河口冲刷的理论与数值模拟
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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。
Human activities in estuaries are frequent. There are so many hydraulic structures such as ports, bridges, embankments, rivers or submarine tunnels. The city economy and society will be greatly influenced by their destruction. Scour in estuaries was one of the most significant factors which led to the destruction of structures. The study on estuarine erosion provides a scientific basis with the safety design of engineering. In this dissertation, scour in estuaries is profoundly discussed from the angles of theory and numerical simulation.
Scour is essentially attributed to incipient motion of sediment. Firstly, on the basis of both dimensional analysis and previous cross-quartz-thread experiment, the expression for cohesive force is derived, which is dimension harmony, and suited to nonuniform sediment. Incipient probability is regarded as the probability that the sum of drag force moment and lift force moment is larger than that of gravitational moment and cohesive force moment. After statistical treatment with arms of acting force, the formula of incipient probability for both the cohesive and cohesionless nonuniform sediments is obtained from normal distribution of velocity. The formula indicates the incipient probability is a function of flow intensity, related with such factors as the relative size and geometric variance of particle, and the dry density. A formula of incipient frictional velocity is then deduced.
Respectively based on incipient probability and shear stress, functional formulae are established for predicting the maximum scour depth under extreme flood. Differential equations are theoretically studied to describe the form of cross-section in the threshold motion status. The functional formulae are used to predict the scour depth in the Qiantang River estuary. The location of maximum scour depth is also discussed. The results demonstrate that both the flow condition and nonuniformity of sediment affect scour depth. The more nonuniform the sediment is, the greater the scour depth becomes.
The tidal current field in Qiantang River estuary is numerically simulated with fixed-bed model. As a result, during the extreme flood the flow is entirely controlled by ebb current. A series of numerical tests on the response of tidal current to multi-bridges are also made, and the result is complicated. In the region where effect of multiple bridges occurs, tidal current velocity obviously reduces, and the gradational decrease of velocity at the same point exists along with the increase in bridge number. The influence
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。
Human activities in estuaries are frequent. There are so many hydraulic structures such as ports, bridges, embankments, rivers or submarine tunnels. The city economy and society will be greatly influenced by their destruction. Scour in estuaries was one of the most significant factors which led to the destruction of structures. The study on estuarine erosion provides a scientific basis with the safety design of engineering. In this dissertation, scour in estuaries is profoundly discussed from the angles of theory and numerical simulation.
Scour is essentially attributed to incipient motion of sediment. Firstly, on the basis of both dimensional analysis and previous cross-quartz-thread experiment, the expression for cohesive force is derived, which is dimension harmony, and suited to nonuniform sediment. Incipient probability is regarded as the probability that the sum of drag force moment and lift force moment is larger than that of gravitational moment and cohesive force moment. After statistical treatment with arms of acting force, the formula of incipient probability for both the cohesive and cohesionless nonuniform sediments is obtained from normal distribution of velocity. The formula indicates the incipient probability is a function of flow intensity, related with such factors as the relative size and geometric variance of particle, and the dry density. A formula of incipient frictional velocity is then deduced.
Respectively based on incipient probability and shear stress, functional formulae are established for predicting the maximum scour depth under extreme flood. Differential equations are theoretically studied to describe the form of cross-section in the threshold motion status. The functional formulae are used to predict the scour depth in the Qiantang River estuary. The location of maximum scour depth is also discussed. The results demonstrate that both the flow condition and nonuniformity of sediment affect scour depth. The more nonuniform the sediment is, the greater the scour depth becomes.
The tidal current field in Qiantang River estuary is numerically simulated with fixed-bed model. As a result, during the extreme flood the flow is entirely controlled by ebb current. A series of numerical tests on the response of tidal current to multi-bridges are also made, and the result is complicated. In the region where effect of multiple bridges occurs, tidal current velocity obviously reduces, and the gradational decrease of velocity at the same point exists along with the increase in bridge number. The influence
引文
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