensitivity analysis shows that the flow deflection is related to the channel depth. Simulation results also imply that the siltation rate at the entrance section of the approach channel tends to be more uniform by the 3-D flow motion feature, and could be more significant with the increase of the channel depth.     

楼庄子水库溢洪洞体型优化试验研究

针对楼庄子水库工程溢洪洞原方案存在的问题,采用物理水工模型试验方法,对原挑流鼻坎提出了横向扩散和竖向扩散两种消能方案,通过对比分析挑坎水舌形态和下游河道冲淤形态,最终认为横向扩散消能方案优于竖向扩散方案。进一步分析了挑坎横向扩散方案的扩散角、挑距、冲淤形态等特性规律,确定适度扩散角舌形鼻坎方案为推荐方案。试验结果表明:舌形挑流鼻坎形成的水舌连续光滑、扩散充分,入水范围增大而单宽流量减小,下游河道冲淤明显减轻。试验结果可为同类工程优化结构形式及设计应用提供参考。     

基于能量守恒的淤泥质外航道风淤估算

回顾了淤泥质海岸外航道回淤的研究进展。基于风能与波能、波能与悬沙位能之间的能量守恒关系,推导了大风过程中波高、挟沙力和航道平均淤积强度的表达式,提出了直接利用风场要素预测某一指定外航道回淤量的经验式。采用天津港某段外航道大风过程的风场要素和回淤资料对经验式进行了实例验证和模拟预测,结果显示,当拟合样本数足够大时,淤积量的预测精度值与实测值能满足工程要求。单位风时淤积强度的预测值表明,风速是影响悬沙挟沙能力和单位时长淤强的主要风场要素。     

河床取料对枢纽通航水流条件的影响

开挖河床料场使河床地形突变,可导致枢纽通航水流条件发生较大变化。基于SMS软件,以NavierStokes方程为数学模型基础,采用加权余量伽辽金有限元求解方法,对澜沧江橄榄坝枢纽工程上下游河床有无取料场的水流流场进行数值模拟,分析取料场对水流流场和枢纽通航水流条件的影响。分析表明,取料场对上下游口门区通航水流条件有一定影响,但对上游影响较小,对下游影响较为明显。具体体现为上游取料场对主流流向、口门区回流范围无大的影响,但稍许降低断面流速;下游取料场改变下游主流方向,使主流偏离引航道口门区,有效降低了口门区斜向水流流速,水流平顺,有利于船舶航行。模拟结果表明,橄榄坝枢纽河床取料对通航有利,为工程设计提供了关键的技术支撑。     

基于SWAN和ECOMSED模式的大风作用下黄骅港波浪、潮流、泥沙的三维数值模拟

根据黄骅港外航道淤积问题的具体情况,本文采用三维细颗粒泥沙的ECOMSED模式对黄骅港海域的潮流、泥沙进行了模拟。数值计算结果与潮流为主要动力条件的现场实测结果进行了比较,二者吻合较好。在此基础上,本文采用SWAN风浪模型和ECOMSED对黄骅港骤淤进行了数值模拟,并与收集到的现场实测资料进行比较,也得到较好的结果。数值模拟显示,波浪是造成黄骅港外航道泥沙淤积的主要动力因素;在以波浪为主的动力条件下,含沙量在波浪破碎带达到最大,并且沿水深变化梯度较大。破碎带当地的泥沙跨过航道落淤是黄骅港外航道淤积的主要原因,岸边泥沙随落潮流下泻不是黄骅港外航道大风骤淤的主要原因。     

水库与河道采砂共同作用下的河道演变分析

水库与河道采砂共同作用下的河道有其独特的演变进程。以闽江下游河道为例,对水库及河道采砂作用下的河道演变情况进行初步分析,探讨了两者联动作用下的河道演变特征。结果表明:在水库清水下泄及河道采砂共同作用下,闽江下游河床的演变主要表现为河床纵横向的大幅度下切,河道断面面积显著扩大,河床泥沙损失量极大。在采砂得到禁止的北港,河床则较为稳定,冲淤幅度小。水库与河道采砂引发的河床演变均是使河床形态朝着与水沙条件相适应的平衡状态发展,两者作用下的河道演变呈现出3个特征:河道冲刷加剧,河床下切幅度明显;河床演变规律复杂,演变趋势难以准确预测;演变带来的不利影响非常严重。     

杭州湾南翼东部边滩时空演变特征及影响因素分析

采用研究区不同历史时期的地形资料,结合水动力条件、泥沙来源与促淤围垦工程,探讨岸滩时空演变特征及其作用机制。结果表明:1959—2010年的51 a间,岸滩以0.08 m/a的速率持续淤积,但近年来淤积速率有所减缓;0,-2,-5 m等高线的淤进速度各不相同,其中0m线以61 m/a的速率向海淤进,速度最快,岸滩剖面呈逐渐变陡的态势。沿岸潮流的输沙作用以及围垦促淤工程是岸滩持续淤高的主要原因,但受涨潮流的抑制、风浪的冲蚀破坏以及杭州湾大规模的围垦和长江来沙量减少的宏观背景下,岸滩的淤涨速度将会日趋缓慢。