河口沖刷的理論與數(shù)值模擬.pdf

1、河口區(qū)人類活動比較復(fù)雜，港口、橋梁、堤防和過江(海)隧道等水上或水下結(jié)構(gòu)物眾多，這些建筑物一旦被毀壞，對社會、經(jīng)濟影響極大，而河口沖刷則是導(dǎo)致建筑物毀壞的最重要因子之一。研究河口沖刷以便為工程安全設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)，就具有十分重要的現(xiàn)實意義。本文采用理論與數(shù)值模擬兩種方法深入探討河口沖刷問題。 河口沖刷本質(zhì)上是泥沙起動問題。論文基于因次分析法和前人交叉石英絲試驗成果，建立起一個因次和諧的、適合非均勻沙任一粒級的粘性力表達式。將起動

2、概率視為推移力矩與上舉力矩之和大于重力矩和粘性力矩之和的概率，對作用力臂作統(tǒng)計處理后，從作用流速遵循正態(tài)分布出發(fā)，首次導(dǎo)出粘性沙和無粘性沙統(tǒng)一的非均勻沙起動概率公式。該式表明起動概率是水流強度的函數(shù)，而非均勻沙水流強度，跟顆粒的相對粒徑、幾何方差、干密度等因素有關(guān)?；谝陨戏治觯詈笸茖?dǎo)出非均勻沙的起動摩阻流速公式。 根據(jù)粘性非均勻沙起動概率公式和起動切應(yīng)力公式，分別建立起流量泛函形式的可預(yù)測極端水流條件下河床最大沖刷深度的計算

3、公式。針對極端水流條件時河床斷面形態(tài)未知問題，從理論上探討了各點均處于臨界起動動態(tài)平衡狀態(tài)的斷面曲線微分方程。根據(jù)最大沖刷計算的泛函公式預(yù)測了錢塘江河口研究河段極端洪水作用的最大沖刷深度，并討論了斷面最大沖刷深度可能出現(xiàn)的位置。結(jié)果表明水流條件是影響河床沖刷深度的關(guān)鍵因子，河岸水深對河床沖刷深度的影響相對較小；床沙非均勻性對河床沖刷深度有一定影響，泥沙非均勻程度越大，則較粗顆粒的暴露度大，同樣水流作用下的沖刷水深也越大。 采用定

4、床數(shù)學(xué)模型模擬了錢塘江河口洪水作用下的潮流場，并就潮流場對多橋的復(fù)雜響應(yīng)進行數(shù)值試驗。結(jié)果顯示，極端洪水期間河口段流場主要受落潮流控制，漲潮流對其影響甚微；多橋?qū)涌诔绷鲌龃嬖诼?lián)合作用，橋墩阻水作用引起橋上游進潮量減小在多橋時甚為可觀；橋梁對潮位的影響相互疊加，與無橋情形相比，在所有橋的上游或下游，潮位差變大，而多橋范圍內(nèi)，潮位差變小。 建立了適合大幅度沖淤河口的二維動床洪水數(shù)學(xué)模型。分別用動床和定床模型對錢塘江河口1995年和

5、1997年洪水位作了模擬，定床模型預(yù)報洪水水位會產(chǎn)生高達0.94m的誤差，而動床模型預(yù)報精度極高，最大誤差不超過0.15m。動床模型為洪水位的精確預(yù)報提供了一種可行的計算方法。 數(shù)值模擬了錢塘江河口極端水流作用下的河床沖刷，經(jīng)1995年和1997年洪水后地形驗證，計算的最大沖刷深度與實測值接近，等深線分布與實測基本一致。在此基礎(chǔ)上進一步數(shù)值預(yù)測了錢塘江河口某河段300年一遇極端洪水條件下的河床沖刷，獲得最大沖刷深度約18m的結(jié)果