河口冲刷的理论与数值模拟

论文摘要

河口区人类活动比较复杂，港口、桥梁、堤防和过江(海)隧道等水上或水下结构物众多，这些建筑物一旦被毁坏，对社会、经济影响极大，而河口冲刷则是导致建筑物毁坏的最重要因子之一。研究河口冲刷以便为工程安全设计提供科学依据，就具有十分重要的现实意义。本文采用理论与数值模拟两种方法深入探讨河口冲刷问题。 河口冲刷本质上是泥沙起动问题。论文基于因次分析法和前人交叉石英丝试验成果，建立起一个因次和谐的、适合非均匀沙任一粒级的粘性力表达式。将起动概率视为推移力矩与上举力矩之和大于重力矩和粘性力矩之和的概率，对作用力臂作统计处理后，从作用流速遵循正态分布出发，首次导出粘性沙和无粘性沙统一的非均匀沙起动概率公式。该式表明起动概率是水流强度的函数，而非均匀沙水流强度，跟颗粒的相对粒径、几何方差、干密度等因素有关。基于以上分析，最后推导出非均匀沙的起动摩阻流速公式。 根据粘性非均匀沙起动概率公式和起动切应力公式，分别建立起流量泛函形式的可预测极端水流条件下河床最大冲刷深度的计算公式。针对极端水流条件时河床断面形态未知问题，从理论上探讨了各点均处于临界起动动态平衡状态的断面曲线微分方程。根据最大冲刷计算的泛函公式预测了钱塘江河口研究河段极端洪水作用的最大冲刷深度，并讨论了断面最大冲刷深度可能出现的位置。结果表明水流条件是影响河床冲刷深度的关键因子，河岸水深对河床冲刷深度的影响相对较小；床沙非均匀性对河床冲刷深度有一定影响，泥沙非均匀程度越大，则较粗颗粒的暴露度大，同样水流作用下的冲刷水深也越大。 采用定床数学模型模拟了钱塘江河口洪水作用下的潮流场，并就潮流场对多桥的复杂响应进行数值试验。结果显示，极端洪水期间河口段流场主要受落潮流控制，涨潮流对其影响甚微；多桥对河口潮流场存在联合作用，桥墩阻水作用引起桥上游进潮量减小在多桥时甚为可观；桥梁对潮位的影响相互叠加，与无桥情形相比，在所有桥的上游或下游，潮位差变大，而多桥范围内，潮位差变小。 建立了适合大幅度冲淤河口的二维动床洪水数学模型。分别用动床和定床模型对钱塘江河口1995年和1997年洪水位作了模拟，定床模型预报洪水水位会产生高达0.94m的误差，而动床模型预报精度极高，最大误差不超过0.15m。动床模型为洪水位的精确预报提供了一种可行的计算方法。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究目的与意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 泥沙起动研究现状
• 1.2.2 局部冲刷的计算公式
• 1.2.3 冲刷数值模拟研究现状
• 1.3 本文研究内容与研究方法
• 1.3.1 研究内容
• 1.3.2 研究方法
• 第二章 河口非均匀沙起动理论
• 2.1 颗粒受力分析
• 2.2 非均匀沙粘性力公式
• 2.2.1 前人粘性力分析
• 2.2.2 本文粘性力公式
• 2.3 非均匀沙起动概率
• 2.3.1 前人的起动概率公式
• 2.3.2 本文起动概率的随机处理
• 2.3.3 底流速的随机处理
• 2.4 起动流速确定
• 2.4.1 隐暴系数的确定
• 2.4.2 其他参数的确定
• 2.5 起动流速验证
• 2.6 本章小结
• 第三章 基于起动理论的最大冲刷深度计算
• 3.1 基于起动概率的最大冲刷深度
• 3.1.1 起动概率公式
• 3.1.2 最大冲刷深度计算公式
• 3.2 基于起动切应力的最大冲刷深度
• 3.2.1 起动切应力公式
• 3.2.2 最大冲刷深度计算公式
• 3.3 断面形态的确定
• 3.3.1 考虑斜坡的断面形态处理
• 3.3.2 断面形态的概化处理
• 3.3.3 分析讨论
• 3.4 公式验证
• 3.5 极端流量的冲刷预测
• 3.5.1 最大冲刷深度预测
• 3.5.2 最大冲刷深度出现位置预测
• 3.6 冲刷深度影响因子分析
• 3.6.1 泥沙粒径
• 3.6.2 河岸水深
• 3.6.3 初始地形和水位
• 3.7 本章小结
• 第四章 钱墉江河口流场和冲刷特性
• 4.1 流场特征
• 4.1.1 涨落潮历时
• 4.1.2 涨落潮流速
• 4.2 泥沙特征
• 4.2.1 床沙组成
• 4.2.2 含沙量
• 4.3 冲刷特性
• 4.3.1 冲刷的空间特性
• 4.3.2 年际和年内变化
• 第五章 钱塘江河口流场数值模拟
• 5.1 数学模型
• 5.1.1 基本方程
• 5.1.2 定解条件及求解
• 5.2 模型验证
• 5.2.1 潮位验证
• 5.2.2 流场验证
• 5.3 极端洪水的流场数值试验分析
• 5.4 潮流对桥梁响应的数值试验
• 5.4.1 数值计算方案设计
• 5.4.2 单桥对潮位的影响
• 5.4.3 单桥对流场的影响
• 5.4.4 多桥对潮位的影响
• 5.4.5 多桥对流场的影响
• 5.4.6 多桥对进潮量的影响
• 5.5 本章小结
• 第六章 河口冲刷的数值模拟
• 6.1 Delft-Mor模块
• 6.2 河口动床数值模型
• 6.2.1 动床洪水冲刷模型
• 6.2.2 基本方程及其求解
• 6.3 钱塘江河口段计算实例
• 6.3.1 模型验证
• 6.3.2 数值预报
• 6.4 本章小结
• 第七章 河口冲刷的影晌因素
• 7.1 水流条件与河口冲刷
• 7.1.1 上游流量与河口冲刷
• 7.1.2 潮型与河口冲刷
• 7.2 洪水历时与河口冲刷
• 7.3 弯道与河口冲刷
• 7.4 本章小结
• 第八章 结论与展望
• 8.1 主要结论
• 8.2 展望
• 参考文献（References）
• 攻读博士期间发表或录用的论文
• 攻读博士期间参与科研项目列表
• 致谢