波浪与淤泥质海床的相互作用及其数学模型研究

Studies indicated that fluidized muddy beds usually exist at large estuaries and nearby coastal areas, like at the Thames estuary in Britain, at the La Vilaine estuary in France, at the Amazon estuary in South America, at Tamagawa estuary of Tokyo Bay, as well as at Yellow river mouth in China. Dynamic Interactions between water waves and soft muddy beds take place in muddy coasts and estuaries, resulting in complicated phenomena such as mud mass transport, as well as densification and liquefaction in a muddy bed. Mud mass transport is a predominant mode of sediment transport in a muddy bed that is closely related to siltation and environmental problems. On the other hand, the rheological property of soft mud is a dominant impact factor for the dynamic responses of a muddy bed to the external forces like water waves. Therefore, this study is focused on clarifying the rheological behaviors of soft mud under the oscillatory wave forces, examining the densification and liquefaction of a muddy bed caused by the action of water waves, as well as the mass transport of soft mud and the attenuation of surface water waves over a muddy bed. In addition, with the VOF free surface tracing technique and SMAC numerical algorithm, a numerical wave flume is developed for simulating the nonlinear interactions between water waves and muddy beds in which the constituted rheological model for soft mud and the theoretical model for water content ratio changes in a mud bed are combined. Finally, the developed numerical wave flume is verified with the experimental data for mud mass transport velocity, wave dissipation rate, and topographical changes of a muddy bed.

随着我国沿海经济开发战略的具体实施，淤泥质海岸的开发、利用和保护在不断推进。深入研究淤泥质底床在波浪作用下的动力响应（如底泥的流变特性、质量输送及底泥运动引起的波浪衰减）对正确评估淤泥质海岸的水动力和水环境要素，预测控制底泥运动对港口工程及海岸环境的影响，具有十分重要的科学意义和实际工程应用价值。本课题在申请人对商用高岭土淤泥的研究基础上，对现场淤泥在波浪作用下的动力响应特性进行实验研究。首先，采用振荡旋转式剪切流变仪，研究现场淤泥在周期性荷载下的流变特性，提出波浪作用下底泥的半经验非线性粘弹塑性模型。其次，对波浪作用下淤泥质底床的压密和"液状化"进行试验研究，揭示泥床压密与"液状化"的动力特性和诱发机制，建立相应的含水量变化计算模型。综合前述底泥本构方程及含水量预报模型，采用VOF自由表面追踪技术和SMAC法等数值模拟技术，开发波浪与淤泥质底床相互作用的非线性波-泥耦合数值波浪水槽，并通过实验数据对所建模型进行验证。最后，采用所建立的波-泥耦合数值波浪水槽对波浪作用下淤泥质底床的动力响应及其运动机制进行分析研究。

淤泥质海岸资源的有效保护与高效利用是我国沿海经济可持续发展的重要保障。深入研究波浪与淤泥质底床相互作用的物理过程和运动机制，把握波浪作用下淤泥质底床的动力响应特征，预测淤泥质底床的运动对水动力和水环境要素的影响，是淤泥质海岸开发与保护中完善工程的规划、设计、施工、维护与管理的基础，也是保障工程的设计标准，提高工程建设的经济性和安全性的前提。对丰富河口海岸的泥沙运动理论和海岸工程与海岸环境工程的发展都具有十分重要的科学意义和实际工程应用价值。. 本课题针对目前对周期性荷载作用下淤泥流变特性及其本构方程，以及波浪作用下淤泥质海床动力响应及其数学模型等方面研究的不足，首先采用振荡旋转式剪切流变仪，选用商用高岭土和连云港与长江口河口的现场淤泥，对周期性波浪荷载作用下淤泥的流变特性进行了实验研究，在此基础上建立了波浪作用下淤泥质底泥的半经验半理论非线性粘弹塑性体本构模型；其次，对波浪作用下淤泥质粉砂的动力响应以及"液状化"特性进行了实验研究，揭示了粘土含量对粉沙淤泥质海床"液状化"的诱发机制和动力特性的影响，提出了海床发生液状化的影响因素和判定条件；此外，为实现对含有大自由表面变形复杂水沙交界面的水流与泥沙二相流运动的高精度模拟，基于传统的有网格法和近年来提出的无网格粒子法，分别建立了计算水沙二相流运动的CIP-DEM法数值计算模型和MPS无网格粒子法数值水槽；最后，将所建立的水沙二相流数值计算模型用于溃坝水流与淤泥质海床相互作用，以及波浪与流化海床相互作用问题的模拟，并通过与实验结果或理论分析结果的对比，验证了本课题所建立的模拟方法的合理性和模拟精度。 . 本课题所构建的周期性荷载作用下粘性底泥流变特性本构方程，可以用于实际工程中研究分析淤泥质河口海岸波浪与淤泥质底床的相互作用；所建立的基于网格法的CIP-DEM二相流数值计算模型和基于MPS无网格粒子法的二相流数值模型不仅可以用于模拟波浪与淤泥质底床相互作用，也适用于对含有大自由表面变形和复杂介质界面的波浪与建筑物相互作用的模拟分析，为进一步研究波浪与淤泥质海床和海工建筑物的相互作用提供了理论基础和分析方法。