淤泥质海岸挖槽回淤预测的沉积动力学途径-以杭州湾试挖槽为例.doc

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1、淤泥质海岸挖槽回淤预测的沉积动力学途径-以杭州湾试挖槽为例摘要：在淤泥质河口、海岸地区，港池和航道开挖后，挖槽内外经历着冲淤交替过程，在挖槽中由于水流作用的弱化，使得槽内淤积增加而冲刷减少，并随槽内深度增加而产生净淤积(即回淤)。挖槽回淤的沉积动力学途径，是建立在对冲淤机理分析和冲淤过程的合理概化基础上，可以构造半经验的回淤预报公式，也可为冲淤数学模型提供合理的结构和参数，关键是采用水动力强度指标，即水流及波浪引起的底部切应力τ(或摩阻流U)来界定冲淤发生的条件和衡量冲淤发生的规模；此外还必需分

2、析和表达挖槽工程区域水体含沙量的时空分布；工程区沉积物的平面及柱状分布及其物理力学指标、沉速、淤积切力、冲刷切力、固结过程、流变参数等的实验测定。关键词：挖槽回淤预测沉积动力学泥沙特性杭州湾1前言　　在淤泥质河口、海岸地区，港池和航道人工开挖后，挖槽内外都经历着冲淤交替的过程；在挖槽中由于水流作用的弱化，使得槽内淤积增加而冲刷减少，与槽外相比，产生了因加深引起的净淤积，即“回淤”。　　挖槽回淤的沉积动力学途径，是建立在对冲淤机理的分析和冲淤过程的合理概化基础上的。通过分析与概化，可以构造半经验的

3、回淤预报公式，也可为冲淤数学模型提供合理的结构和参数，或为动床物理模型提供确定比尺关系的依据。　　长期以来，水利及港口工程界广泛采用挟沙能力概念来分析挖槽的冲淤机理，用实际水体含沙量与挟沙能力的对比来概化冲淤过程，即对于某一水动力强度，水体含沙量高于挟沙能力(S＞S*)时，发生淤积，至S→S*时淤积停止；当S＜S*时发生冲刷，S→S*时冲刷停止。由于挟沙能力S*是与水动力强度联系在一起的，因此用实际水体含沙量与S*的对比来概化冲淤过程，可以认为其实质上是一种动力学的分析途径。　　另一种动力学分析

4、途径是采用水动力作用强度指标，例如水流及波浪引起的底部切应力τ(或摩阻流速U*),与沉积物的淤积特性和冲刷特性指标(例如淤积切力τd、冲刷切力τc及相应的摩阻流速)加以对比来界定冲淤发生的条件和衡量冲淤发生的规模。这样做，从动力学角度似乎更为直接。另外，当τ＜τd时，淤积可一直进行下去直至S→0，而并无某一平衡含沙量与之相对应[１]；冲刷也有类似情况。采用这一途径，要求：1.1分析和表达工程所在区域的水动力作用强度，在河口、海岸工程中，一般用水流或波浪引起的底切力(或摩阻流速)表示；要考虑近岸潮

5、波变形及波浪变形引起的水流底切力的变化和挖槽内水流强度随流向与挖槽交角和开挖深度的变化。1.2分析和表达工程区域水体含沙量的时、空分布。181.3了解工程区域现场沉积物的平面及柱状分布，对代表性泥样进行物理、力学指标、沉速、淤积切力、冲刷切力、固结过程、流变参数等的实验测定。1.4建立反映冲淤过程的半经验预报公式或数学模型。　　国外在这一途径上的工作较多，早期有代表性的如Krone[2]、Patheniades[１]和Migniot.c[3]等。国内，较早的有天津塘沽新港新港回淤研究(内部资料)

6、第一期。天津新港回研究组，1964年。、连云港等地区的工作[4]。对杭州湾试挖槽的回淤预测、分析也是按这一途径进行的，以此为例，简要分析如下。2挖槽冲淤过程的概化及表达　　淤泥质浅滩挖槽中的泥沙冲淤，取决于潮流及波浪底切力与沉积物水动力特性之间的对比，冲淤量是滩槽几何因子、水力因子和泥沙因子的综合结果，具体地：2.1在海岸浅滩场合，水体含沙量主要来源于浅滩波浪掀沙。波浪掀沙主要发生在破波带，破波带外则主要来自近岸潮流对破波带内浑水的平流——扩散输运[5]。在河口场合，流的输沙是主要的。2.2在一

7、全潮过程中，当水流底切力超过沉积物的冲刷切力时，即τ＞τc时发生冲刷，冲刷率又与淤泥的固结程度有关；当水流底切力低于悬沙的淤积切力时，即τ＜τd时发生淤积。挖槽与相邻浅滩相比，淤积历时加长且淤积率增大，冲刷历时缩短且冲刷率减小，从而导致挖槽回淤[6]。综合考虑挖槽中淤积历时T和冲刷历时T′随水动力、泥沙特性、滩槽水深比H/H0和流向交角的变化，可写出T和T′的表达式(1)(2)挖槽淤积量通过水流行经挖槽时，悬沙垂线分布因泥沙沉降而发生调整来加以反映，得全潮淤积量的解析式为18(3)全潮冲刷量为

8、(4)全潮回淤量即为Dt-E[6]。(2)式较[6]有所改进。　　以上诸式中，T为挖槽在一个全潮中的淤积历时；σ为潮流圆频率，；H为挖槽水深；H0为挖槽外侧浅滩水深；U*d为泥沙淤积摩阻流速；K为非顺流时槽内流速折减率为挖槽外侧浅滩的水流摩阻流速峰值；T′为挖槽在半个全潮中的冲刷历时；U*c为沉积物冲刷摩阻流速；ω为泥沙沉速；εs为泥沙垂向交换系数；S为水体含沙量；M为沉积物冲刷系数。　　由上述挖槽回淤的计算式可知，在对冲淤过程经过相当概化的情况下，也要求通过一定的实验以确定泥沙特性参数(U*c