系缆式剖面测量系统模型波浪水槽试验设计

针对系缆式剖面测量系统模型在波浪水槽试验设计中,各项试验条件和获取参数的设定、数据的获取方法和模型设计及传感器使用进行了阐述,供有关人员参考交流。

浅水湖泊沉积物磷释放的波浪水槽试验研究

为探索浅水湖泊水动力扰动作用对沉积物内源营养盐释放的规律,采用波浪水槽试验研究了波浪扰动对太湖和巢湖沉积物悬浮和磷释放的作用。试验结果显示：在强波浪扰动下,底泥大规模悬浮,使得水体中悬浮固体(SS)、总磷(TP)和溶解性总磷(DTP)含量显著升高,太湖和巢湖底泥水槽试验中上覆水体TP含量分别升高了6倍和3倍,DTP分别升高了1倍和70％,太湖底泥试验中溶解性活性磷(SRP)含量亦升高了25％。掀沙过程中,不但表层底泥间隙水中的溶解性磷释放到上覆水体当中,沉积物颗粒所吸附的磷也大量转化为SRP而解吸释放。然而,强波浪掀沙一段时间后,溶解态磷的释放逐渐受到限制。随着波浪扰动作用的持续,悬浮物的中值粒径减小,细颗粒组分的百分含量明显增加,使得悬浮物对溶解态磷的吸附能力增强；波浪扰动显著提高了水体的溶解氧浓度,也会促进水体铁锰物质的氧化,增大其对磷酸根离子的吸附能力。这些变化可能是波浪掀沙后期限制水体SRP浓度进一步升高的主要原因。太湖底泥波浪水槽试验的结果与太湖梅梁湾中心区域常见风浪扰动下底泥的悬浮起动情况相吻合,底泥起动的临界切应力也基本相同,强波浪掀沙的切应力条件及水体SS,TP及SRP浓度变化的特点也一致,表明本实验的结果接近太湖的实际状况。本研究说明太湖的水动力扰动能显著提高水体TP及SRP浓度,大波掀沙初期对底泥磷释放的影响最大,后期的影响强度则有所下降。

哑铃型跨海桥梁围堰不规则波浪力试验研究

在跨海桥梁施工过程中,波浪力是作用在跨海桥梁施工期围堰的主要控制荷载,准确预测围堰波浪力将直接决定其施工安全。实际海浪是长短、高低不一的不规则波浪,对跨海桥梁围堰的波浪力也呈随机性变化。基于物理模型试验,系统测试不同结构吃水深度、有效波周期、有效波高及波浪入射角对哑铃型围堰不规则顺波向波浪力、横波向波浪力及垂向波浪力的影响,并与“单一最大波法”的规则波浪力进行对比。研究结果表明:与《港口与航道水文规范》中按H1%和平均周期的“单一最大波法”获得的规则波浪力相比,不规则波浪力普遍偏大,尤其波浪斜向入射时横波向不规则波浪力更不利。从波浪力功率谱图分析发现,随着入射角增加,顺波向波浪力高频成分的贡献增大,而垂向波浪力谱变化很小,二者谱峰频率均和入射波谱峰频率保持一致。

基于无网格法的浮体与波浪相互作用模拟与试验验证

浮体在波浪中的运动现象广泛存在于海洋石油及新能源领域,属于流固耦合问题,同时涉及自由表面流动和运动边界等复杂现象,使得基于欧拉模式的数值方法并不擅长该类问题的求解。采用一种拉格朗日无网格法,即光滑粒子动力学(SPH)方法,建立流固耦合数值计算模型,模拟浮体在波浪水槽中的运动过程,通过线性波浪理论和水槽试验验证了模型的准确性。结果表明:SPH方法能够有效模拟浮体在波浪作用下的非定常运动,并且捕捉到越浪、浮体侧倾等现象,预测的浮体位移时间关系与试验结果一致;在无约束条件下,浮体在水槽中发生横向位移,且位移受浮体形状和尺寸影响较大。

聚焦波浪对哑铃型跨海桥梁围堰作用的试验研究

台风引起的巨浪将严重威胁跨海桥梁施工期围堰的安全,台风波浪较普通规则波浪具有周期更长、波高更大特点,正好符合聚焦波浪的特征。为更好地指导跨海桥梁围堰抵抗极端台风浪设计,开展聚焦波浪与哑铃型桥梁围堰相互作用的波浪水槽试验研究,探讨围堰吃水深度、聚焦波最大波幅、入射角度对测点波面位移及波浪力的影响。其中,分析结果表明,围堰吃水深度及入射角度的变化对测点波面位移的影响不大。随着吃水深度增加,垂直波浪传播方向的有效投影面积增大,围堰顺波向波浪力明显增大。由于波浪能量沿水深衰减,底部浮托力随之减小。随着入射角度增加,有效投影面积增大使得围堰顺波向波浪力非线性增大,而围堰底部浮托力则变化较为平缓。当入射角度和波幅均较大时,围堰顺波向和垂向浮托力的正、负向幅值差异均较大,呈现较明显的不对称性,若按对称受力设计施工方案可能偏危险。与同波幅的聚焦波浪相比,长波条件下若按线性波考虑作用于结构的波浪力将偏不安全,实际跨海桥梁工程设计时有必要按聚焦波浪考虑台风波浪作用。

波浪作用下细颗粒泥沙起动试验研究

长江口北槽中下段滩面泥沙以粉砂和极细砂为主,在风浪条件下极易起动,形成近底高浓度含沙层,成为航道淤积的重要泥沙来源。采用长江口北槽中下段滩面现场泥沙,进行了波浪作用下泥沙的起动试验研究。试验结果表明:相同水深条件下,波浪周期越长,泥沙的起动波高越小;相同波浪周期条件下,水深越大,泥沙起动波高越大;对于自然密实1天的泥沙,波浪作用下的起动临界剪切力平均约为0.325 N/m^2。本次试验结果和已有的波浪起动公式计算结果以及已有的试验结果进行了比较分析,结果均比较一致。

太湖疏浚前后波浪扰动下的底泥再悬浮特征

在室内波浪水槽中，研究不同底泥容重、不同波浪动力条件下底泥的再悬浮特征。结果表明：静止状态下，水体垂向悬浮物浓度差别不大，小波作用时底泥未普遍起动，各层悬浮物浓度增加不明显。随着大波浪的作用，底部切应力远大于底泥起动临界切应力，水体悬浮物浓度急剧增加，10 min内悬浮物浓度增加10-15倍，60min内再悬浮量占总悬浮量的80%左右，悬浮物浓度垂向分层明显。试验底泥湿容重包括1.34 g/cm3、1.47 g/cm3、1.55 g/cm3、1.59g/cm3，比较了3种切应力下，底泥再悬浮量随容重的变化关系，结果均显示水体内总再悬浮量与底泥容重呈高度负线形相关。

波浪对太湖梅梁湾底泥氧气侵蚀深度的影响

通过室内波浪水槽试验,利用溶解氧微电极研究了波浪对太湖梅梁湾底泥中氧气侵蚀深度的影响.结果显示:太湖梅梁湾底泥在水槽中一夜平衡后,氧气侵蚀深度约为5 mm.经4 cm波高的波影响2 h后,表层底泥基本没有被侵蚀,而表层溶解氧质量浓度从原来的6.29 mg/L上升至6.90 mg/L,氧气侵蚀深度约达6 mm.初始值和4 cm小波后两者拟合方程具有相近的斜率(-0.077 7与-0.072 8).经10 cm波高的波影响2 h后,可能受采泥管管壁形成的回旋涡流影响,底泥表层的物理侵蚀达到(1.33±0.15)cm.同时,氧气侵蚀深度降至3.2mm左右,其拟合方程的斜率减小为0.012 3.由此可以表明:小波可以增加底泥表层溶解氧和氧气侵蚀深度;而大波能造成表层底泥受到严重的物理侵蚀并破坏原溶氧层而形成新的较浅的溶氧层,最终将可能影响微生物活动和营养盐释放.

灌河口海域泥沙悬浮和沉降试验研究

掌握灌河口海域泥沙运动规律是开展灌河口航道整治研究的基础。以现场所取泥沙为研究对象,通过大型波浪水槽试验研究灌河口海域泥沙在不同的水深、不同的波周期和波高条件下的悬浮规律。通过静水沉降试验研究灌河口海域泥沙在不同初始浓度、不同水深下的沉降特性。结果表明,在极限波高情况下,水体上部区域含沙量较小,且沿垂线分布变化较小,但水体底部附近含沙量较大,总体上底部含沙量比上部水体含沙量大0.25~0.96 kg m^3;不同水深以及不同初始含沙量情况下,泥沙沉降速度0.08~0.20 cm s,与单颗粒泥沙沉速在同一量级,灌河口海域泥沙絮凝作用较弱。

波浪在岸滩上的变形模拟

通过理论分析和波浪水槽模型试验,对波浪破碎区由床面阻力和波浪破碎所引起的能量损耗进行了分析。建立了岸滩波浪变形模型,并通过波浪水槽试验进行了验证。对水深、周期、岸滩底坡等条件下的波浪破碎区波高分布和增减水量的分析比较表明,模型计算和波浪水槽试验结果吻合程度良好。该模型可以有效模拟波浪在破碎区的增减水和波高分布,并为相关工程设计提供参考。

波浪作用下珊瑚砂起动特性研究

珊瑚砂是海洋中的珊瑚礁经各种海洋动力作用碎裂、细化而形成的砂体。文中采集南海某珊瑚礁岛的原型珊瑚砂,通过在波浪水槽中进行的物理模型试验,测得了三种不同中值粒径的级配砂的起动波高,应用泥沙运动理论分析珊瑚砂起动时的受力,拟合出适合计算珊瑚砂起动波高的经验公式。

潜堤结构型式及其透射系数研究

针对胜利油田某保滩促淤工程,进行了多种方案不同潜堤结构型式的优选,比较了其中四种结构型式,并对这四种结构型式的潜堤分别进行了波浪水槽试验,测试其透射系数,在此基础上,给出了计算潜堤透射系数的经验公式,为工程设计提供依据。