波浪水流联合作用下粉土海床液化和泥沙运动耦合动力过程

The proposed research aims at understanding the dynamic processes involved in the liquefaction and transport of silty sediments under the combined action of waves and currents and building advanced engineering tools for designing coastal structures on liquefiable seabed. Using the combined experimental, theoretical and numerical approach, the research will investigate the coupling relationship between liquefaction and near-bed sediment movement and develop a two-phase flow modelling framework that combines the sediment dynamics and conventional soil mechanics methods. Through systematic parametric analysis and verification against the measurements the developed model will be used to generate design tables/charts that may be directly applied to engineering design so as to ensure the quality as well as the practical value of the research.

本项目针对近海工程设施稳定的设计要求，以认识浪流作用下粉土海床液化机理和伴随的泥沙运动为目标，通过物理模型试验、理论分析和数值模型相结合的方法，研究波流联合作用下粉土海床的液化过程及其与近底泥沙运动的耦合关系，并在此基础上建立一个泥沙动力分析方法和传统土力学方法相结合的多相流模型。着重克服常用的弹性土体液化分析方法的局限性，为精细描述水土边界的复杂物理过程开辟一个新的有效途径。此外，在理论分析和试验验证的基础上，通过系统地数值计算，生成一套便于工程应用的粉土海床液化分析图表，从而保证本项目的研究成果既有较高的理论水平又有明显的工程实际应用价值。

鉴于海洋环境的复杂性，为了保证各种海上结构物的安全。而对于这些海上结构物来说，最重要的风险之一就是来自波浪引起的土体液化和泥沙运动所造成的海床冲刷和地基失稳。本项目针对近海工程设施的稳定的设计要求，以认识波浪作用下的粉土海床液化机理和伴随的泥沙运动为目标，通过物理模型试验、理论分析和数值模型相结合的方法，研究波浪作用下粉土海床的液化过程及其与近底泥沙运动的耦合关系。试验研究表明：由于低频波的存在，随机波浪作用下的海床响应的强度及液化潜力远高于规则波浪。且随机波浪中的长波分量所产生的孔隙水压力响应的能力是短波分量所产生的8倍（本试验结果）。随机波浪所具有的更大的液化潜力，再加上二者完全不同的水动力特征，使得底层悬浮泥沙浓度的变化特征出现明显差异。另外，床土从液化到最后压实的过程中，床土内部结构与强度也在变化着，床土物理性质和组成颗粒的运动也在影响着底层水沙的组成结构以及运动过程，进而也影响到了底层悬沙的浓度。通过改变波浪参数，对比不同波浪下的波浪液化过程，发现，除了水土界面的动水压力外，水-土体间的流量交换同样对超孔隙水压力的发展有非常重要的影响，而水土界面的流量交换与床土的液化同样影响着床土的冲刷。. 本项目还通过现场观测的手段研究台风对东海陆架流场和沉积物再悬浮的影响，发现台风可造成陆架110m水深处海底泥沙运动和海床变化，近惯性内波和低频波可能起关键作用。在室内实验和野外观测的基础上，本项目提出了波浪作用下层状海床累积孔压响应的计算方法，相比均匀海床而言更符合现场实际情况。建立了渤黄海沉积动力及悬浮沉积物运移数值模型，论述了底床泥沙的运移问题。总之，本项目用多种手段、从多个角度对波浪作用下的海床液化和侵蚀机制进行了讨论，在波浪与粉砂土体相互作用研究成果既有较高的理论水平又有明显的工程实际应用价值。