波致渗流对粉质土海床侵蚀影响的定量评价方法研究

Silty seabed is susceptible to transient and cumulative excess porewater pressure response under the action of waves, generating two types of seepage flow (SF) namely “transient SF” and “cumulative SF” respectively. From the initial generation to the resultant local seepage instability or totally liquefaction, wave-forced seepage flows will exert important influence on the erosion of silty seabed. At present, the academic community has got some perceptual knowledge of the influence, however a modified erosion model that could reasonably consider the index of seepage flows is still lacking, which seriously constraints the prediction level of silty seabed erosion. With a specially-designed annular flume experimental system that simulates the process of "seepage" and "scour" in a coupled manner, a series of controlled experiments will be conducted in the present project, to reveal the influencing mechanism and further establish the criterion also the quantitative prediction method of the influence，finally construct a modified erosion model that fully considers the influence of wave-induced seepage flows. Research achievements could provide technical support or reference for peer studies on the one hand, more importantly, it has great potential in improving the prediction effect of silty seabed erosion.

波浪作用会在粉质土海床中诱发瞬态与累积两种超孔隙水压力，相应地引起瞬态与累积两种渗流模式。波致渗流从产生直至引起渗透破坏、完全液化，会对粉质土海床的侵蚀过程产生重要影响。目前，学界对该影响的物理机制已有一定认识，但仍然缺乏一种能够合理考虑渗流参量的修正侵蚀计算模型，严重制约着粉质土海床侵蚀预测水平的提升。本项目将基于自主研发的“渗流”-“冲刷”耦合模拟环形水槽装置，开展一系列控制变量实验，揭示两种波致渗流影响粉质土海床侵蚀的物理机制，并建立该影响的临界判据与定量评价方法，进而构建一种合理考虑波致渗流参量的修正侵蚀计算模型。研究成果一方面可为同行研究提供技术支撑与借鉴；另一方面，有望提升粉质土海床侵蚀的预测水平。

黄河三角洲地区是胜利油田所在地，该区底质以粉质沉积物为主，且波浪作用强烈，侵蚀灾害严重，海床冲刷严重威胁近岸工程基础设施的安全。目前对粉质沉积物侵蚀冲刷的机制认识与定量评价方法，仍然以借鉴无黏性砂的研究成果为主。由于粉质沉积物在波浪循环荷载作用下，容易发生孔隙水压力累积，诱发渗流，甚至导致海床液化，进而使得粉质沉积物的侵蚀冲刷过程更加复杂。探索该区粉质土海床的侵蚀冲刷机制，构建定量评价方法，有助于提升粉质海床的侵蚀计算，以及海岸带长期演变的预测水平。本项目系统研究了波致粉质土海床液化对沉积物侵蚀的影响。先后设计了适用于室内水槽、潮间带地区以及水下三角洲的实验装置，揭示了波致海床液化通过衰减表层抗侵蚀性和 “泵送” 内部细颗粒物质再悬浮的物理机制；并进一步构建了参数化定量评价方法，为波控粉砂质海岸带的沉积物输运与岸滩演变预测如何考虑波致液化的影响提供了参数化模型。 进一步将所构建的参数化模型植入了一维垂向沉积物输运模型；与海底原位实测数据的对比显示，由于更好地考虑了波致海床液化过程的影响，修正模型取得了显著优于传统模型的效果。为了实现一维垂向沉积物输运模型预测结果与现场实测结果的可比性，研究工作突破三个技术难点：（1）推导了非稳态条件下一维垂向沉积物输运方程的解析解，更加符合自然界中的真实情况；（2）提出了一种将现场实测数据中平流输运组分分离的方法，使得在细颗粒沉积物环境中应用一维垂向模型成为可能；（3）提出了一种利用模拟与观测数据最优化匹配为模型预测率定悬沙扩散系数、沉降速度以及沉积物侵蚀速率的方法。研究成果深化了波浪作用下粉质沉积物海床的侵蚀冲刷机制认识，构建了考虑波-土相互作用的沉积物侵蚀冲刷模型，为我国分布广泛的黏性海岸带地区的局部冲刷工程计算以及区域性的海岸带长期演变预测，提供了更为合理的科学依据和更为有效的计算模型。