波浪作用下的泥沙问题研究进展

波浪作用下的各种泥沙问题是近年来海岸(上)工程经常遇到的问题,其国内外的研究成果也较多.文章从最基本的泥沙问题--泥沙分类标准入手,综述了国内外对波浪作用下一些泥沙基本问题,包括:海岸泥沙的分类标准、波浪作用下的泥沙起动、床面变形、泥沙输移以及坡面泥沙起动等,为今后研究波浪作用下的泥沙问题提供了一些参考.     

涵洞输沙特性研究

地下涵洞穿越河渠淹没于水下，水沙运动呈有压流状态，合理利用洞内水流自身能量，才能确保输送泥沙过洞。依据床面泥沙起动切应力相等原理及明渠水流挟沙力公式，提出了适应地下涵洞泥沙起动流速关系及输沙能力的修正公式。该公式较好地反映了地下涵洞的泥沙运动及输沙规律，为解决地下涵洞安全输沙及防止泥沙淤积提供了理论依据。     

推移质低输沙率

针对泥沙运动统计理论建立的推移质低输沙率公式进行了系统的描述,讨论了以拖曳力和平均流速为主要参数的两类推移质输沙率公式.指出了两类公式存在的问题.在揭示推移质输沙机理的基础上,提出影响输沙率大小的主要因素是泥沙输移的强度效应和速度效应.尽管各类输沙率公式都可以归结为这两个因素的共同作用,但只有考虑泥沙运动的随机因素才能正确概括泥沙起动时的低输沙率过程,才能明确起动时低输沙率的物理机理.     

平衡输沙条件下非均匀推移质运动特性

考虑床沙特性以及颗粒暴露度对非均匀沙运动的影响,根据滚动平衡关系,提出了非均匀沙起动流速公式,利用实测资料分析了附加阻力系数的特点,并得到其数学表达式.通过对非均匀泥沙颗粒运动方程的分析,导出了非均匀沙临界起动希尔兹参数的数学表达式,从而从理论上解释了非均匀沙颗粒与均匀沙起动的不同之处(粗颗粒较同等粒径均匀沙容易起动,细颗粒则与之相反).分析了非均匀沙颗粒随水流运动的特点,指出非均匀沙颗粒运动与其所处的床面条件具有直接的关系,床面条件不同,运动也将呈现不同的特点.最后建立了平衡输沙条件下非均匀推移质分组输沙率公式,公式的计算值与实测资料吻合较好,并且能够用来计算均匀沙推移质输沙率,具有广泛的通用性.     

复杂流动下泥沙起动概率的图像测量

提出了一种适合于复杂流动下泥沙起动概率的测量方法--图像测量法.该方法对床面上砂颗粒的运动图像进行采集,根据采集到的图像采用互相关算法计算出砂颗粒的运动速度,由砂颗粒运动速度得到泥沙的起动概率.采用该方法测量了槽道流动及后台阶流动2种情况下床面泥沙的起动概率.在槽道流动下,床面泥沙的起动概率随着床面剪应力的增大而增大.由本文测量方法得到的临界起动剪应力与希尔兹曲线所得到的结果相一致.在后台阶流动下,测量结果表明,再附点附近处泥沙的起动概率最大.这一结果能够解释在后台阶下游床面局部冲刷实验中发现的再附点附近冲刷最为严重的现象.     

粘性细泥沙的临界起动公式

用上海港杭州湾深水航道试挖航槽的淤泥泥样,进行不同沉积密度条件下的起动试验。论文叙述了试验的条件、情况和主要结果。用实测数据检验张瑞瑾公式窦国仁公式,唐存本公式和沙玉清公式,并加以分析和评述。从粘性细泥沙絮凝的电化学理论出发,导出细泥沙颗粒之间粘着力的表达式,建立包括粗、细泥沙在内的统一的临界起动切应力和临界起动流速公式。该式与已有的公式和实测资料进行比较,符合良好。能较好地描述淤泥不同沉积密度时起动条件的变化,应用建议的起动公式,只需用常规试验测定几项基本参数,便可预报淤泥在不同沉积密度时的临界起动切应力或临界起动流速。     

渗流作用下的岸坡泥沙起动条件

考虑渗透力作用,分析坡面泥沙受力特点,推导出岸坡均匀沙的起动条件和临界切应力计算公式,并采用不同渗流比降和不同水流方向的算例,以及长江中下游典型岸坡的实例,对渗流作用作出了定量分析。结果表明,泥沙起动流速曲线存在明显的转折点,可以解释崩岸的突发性;向坡外的渗流将大幅降低岸坡泥沙起动条件;冲刷水流方向也影响泥沙起动流速,在接近零流速破坏坡角时影响显著。     

波浪作用下沙质海滩沉积物运动特征

基于二维波浪水槽实验,采用沙质斜坡概化海滩,分别选用规则波和椭圆余弦波进行实验,测量波浪作用前后的海滩剖面形态及断面沉积物粒径组成,探讨波浪作用下沙质海滩沉积物运动特征,包括剖面形态演化特征及其床沙分选规律.结果表明:沙质海滩剖面形态时空演化特征受波浪类型、波高、周期等因素影响,呈现出沙坝形态和滩肩形态,发现波浪Irribarren参数可以作为沙质海滩剖面演化形态的判别参数.在本实验条件下,Irribarren参数大,海滩剖面呈现滩肩形态;Irribarren参数小,海滩剖面则呈现沙坝形态.海滩床面沉积物在波浪作用下产生了明显的分选现象,波浪破碎产生的强烈紊动造成床面沉积物的起动、并为小颗粒的运动提供动力.水体紊动导致水流挟沙力降低,大颗粒泥沙在紊动较强区域产生沉积,部分被水流挟带发生向岸推移;小颗粒泥沙则随水流运动,在紊动较弱的区域分散沉积.     

河床泥沙起动流速公式修正及可靠性验证

在河床泥沙起动的瞬间,颗粒与水相互作用,具有相同的速度。所以在研究泥沙起动流速的时候既要考虑水体对河床泥沙的影响,又要考虑河床泥沙对水体的影响。通过探寻河床有效切应力与水体流速梯度的关系;并考虑河床泥沙内部渗流作用对泥沙起动流速的影响推导出新的均匀泥沙起动流速公式。将此公式与实验资料及前人推导公式进行对比,结果表明本公式的计算精度符合工程应用标准,能弥补采用经典流速分布公式研究泥沙起动流速时的不足;并能较好地应用于组成成分为粗粉土、沙与砾石的泥沙研究中。     

非线性波作用下非对称沙纹床面流场特性数值分析

海床上的沙纹对泥沙输运和波浪衰减有着重要的影响.通过数值波浪水槽研究了非线性波作用下非对称沙纹床面底层的流动特性.控制方程为雷诺时均方程和 k-ε紊流模型.入射波为椭圆余弦波,采用PLIC-VOF法追踪自由表面.通过数值模拟得到了不同波浪条件下的瞬时速度场和涡量场.计算结果表明:非线性波作用下,非对称沙纹床面两侧的涡动强度不相等,涡量值与波浪参数密切相关;波浪非线性增强,涡量值增大,最大涡量值对应的相位角减小;涡量值大小的变化与外流场速度变化不同步达到最大,随着Ursell数增大,涡量值在小相角下达到最大值.     

水流作用下裂隙内沉积颗粒起动临界流速研究

为了优化阻塞裂隙的水力冲刷工艺参数,采用物理试验和理论分析相结合的方法,建立了水流作用下颗粒起动有效作用流速数学模型,研究了水流作用下裂隙内不同形状颗粒的起动方式和颗粒起动临界流速随颗粒粒径、流体密度和裂隙高度的变化特性。结果表明：近圆颗粒和椭球颗粒主要以滚动方式起动,扁平颗粒以滑动方式起动;颗粒起动临界流速随颗粒粒径的增大呈现对数增大的变化规律,随流体密度的增大呈减小的变化规律;进一步地,由于颗粒起动有效作用流速与裂隙高度的增大呈负相关的变化规律,因此颗粒起动临界流速随裂隙高度的增大而增大。为提升阻塞裂隙的水力冲刷效果,应采用的方法是增加流体介质的密度,促使裂隙内更多的沉积颗粒发生起动。此外,当水力冲刷工艺运用至裂隙发育的地带时,应该适当提高水力冲刷工艺的注水量,提高堵塞裂隙的水力冲刷工艺效果。     

平衡输沙条件下推移质级配

在考虑床面泥沙颗粒起动概率的基础上,提出了平衡输沙时确定推移质最大粒径的方法及计算公式.从理论上分析得到了泥沙颗粒起动无量纲临界切应力参数Θ的最小值,对个别及少量起动分别为0.020和0.030,由此可计算出推移质最大粒径d c,max .同时提出了计算推移质级配的方法及公式,该公式仅与床沙平均粒径d m ,床沙粒配百分数p 0i ,推移质最大粒径d c,max 及其所对应床沙级配的组数m有关.验证结果表明,计算结果与实测资料符合较好.     

螺旋流输沙相似律探讨

本文从分析螺旋流流态入手，考虑泥沙的运动状态相似，讨论了螺旋流中均匀泥沙在有效重力和绕流阻力作用下成为悬移质的相似律，以及泥沙的起动相似和悬移相似的同一性问题；分析了螺旋流输沙过程中沿程阻力损失。它为螺旋流输沙的试验研究提供了可靠的理论依据。     

汕尾港出海航道波浪作用下底沙回淤研究

通过现场调查与动床模型试验，分析研究汕尾港海区波浪运动、泥沙来源及破波带内沿岸输沙与岸滩变化；评估目前出海航道轴线走向的合理性。采用夏都公式、Ｅｎｇｅｌｕｎｄ的底沙公式和詹·弗莱兹夫的推移质回淤量计算公式，按正常年份波浪作用与特殊年份台风浪作用等不同情况，预测了５０００吨级与万吨级的港池和出海航道底沙回淤量，提出了维持港池、航道水深与减少回淤量的工程措施。     

泥沙起动流速研究现状分析

该文通过回顾泥沙起动的随机性、运动判别标准、以及泥沙颗粒在河床面的受力分析研究,简要综述了粗颗粒散体泥沙、均匀沙散粒体及细颗粒粘性泥沙、非均匀沙、砾石和卵石以及斜坡上泥沙起动流速的一些主流研究成果,并将最近的一些研究成果与经典研究进行对比。虽然泥沙起动流速研究由国外学者奠基,但在后续的理论体系完善中我国学者也进行了较为深入的研究工作并得到许多实用的经验和半经验公式。粗颗粒散体泥沙的起动流速、均匀沙散粒体及细颗粒粘性泥沙的起动流速研究较为透彻,非均匀沙和砾石和卵石的起动机理,以及斜坡上的泥沙起动流速仍有很大发展空间,对于规律性较为不明显的起动流速研究将会成为今后研究的热点方向。     

钉螺在动水中运动特性研究

通过试验，研究了钉螺在动水中爬行运动和钉螺在动水中的起动流速，推导了钉螺在开厣状态下起动流速公式；还根据试验结果描述了不同流速区段钉螺运动特性，分析了钉螺在渠系中扩散方式，从而为防止钉螺扩散提供了理论依据。     

一种自起动双速凸极同步电机及其起动特性

研究了一种采用叠架式励磁绕组的自起动双速凸极同步发电电动机，这种电机转子可采有叠片磁极、无需其他任何辅助阻尼绕组，而使其在电动机运行时能够实现直接异步起动，同时在发电机运行时又兼有阻尼绕组的作用，从而使其转子结构大为简单化，实验结果表明，这种电机及其起动方法是有效的。     

波浪作用对珠江崖门口出海航道冲淤变化的影响

较为详细地介绍了基于能量平衡方程的第三代近岸波浪数值预报模式SWAN，阐述了笛卡儿坐标系下方程模型及方程右端源汇项的处理方法.在设计台风浪SE向40m／s风场下，数值预报了崖门口出海航道水域的有效波高分布和波浪水质点底部轨迹运动速度分布.通过对由泥沙起动底流速公式得到的出海航道水域泥沙起动底流速与近底水质点轨迹运动速度的均方根值的比较分析，表明在台风浪风场作用下，航道附近水域底部泥沙将被掀扬至水体，经潮流输送造成航道淤积或冲刷.分析比较了各家泥沙起动公式，提出各家泥沙起动公式分别对粗、细沙的适用范围.     

动床沙粒阻力与底沙输移

本文在输沙实验的基础上,从研究水流结构着手,分析了水流和泥沙之间的相互作用关系,讨论了动床沙粒阻力和底沙输移规律.结果表明,动床沙粒阻力与输沙有关.本文还导得动平床情况下的流速分布公式、阻力公式和输沙率公式,使动床的水流运动和输沙过程得以联解.通过295组水槽实测资料详尽的验证,证明本文结果与实测资料是一致的.     

水泥球磨机可控缓冲起动过程的运动分析及其节能效益

介绍一种新的缓冲起动方法,即在电动机与设备之间加装一磁粉离合器,在电动机空载起动后,通过对磁粉离合器的控制,实现设备的可控缓冲起动。这一起动方法不仅可大大减小电动机型号,改善起动性能,而且具有显著的节能效益。本文在分析各类起动方式的基础上,推导出了不同起动方式的运动方程以及控制起动时间的计算公式,根据实测数据分析了采用磁粉离合器实现缓冲起动所带来的节能效益,介绍了磁粉离合器的选用和控制方法。