粉沙质海床泥沙起动机制和侵蚀特性研究

Silt-sand sediment is found to be abundant in the tidal flats of China. The study on the dynamics of the silt-sand sediment under currents are far from sufficient. The sediment incipience formula and erosion law used in engineering not only cause a large error, but also lack experimental and theoretical supports, which affect the reliability of the numerical model to calculate silt-sand sediment transport and bed morphology. This study takes the erosion of silt-sand sediment as a main research object. Firstly, the sediment incipience experiment will be conducted in the annular flume to analyze the influence of the factors such as silt content, bulk density and particle size distribution on the incipience of silt-sand sediment, find out the mechanism and propose a suitable formula to calculate the critical shear stress for silt-sand sediment. Then, the erosion experiment is further conducted by increasing flume velocity gradually to analyze the relationship between erosion rate and shear stress and propose an erosion law for silt-sand sediment. Finally, based on shallow water equations, advection-diffusion equation and bed change equation, a high-precision numerical model with new erosion law is developed and validated in Jiangsu Coast.

粉沙质海床广泛存在于中国的潮滩中。目前国内外学者对水流作用下粉沙和细沙混合物的动力特性的认识仍十分有限。工程上通常采用的起动公式和侵蚀率计算方法不仅误差较大，而且缺乏足够的实验和理论支撑，直接影响数学模型模拟混合粉沙和细沙运移过程和底床演变的可靠性。本项目以粉沙和细沙混合物在水流作用下的侵蚀过程为主要研究对象，首先在环形水槽中进行泥沙起动实验，分析粉沙含量，泥沙的体积密度以及粒径分布等因素对混合沙起动临界切应力的影响，并确定各因素的作用机制，提出适用于粉沙和细沙混合物起动临界切应力的计算公式。在此研究的基础上，通过逐级增大环形水槽的水流速度进行底床侵蚀实验，分析混合沙的侵蚀率和水流对底床切应力的关系，构建侵蚀率的计算方法。最后，基于浅水方程，泥沙对流扩散方程以及底床演变方程，引入新建立的粉沙和细沙侵蚀率的计算方法，建立高精度的泥沙动力数值模型并使用在苏北海岸对其进行初步验证。

混合粉沙和细沙质海床广泛存在于中国的潮滩中，然而目前将粉沙归类为泥，并以此获得侵蚀和起动切应力计算方法在工程应用上依然存在误差。因此，本项目开展了两方面的研究：一是针对水流作用下粉沙和细沙混合物的起动和侵蚀问题，综合运用环形水槽实验和理论分析手段，分析水流作用下粉沙和细沙混合物起动临界切应力和侵蚀特性的变化规律，评价现有多个常用泥沙起动切应力公式的有效性，并由此总结了粉沙含量对临界起动切应力可能存在的作用机制。二是基于中心迎风格式和有限体积法开发了二维非恒定水流泥沙数学模型，该模型采用不平衡全沙（悬移质、推移质）输移方程来描述泥沙的输移过程，并引入边坡坍塌算法，使其能够适用于各种河道、海岸泥沙的计算分析。采用多个实验室算例验证模型的准确性和可靠性。随后，在上述水沙模型的对流-扩散方程源项中引入粉沙与细沙混合物起动切应力的计算方法，并将其应用于宁波市粉沙含量超过70%的甬江河道，验证了模型在实际工程中的有效性。