岱山—洋山跨海通道水沙环境影响数值模拟研究

杭州湾是世界闻名的强潮河口,具有不规则的岸线边界、独特的地形地貌特征和复杂的水动力泥沙环境。岱山—洋山跨海通道位于杭州湾湾口水域,将岱山与洋山近35km连通,实现了上海—洋山—岱山—舟山—宁波跨海通道的全线贯通,其建设具有非常重要的意义。基于考虑波浪作用的潮流泥沙数值模型,讨论了岱山—洋山跨海通道几种工况对杭州湾大范围海域水沙环境的影响。研究结果表明:跨海通道实施后潮位变化在大桥轴线附近较为敏感,远离则基本没有影响,高低潮位变化幅度大多在2 cm以内。杭州湾涨落潮量减小小于0.6%。水流流态和水下地形仅在大桥附近水域存在明显变化。从对杭州湾水沙环境影响角度考虑,岱山—洋山跨海通道几种工况均可行,建议关注桥墩和人工岛附近的局部冲刷问题。

桩群数值模拟中的概化方法研究

建立数值水槽,将小尺度桩墩作为陆域边界直接模拟,利用有限单元法和三角形加密网格计算桩群影响下的二维流场。提出利用等效阻力法对桩群进行概化的研究思路,即将较为密集的原桩群概化为形式更加简单的其它形式桩群,并保证概化前后的桩群绕流阻力相等。计算结果表明这种概化方式可以有效逼近原桩群引起的水位、流速变化,且对上下游大范围流场的影响与原桩群比较处在可以接受的误差范围内。此外文中也对等效阻力法和等阻水面积法概化的效果进行比较,结果显示等效阻力法较等阻水面积法更优,具有工程应用前景。

双导堤口门航道横流特性对通航影响研究

在经验证的3维潮流数值模型基础上,对连云港地区双导堤口门进港航道内横流特性进行研究.结果表明航道内横流垂向梯度很大,不同吃水深度的船型实际承受的横流强度存在差异,吃水较浅的船型对应的横流较强;较大横流出现在高潮位时刻附近.在设计进港航道有效宽度时,必须充分考虑横流的垂向梯度,而仅采用二维模型加以评价偏于危险.在进港船舶的调度安排上,对于抵抗横流能力弱的较小船型应避免高潮位进港,如有困难也应尽量避免高潮位时双向通航.

淤泥质海岸泥沙运动模拟及进港航道大风天回淤特性研究

建立波浪、潮流共同作用下的泥沙运动数学模型,提出了一种对泥沙运动模型率定与验证的新思路,即采用代表潮和代表波浪场对长期水动力进行模拟,并利用具有统计意义的代表含沙量场对泥沙起动各参数进行率定,最后采用不同风浪条件下的含沙量实测数据对模型进行验证.以连云港地区为例,对这种新思路进行了检验.研究结果表明,这种率定/验证思路可有效应用于粘性泥沙运动和航道回淤的模拟中.在所建思路与模型基础上,对淤泥质海岸大风作用下的泥沙运动特征及进港航道回淤特性进行了研究.结论显示大风作用下的含沙量分布形式与正常天气相似,但含沙量数值大幅增高.一次大风对航道回淤的影响时间应为大风期间与风后一段时间的总和,其中航道回淤最强的时刻发生在风后一天左右,然后随时间推移而逐渐降低至正常天气状态.最后,根据模型预测,连云港地区进港航道不会发生一次大风骤淤碍航的情况.

大连太平湾港区人工湖工程水体交换数值模拟研究

通过水动力及水体交换数学模型试验,模拟了大连太平湾港区人工湖工程实施后的流场特征及水体交换能力。研究结果表明,湖内水体流动仅靠纳潮,流速整体均较低,大潮平均在0.2 m/s以内。湖区内流速分布呈口门附近略高,末端接近静水的趋势。口门拦水潜堤高程越高,湖内流速越低。湖区口门附近交换率较高,末端交换率很低。太平湖不建潜堤条件下,月交换率可达86%左右。如拦水潜堤顶高程抬升,则月水体交换率降低,当潜堤高程为85基面上+1.0 m时,月交换率仅为29%,拦水潜堤的高程决定了水体交换能力的量级。

沙质海岸破波带内底部离岸流及沙坝迁移数值模拟研究

建立了破波带内三维水动力泥沙数学模型体系,模型中同时考虑了波浪、波生底部离岸流、非粘性泥沙运动及地貌演变等动力机制。通过波浪水槽实验实测水、沙及地形数据验证,所建模式可有效模拟破波带内底部离岸流、泥沙运动过程及离岸沙坝的随时间迁移规律。模拟成果表明波浪破碎后引起的波生流系在破波带内形成一个时均垂向环流结构,其中底部时均流向指向外海,表层则指向近岸,靠近破波点处,底部离岸流的流速逐渐降低。在时均垂向环流体系的输送下,破波带内被波浪掀起的床面泥沙在底部离岸流作用下持续向外海输送,并在破波点附近堆积形成沙坝。沙坝的形成改变了局部波流场结构,在波浪的持续作用下逐渐向外海运移直至剖面达到基本平衡。

淤泥质海岸泥沙运动及进港航道回淤强度数值研究

以连云港进港航道为例,应用波浪、潮流共同作用下的二维泥沙数学模型,研究淤泥质海岸的泥沙运动及航道回淤问题。鉴于进港航道回淤量是当地海域潮流、波浪、泥沙长期共同作用的结果,建议采用年平均含沙量场进行回淤计算,并在此基础上模拟了连云港7万吨级进港航道的年回淤强度,计算结果与实测资料吻合较好。研究结果表明,所介绍的研究方法可以合理地描述含沙量场特性以及计算进港航道回淤量。

近岸波生流运动三维数值模拟及验证

开发建立了近岸波生流运动三维数值计算模式。模式中,引入了三维时均剩余动量、破波表面水滚、波浪水平与垂向紊动作为主要驱动力,同时考虑了波流共同作用的底部剪切力。推导了可综合反映底坡、能量传递率和密度影响的水滚能量传输方程;将Larson-Kraus的二维波浪水平紊动系数表达式拓展至三维。采用大量实测数据和文献资料测试验证了所建模式,表明所建模式可有效模拟波浪增减水、底部离岸流、沿岸流、裂流、堤后环流等不同维度的波生流现象。此外,研究也表明破波水滚效应可解释波生流峰值向岸推移的物理现象,从而在模拟中不能忽略;破波带内沿岸流速垂向较为均匀的现象与波浪附加垂向紊动有关。

桩墩影响下的水动力数值模拟

建立平面二维数值水槽模型,将桩墩作为不透水边界处理,利用三角形加密网格精确模拟桩墩形状,计算分析缓流河道中单排桩墩影响下水位和流速的变化,并探讨了方墩与圆墩对水流变化的影响差异以及糙率与紊动黏性系数对壅水数值的敏感性。研究结果表明:①桩墩引起的水流变化沿纵、横向呈现出不同的分布形式,沿横向呈波状分布。墩身上游主要表现为水位壅高,流速减小;墩身下游则表现为水位跌落,流速在墩间区域增加,而在墩后区域减小。②方墩对水流变化的影响比圆墩大;上游壅水随糙率变化较小,但对紊动黏性系数的变化较为敏感。

连云港口门防波堤建设对航道回淤影响数值研究

以连云港海区为例,建立潮流、波浪共同作用下的泥沙运动数学模型,应用年平均含沙量场作为依据对临界冲刷切应力和冲刷率进行率定,并利用实测资料对模型进行验证。在模型基础上研究了口门防波堤建设对年平均含沙量场及进港航道回淤的影响,分析了工程后平均含沙量场的分布形式和航道回淤强度的沿程变化规律。结果表明防波堤修建后,口门处含沙量较高,并向港内和外海逐渐降低,航道回淤强度分布形态与航槽内含沙量分布形态相似;航槽第二年回淤率低于第一年。

港口岸线环境补偿人工沙滩工程理论与实践

依托港口岸线建设环境补偿人工沙滩工程是践行国家生态文明建设战略,实现港、城一体化发展的有益举措。针对人工沙滩建设中的理论和关键技术问题,通过自主研发,取得以下主要创新性成果:1)发展了沙、泥并存下沙滩动力地貌学基础理论;2)形成先进的数值、物理模拟技术;3)提出适用于各种复杂泥沙环境下的人工沙滩设计原则;4)研发了人工沙滩防侵蚀、防泥化的整治与养护措施。研究成果已成功应用于不同复杂泥沙环境下的实际沙滩工程中,实现了良好的经济、社会和生态环境效益,具有广阔的推广应用前景。

淤泥质海岸大尺度进港航道回淤特性数值研究

以连云港海区为例,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,模拟淤泥质海岸进港航道的回淤情况,并在此基础上进一步对大尺度深水进港航道的回淤特性进行详细探讨。研究结果表明,连云港外海进港航道回淤强度沿航道里程主要呈先增后减的趋势,其中航道宽度和航槽挖深均对断面平均回淤强度及其分布形式存在影响;同时研究也表明,航道的南侧回淤强度大于北侧,横断面回淤强度多呈两边高、中间低的"U"形分布形式,并且随着航道里程的增加,回淤强度在横断面方向逐渐变得均匀。

岬湾平衡海岸理论在人工沙滩岸线设计中的应用

基于岬湾平衡海岸理论,以潍坊滨海旅游度假区人工沙滩实际工程为例,对沙滩的防护方案选取进行了探讨,对比了不同丁坝平面布置形式对平衡岸线形态的影响,最终推荐了合适的防护方案及其对应的沙滩平衡岸线线形。经现场实际整治效果检验,证实了岬湾平衡海岸理论在人工沙滩防护工程及平衡岸线设计中的有效性。

强沿岸输沙海岸港口建设对岸线变迁影响数值模拟研究

以非洲西海岸塞拉利昂码头工程为例,基于一线模型理论模拟计算了港址沿岸输沙率,以及码头拦沙堤建成后的上、下游岸线长期变迁。根据模拟成果,工程海域沿岸输沙强度极大,年总输沙率可达94.5万~97.1万m^3/a,净输沙率达71.1万~73.6万m^3/a,码头拦沙堤拦截了自南向北的沿岸输沙,堤身南侧形成明显堆积,堤身北侧形成侵蚀。根据与西非海岸类似港口工程实际经验对比,文中数值模拟所得成果是合理的。

淤泥质海岸波生流动力机制及三维模拟研究

淤泥质海岸底坡极为平缓,波浪传播时浅水变形与破碎均不显著,且粘性床面可使波能向岸持续耗散,波浪传播特性的不同使其催生的波生流态与沙质海岸具有明显差异,但当前对其机理缺乏深入探讨。采用基于过程的波生流三维计算模式,以连云港海区为例,对波生流运动规律进行了模拟与分析。研究结果显示淤泥质缓坡海岸波生流影响范围较远,可延伸至深水区,但与沙质海岸相比,其流速不高、底部离岸流不明显。在波浪垂向紊动掺混作用下,垂向流速梯度随波高增大而变得均匀。波生流影响程度随入射波高增大而增大,在大浪条件下,波生流的贡献已与潮流达到相近权重。

岛群海域渔港建设原则数学模型

通过分析自然条件,结合波浪、潮流泥沙数学模型试验手段,以宁波石浦港区为例,探讨了在岛群海域中建设渔港的水动力、泥沙问题及对应的方案布置原则。研究成果表明,在多岛屿、强流速海域建设工程时,应尽可能利用天然水深,避免浅滩开挖导致的回淤,并充分利用岛屿掩护,减少波浪对工程区域的作用。航道及码头前沿线的选取宜与潮流主轴平行,以规避较强的航道横流及泊位处开、拢流的影响。

港珠澳大桥沉管隧道基槽泥沙回淤研究总述及创新实践

港珠澳大桥海底隧道施工采用沉管工法,在E15节沉管施放中发生了基槽异常回淤,迫使沉管返航,造成了巨大的工程损失。明确异常回淤机理,实现基槽泥沙回淤的精确预报具有重大的工程意义。通过开展大量自主创新性研究工作,揭示了基槽异常回淤的原因,开发了沉管基槽多因素、复合型基槽回淤预报模型系统,实现了沉管基床上泥沙回淤的精细化预报,保障了E15~E33节沉管的顺利安放。研究成果从基础理论、模拟技术、预警预报模式等多个方面均取得了开创性突破,对我国工程建设和泥沙研究的理论具有极大的提升和促进意义。

辽东湾东岸太平湾深水港建港条件研究

太平湾位于辽东湾东岸。根据现场实测波、流、沙资料、水深测图资料及卫星遥感图片,通过水动力泥沙特征及岸滩演变与稳定性分析,设计水位和深水设计波要素计算,波浪、潮流泥沙数学模型计算,对太平湾建港条件进行了研究论证。主要研究结果表明:(1)太平湾海域水深条件较好,波浪、潮流动力不强、泥沙来源少、水体含沙量低、泥沙运动不活跃,海床地貌形态长期保持稳定,具有开发建设深水大港的良好条件;(2)港口开发方案对周围海区流场影响较小,口门横流不大,环流强度和范围有限,港池航道常年泥沙淤积强度和淤积量不大,无碍航骤淤问题;(3)工程海域较强浪向为N向和NNW向,对港内波况有影响的浪向主要为W向、WSW向和SW向。

等效阻力法在感潮河段桥墩群概化中的运用研究

在经过率定和验证的长江下游感潮河段大范围二维潮流数学模型上,采用等效阻力法概化了苏通大桥桥墩群,指出运用该方法时需要注意的地方,同时给出了桩群概化的具体步骤,并分析了该方法的运用效果。研究结果表明,等效阻力法概化的桥墩群不会对大范围水动力(水位、流速及分流比)产生影响,仅桩周附近存在微小失真,可为感潮河段类似工程的桥墩群概化提供借鉴。

桩墩壅水数值计算方法

利用已有的物理模型试验成果,建立平面二维水动力数值模型,对桩墩的壅水进行计算,探讨几种紊动黏性取值方式对壅水计算的影响。研究结果表明:桩墩壅水的计算值与实测值吻合较好,验证了数学模型的合理性;利用选取常量、控制计算单元Peclet数以及应用Smagorinsky方程等3种紊动黏性取值方式均可以成功地进行壅水计算,其中以Smagorinsky方法最优。