基于起动相似选沙的模型沙波相似性的初步试验研究

沙波普遍存在于天然河道中,动床模型中沙波运动的相似性是水流运动、泥沙输移及河床冲淤相似的基础。针对动床模型中沙波相似性问题,采用水槽试验的方法,设计满足几何、水流运动、起动相似的沙波试验,分析了沙波波高、沙波组成的相似性。结果表明,对于几何正态模型,在模型沙与原型沙重率相同的情况下,沙波波高基本满足几何相似,平均偏差约在9.2%左右;沙波波高随水流强度的变化规律是相似的,U/U_c=2.0时开始出现沙波,沙波随着水流强度的增大而逐渐增大,当U/U_c接近2.6时,沙波达到最大波高;沙波相同部位的颗粒组成也是相似的。即原型沙与模型沙在重率、形状相同的条件下,考虑起动相似的正态模型沙波是相似的。

几何比尺对正态模型沙波相似性的影响

不同几何比尺对模型水流结构及泥沙运动特性的比尺效应不同,模型沙波相似性也存在差异。首先基于对泥沙沉速的理论分析,计算了当原型沙粒径、λ_((γ_s-γ))/γ和η等参数一定时,满足起动相似所选模型沙沉降速度偏离程度随不同几何比尺的变化规律。计算结果显示:λ_l<1时,模型沙沉降速度偏离程度随着几何比尺的进一步减小而迅速增大;当λ_l≥1时,模型沙沉降速度偏离程度随着几何比尺的增大表现为先增大后减小,且在几何比尺为2的附近达到极大值。为研究沉降速度偏离幅度较大时模型沙波的相似性及几何比尺改变时沙波波高、波长与原型的偏离特性,设计进行了λ_l=0.84、1.59和2.06的正态水槽试验,发现3组模型中的沙波波高、波长偏差幅度均不大于6%,其中λ_l=0.84的模型沙波偏小,而λ_l=1.59和2.06的沙波偏大。结合理论分析结果和水槽试验数据,得到以下结论:1)对于几何正态模型,当λl<1、原型沙与模型沙重率相同时,满足起动相似的模型沙沉降速度偏小,相同水流条件下泥沙落淤速度慢,模型中的沙波波高、波长均较原型偏小;当λ_l≥1时,满足起动相似的模型沙沉降速度偏大,泥沙落淤较快,相应模型中沙波波高波长都较原型偏大。2)若λ_l≥1,模型沙波波高、波长偏差幅度均不大于6%,即模型沙波波高、波长的相似性较好。

基于床面阻力划分的沙波波高模型研究

针对沙波波高计算的问题,采用了一种更符合冲积河流当中水沙运动的机理的床面阻力划分方法,通过能量守恒方程建立数学模型分析得出沙波波高与背水面边界层分离区域长度的关系,结合了前人对边界层分离区域长度的研究,得出一种波高的计算方法。将实验和野外测量数据代入公式验证并与各家代表公式对比,发现该方法适用于各种沙波形态,并具有较高精度。

选沙相似律对模型沙波相似性影响的试验研究

为了弄清选沙相似律对动床模型沙波相似性的影响,开展基于起动相似等3种不同相似律选择模型沙的沙波水槽试验。基于试验观测的沙波波高、波长以及沙波不同部位的水深、流速,对比分析了沙波尺度及其随水流强度变化过程的相似性。结果表明:当模型沙重率、形状与原型沙相同时,满足起动相似的模型沙沙波尺度与原型相似性最高,满足悬浮相似模型沙的沙波整体偏高、偏长,兼顾起动与悬浮相似的模型沙介于两者之间;不同选沙相似律不影响沙波波高、波长随相对水流强度的变化规律,满足不同相似律的模型沙沙波波高均在相同的相对水流强度达到最大值,波长随相对水流强度增大而增大。说明偏离起动相似越少,沙波相似程度越高。

极限波高下人工沙坝的动力调整研究

基于人工沙坝影响波浪破碎的理论分析,采用极端高水位、设计高水位和0.00m水位下的极限波高作为入射波,对近岸人工沙坝进行了模拟试验,研究波浪动力对人工沙坝剖面的变形及其对岸滩养护的影响。结果表明:坝顶水深和沙坝高度之比h/d决定沙坝的稳定性,h/d较小时,沙坝能接近稳定;沙坝的变形与坝前波浪破碎有关,可用坝顶水深和临界水深之比h/hb判定波浪在沙坝上的破碎;近岸人工沙坝使波浪提前破碎,滩肩拓宽,使泥沙向岸输移大于向海输移,减小岸滩侵蚀区域,增大淤积范围。

沙波运动基本控制方程及其解

众所周知,河流变迁往往是通过沙波运动而得以实现的,这一过程总是伴随着水流与河床间的力学交互作用,探究其间的力学机制一直受众多研究者们所关注。本文基于泥沙起动的临界水流条件,从分析两种不同时刻间的微动量变化及微能量变化入手,建立了沙波运动基本控制方程及其求解方法。分析表明,计算结果与实测资料较为吻合,证明从微量分析法入手所建立的沙波运动控制方程不仅具有较好的理论意义,也具有一定的实用价值。

水平井及大斜度井砾石充填过程试验

根据水平井及大斜度井砾石充填机制与过程,考虑地层滤失、井筒倾斜、筛管偏置等特殊情况,建立水平井及大斜度井管内砾石循环充填试验模拟装置。利用该试验装置模拟水平井及大斜度井管内砾石循环充填全过程,分析α波及β波充填前沿特征,研究井筒倾角、筛管偏置度、流量、砂体积分数对充填动态及α波砂床平衡高度的影响规律及机制。试验结果表明:α波充填前沿在低流量下规则稳定,在高流量下形状不规则;α波充填结束前沉积砂床平衡高度会整体升高,导致β波充填空间较小;筛管偏置度与井筒倾角对充填动态有明显影响,井筒倾斜会降低砂床平衡高度,而筛管偏置则会加剧沉积砂床的形成并增大平衡高度;流量、砂体积分数是影响α波充填动态的直接因素。

水平井及大斜度井砾石充填α波砂床平衡高度随机概率模型及实验研究

α波砂床平衡高度预测是水平井砾石充填过程数值模拟及施工参数优化设计的核心问题之一。根据水流紊动理论,将砂床表面流体瞬时流速视为正态分布的随机变量,将颗粒运动状态转换视为随机事件,分析状态转换事件概率及最终状态概率的数字特征。根据最终状态概率代表颗粒运动趋势的原理,砂床高度的变化是床层表面颗粒运动状态转换的结果。由平衡砂床高度和摩阻流速及平均流速的关系,建立了同时适用于水平井和大斜度井砾石充填的α波砂床平衡高度预测的随机概率模型。利用研制的大斜度井砾石充填全尺寸实验模拟装置,进行井筒倾角、筛管偏置度、流量、砂浓度对α波砂床平衡高度影响的实验研究,对随机概率模型的计算结果进行了对比验证。随机概率模型与实验结果比较吻合,平均误差10.5%,进行必要的修正可以用于大斜度井砾石充填α波砂床平衡高度预测。

斜向波作用下斜坡海床上管线三维冲刷特性

海底斜坡的存在必然改变波浪对管线及海床的作用特性,进而影响管线三维冲刷。为了研究斜坡上海底管线三维冲刷特性,本文基于波浪港池实验,考虑规则波的作用,采用中值粒径为0.22 mm的原型沙铺设与波浪传播方向成45°夹角的1∶15斜坡,通过测量近岸波高变化和管线下方最大冲刷坑深度的差异,分析波高和周期对最大冲刷坑深度、范围的影响。结果表明:管道的存在加剧了水体紊动程度,对海床演变影响很大;波高增大时,沙纹自左向右、自近岸向深海发展,且尺度加大,管道沿程冲刷深度右侧大于左侧;周期增大时,沙纹尺度增加且较为规整,管底的最大冲刷坑深度加大,形成管后淤积,但对左右侧冲刷深度变化影响不大。

基于平衡流速的水平井砾石充填α波砂床平衡高度预测与试验

基于Gruesbeck,Oroskar和Penberthy 3种固液两相管流平衡砂床上部平衡流速经验公式,考虑复杂的井底管柱结构和筛管偏置等情况,提出水平井砾石充填α波砂床平衡高度预测方法;利用自行研制的水平井砾石充填全尺寸试验模拟装置进行筛管偏置度、流量、砂体积分数对α波砂床平衡高度影响的试验。结果表明：基于Penberthy与Oroskar平衡流速经验公式的砂床平衡高度计算结果与试验值偏差较大,基于Gruesbeck经验公式的预测模型的计算结果与试验结果比较吻合,进行必要的修正后可用于水平井砾石充填α波砂床平衡高度预测;筛管偏置趋向于增大砂床高度,在实际施工过程中,应尽量避免筛管偏置下垂情况的发生;试验中砂体积分数为2%-8%,属于较低值范围,试验条件下砂床平衡高度随砂体积分数的增大而增大。

沙波推移率公式的改进和验证及其应用

本文把沙波推移率公式g_s=αγ'h_sw_s改进为g_s=0.56γ'A/Δt，使沙波推移率计算更为简便和精确。提出在单宽流量一致时，沙波上游波面推移率分布可用g_s=φγ'A/Δt来表达。对上述公式的验证和应用及推移率计算等方面皆作了论述。

波浪作用下珊瑚砂的起动研究

本文概述珊瑚砂的物理特性,测量到珊瑚砂起动的起动波高以及对应的近底流速。总结了理论研究的两种基本方法,依托得到的数据并结合泥沙起动的Shields曲线得到适用于珊瑚砂起动的Shields曲线,对今后的珊瑚砂研究具有一定的参考意义。

轻质沙沙波形态水槽试验研究

动床模型试验中,在满足相似性条件基础上,仍可能会出现轻质沙沙波一定程度的异常发育现象,这一偏差将影响阻力相似及水流、泥沙运动状态。为寻求扼制轻质沙沙波异常发育的有效途径,借助水槽试验,通过控制变量法分析不同水流条件、不同粒径、不同密度条件下轻质沙沙波形态变化。研究表明:在本试验水流条件下(Fr=0.10~0.32,U/Uc=0.8~2.5),利用U/Uc可更全面地表达其与轻质沙沙波形态的变化关系;在合理范围内增大轻质沙粒径及密度,可使相对波高及波长粒径比减小;基于詹义正公式,建立本试验条件下轻质沙沙波Δ/h与U/Uc的拟合公式。

不同方法对南黄海重现波高计算值的影响

采用SWAN波浪模型对江苏南黄海地区1979~2018年共40 a的波况进行模拟及验证,将模拟结果与实测资料进行比对,吻合良好。百年重现波高分布通过基于年极值和月极值的广义极值分布函数(GEV)和超阈值取值方法(POT)的广义帕累托分布模型(GP)计算得出。计算结果表明,不同方法的计算结果在辐射沙洲北部地区差别最大,采用月极值所得重现波高偏小,采用年极值计算的重现波高在辐射沙洲南北外围地区最大,其余地区则以POT方法为大值。在分别采用不同数据长度计算重现波高的试验中得出,取月极值的GEV分布计算结果对时间跨度的改变不敏感,而取年极值受之影响最大,POT方法介于两者之间。

波浪掀沙临界深度初探

波浪掀沙临界深度的大小，直接关系到海岸工程的设计施工和使用寿命。本文从理论到实践对这一问题进行了探讨，提出用深水有效波高来计算波浪的掀沙深度。