非恒定流作用下的泥沙起动与输移机理实验研究

发布时间：2020-05-17 06:02

【摘要】：自然界中山洪,海啸、风暴潮等自然灾害的发生,一般都会伴随着剧烈的泥沙运动,其灾害过后会产生大量的泥沙淤积甚至冲刷,对人类的生命财产安全造成重大损失。而且这类水流的非恒定性很强,同时在天然河流、海洋中多为非均匀沙,目前的理论研究多集中在恒定流条件下的均匀沙与非均匀沙运动,而非恒定流条件下的泥沙运动研究要滞后许多,并且要比恒定流更加复杂。因此,有必要对非恒定流条件下的均匀沙与非均匀沙运动开展研究,在一带一路、海洋强国战略的大背景下,泥沙运动理论的研究对海岸工程基础理论的完善,港口、海岸、水利等基础设施的建设开发具有重要的意义。理论研究方面,首先对非恒定流的动力学特性进行分析,基于Saint-Venant方程,求解非恒定流传播过程中的床面剪切应力和摩阻流速,分析传播过程中的水流结构及其各水动力要素如非恒定参数、摩阻流速、床面剪切应力等因素的相互作用关系,同时结合水槽实验研究非恒定流的传播速度、流量和水深的滞后变化规律。其次,在推移质理论研究方面,在恒定流作用下均匀沙起动机理研究基础上,从动力学的角度出发,基于泥沙颗粒受力模型,通过加入非恒定流特征参数项来表征非恒定流条件下对泥沙颗粒产生的惯性力,采用Morison方程中对惯性力的计算方法,引入到泥沙颗粒的切向运动方程和法向运动方程中,进而分别建立非恒定流条件下的均匀沙与非均匀沙颗粒滚动运动方程,分析泥沙颗粒运动的动力学特性,推导非恒定流作用下的起动流速与运动步长的解析解,深度刻画非恒定流作用下的推移质颗粒的起动速度和运动步长与速度偏度,粒径和暴露度之间的关系。当加速流与泥沙运动方向相同时,泥沙颗粒更易起动,运动距离更远;反之,则相反。基于波流水槽造流系统,对非恒定流作用下的推移质起动和输移机理开展实验研究。实验采用平底输沙,输沙段后方放置集沙盒以测量输移量,利用流速仪测量近床面流速,水位计采集输沙过程的水位变化,并在实验区布置高清摄像头,观察床面泥沙的起动和输移过程。对于非恒定流的产生,通过五种不同的流量-时间梯级曲线造流文件产生五种不同速度偏度的非恒定流。为了便于区分非均匀沙中不同粒径的泥沙运动过程,将不同粒径的泥沙颗粒进行染色,并以等质量1:1:1进行配比,得到四种非均匀沙。通过将集沙盒内的泥沙进行烘干,称重,得到不同情况下的推移质泥沙输沙率。根据得到的结果,对五种均匀沙和四种非均匀沙的推移质运动过程及结果进行记录分析,并对比前人成果,探求非恒定流作用下的均匀沙与非均匀沙输沙率公式,分析了速度偏度、粒径对输沙率的影响,发现通过数值积分将非恒定流转换成相同时间下的恒定流流速后,其输沙率明显小于非恒定流,同时输沙强度同水流强度参数、非恒定参数呈现良好的对数关系。同时,通过对非均匀沙的最终输沙结果进行粒径筛分,分析非均匀沙的分组粒径输沙规律,发现非均匀沙的代表粒径并不能采用单一的床面粒径,随着泥沙分布的不同,代表粒径在发生变化。
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１．１研究背景、目的及意义逡逑随着我国“海洋强国”和“一带一路”战略的实施，掀起了世界性的沿海地逡逑区基础设施建设的投资热潮。而在基础设施建设中，港口、航道、海岸工程建设、逡逑海岸带开发等均将成为重点建设项目。与此同时，在工程建设和运营中，不可避逡逑免的遇到海岸侵蚀、航道冲游、建筑物局部冲刷等一系列泥沙问题，如何运用泥逡逑沙相关理论细致深入地分析并解决各种泥沙问题显得尤为必要和亟需。逡逑流体的运动多是以非恒定流的状态呈现，，强烈的水流运动会携带大量的泥沙逡逑导致自然灾害的发生，如山洪，海啸、台风等自然灾害的发生，一般都会伴随着逡逑剧烈的泥沙运动，其灾害过后会产生大量的泥沙淤积甚至冲刷，对人民的生命财逡逑产造成重大损失。如图丨．丨所示，台风、山洪等引发水流的非恒定运动，淹没农逡逑田及房屋，导致大量的泥沙在建筑物周围堆积或者冲刷，从而伴随有次生灾害产逡逑生的可能，尤其是近些年来自然灾害的频发，使得对这种非恒定流引发的泥沙运逡逑动机理的研宄显得尤为必要。逡逑

逡逑同时，在海啸发生的过程中，也会导致大量的泥沙运动，如图１．２所示，不逡逑同于一般的水流运动，这类水流的非恒定性很强，伴随有强加速和强减

本文编号：2668061