粉沙质海岸潜堤防淤减淤机理研究

The sediment deposition at offshore dredged channels on silty coast is severe more and more on the development of the harbors. Recently, submerged dikes have become more common as protection structures due to their advantages. However the inconsistency between the requirement in engineering and shortage in sediment transport mechanism protected by submerged dikes becomes prominent because of the complication of the process. So this project plans to study this sediment transport problem by the mathematic model and physical model. The Smoothed particle hydrodynamics method is chosen due to its meshfree, Lagrangian and particle nature. A mathematic model will be established with a concentration model by the SPH method to simulate sediment deposition, suspension, bed changes and scour with a submerged dike. This research is helpful for understanding the mechanism of mitigation of siltation in channel prevented by the submerged dike on silty coast.

随着港口向大型化、深水化发展，粉沙质海岸航道淤积问题日益突出，潜堤作为一种可行的防护形式备受关注。潜堤防淤减淤是一个极为复杂的问题，涉及到波浪破碎、泥沙沉积等一系列问题，目前对其机理认识的不足与日益增长的工程需求之间的矛盾越发突出，亟需开展相关研究。本项目拟利用新型数值模拟手段和实验手段围绕潜堤作用下泥沙起动、穿越、沉降等输运过程开展机理研究工作，利用拉格朗日方法在描述强烈对流水环境条件下泥沙运动的优势，建立和开发基于浓度概念的光滑粒子动力学泥沙输运模型，从机理角度揭示潜堤结构形式、水动力条件与泥沙输运现象之间的内在关系，沟通当前不同研究成果之间的分歧，探索潜堤防淤减淤机理，为潜堤在工程实践中发挥更大的作用奠定研究基础。

航道泥沙淤积问题是粉沙质海岸港口重要问题之一。潜堤作为一种可行的防护方式备受关注。本研究利用物理模型实验、数值模拟以及理论分析等手段，对潜堤减淤机制进行了探讨，主要研究成果有：（1）基于光滑流体动力学方法和对流扩散方程建立了拉格朗日型泥沙输运模型，与DualSphysics整合，形成具有GPU并行加速能力的三维泥沙运动模型，并对模型的合理性进行了分析。（2）以粉沙质海岸实际工程为背景，利用水槽实验，研究了波流共同作用下潜堤对航道减淤作用。实验结果表明，潜堤能够有效减少掩护区段内航道淤积。（3）利用水槽实验，进一步探讨了护面形式差异对潜堤拦截泥沙能力的影响，实验结果表明，扭王字块体护坡断面拦截泥沙的能力略强于模袋混凝土护坡。（4）利用建立的三维泥沙输运模型对水流、波浪作用下潜堤拦截泥沙过程进行了计算，分析了泥沙穿越潜堤的运动特征。（5）以带潜堤或具有潜堤性质的工程为背景，利用二、三维水动力数学模型计算和分析了潜堤结构物对流场、水体交换、风暴潮増水、岸滩演变等宏观水动力因素的影响。（6）利用数学模型探讨了潜堤掩护长度、潜堤高度、不等长双堤掩护方式等因素对航道淤积分布、淤积量的影响，研究认为：潜堤减淤效果与工程当地海域水动力及泥沙运动规律密切相关，需要同时考虑掩护段航道和非掩护段航道淤积情况的变化，并非是掩护距离越长越好，亦不是潜堤高度越高减淤效果越明显，潜堤的长度和高度要做综合比较进行确定；潜堤越高越长，对掩护区航道减淤越有利，但易在新的口门附近区域形成回淤集中区，可能成为整条航道一个新的“瓶颈”。