河口海岸凸体冲刷坑最大深度及形态

河口海岸凸体冲刷坑最大深度及形态 第25卷第2期 2OO7年5月 海洋工程 THE0CEANENGD咂ERING V01.25NO.2 May2OO7 文章编号i1005.9S65(2007)02-0078-06 河口海岸凸体冲刷坑最大深度及形态 韩曾萃,陈森美,伍冬领 (浙江省水利河口研究院,浙江杭州310020) 摘要:河El海岸山体凸体的冲刷坑最大深度及其形态,可以近似看作是在潮流作用下非溢流丁坝的坝头冲刷坑.已有丁坝坝 头冲刷坑最大深度的计算MATCH_ word word文档格式规范word作业纸小票打印word模板word简历模板免费word简历 _1714306221209_0未考虑往复潮流及含沙水流的作用,首次提出考虑悬沙含沙量的影响,同时对其冲刷坑形态提出 了计算方法,经过对6个浙江省河口,海岸和海湾内凸体形成的冲刷坑最大深度及形态的验证,结果计算与实测值十分吻合.应 用本文公式定量地解释了丁坝长度减少,含沙量年内变化和其他各因素变化对冲刷坑最大深度,形态等变化的定量影响. 关键词:海岸凸体;最大深度;形态 中图分类号:TV148文献标识码iA Themaximumdepthandmorphologyfortheconvexinestuariesandalongcoasts HANZeng-cui,CHENSen?mei,WUDong-lin (ZhejiangInstituteofHydraulicsandEstuary,Halloa310020,China) Abf曲rad:Them田l啪 depthandmorphologyofaconvex(arockprojectingoverthewater)inanyInlaI)roralongangcoastcanbeapproxi- matelyconsideredasthescourpitofthegroininthe$tre~Ym.ButtheexistingformulasforitscalculationhavenotconsideredtheeffectsofI?- versingtidectLrrentandthesedimentconcentration.Thispaperfirstlyconsidersbotheffectsandgivesamethodtocalculatethemorphology.By takingsixconvex~alongtheesandcoastinZhejiangprovincea鲫 example,themaximumdepthandmorphologyhavebeencalibrated. Theresultsa弛 quiteagreeablewithfieldmeasurementbyIlsingfo~(4),(6),(8)inthispaper.TheformulasdevelopedinthispaperCan explainandpredictthevariationofthem田I啪 depthandmorphologyduetothechangeofgroinlengl}l,sedimentconcentration,andother factors. Keywords:convexfor~tUatyandcoast;lllax~ultndepth;mo2phology 用海水作为滨海核电及火电厂的循环冷却水,需要一个水深大,水深稳定的取水环境,因此往往利用凸 出于海岸线的山体形成的冲刷坑(深潭)作为其取水口,如嘉兴电厂用益山,秦山核电二期用杨柳山矶头,三 门核电用猫头山,玉环电厂用鸡旦山(见下图1,3),其取水口的布置都体现了该原则.在进行各个电厂取 水口头部稳定性 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 时,各自用多年间水下地形图进行河床演变分析,再辅以数学模型及比尺模型进行相关 试验,预测大范围人类活动(滩涂围垦,建库,堵坝)及附近水工建筑物修建后(如取,排水口,栈桥码头)对其 冲刷坑的冲淤影响.这种研究方法是必要的,正确的,但是个别的,零星的研究耗时又费钱,缺乏对潮流,泥 沙运动对深潭影响普遍规律的研究,本文正是寻求弥补此不足的一种尝试. 河口,海岸凸体所形成的冲刷坑是由于凸体阻挡了近岸的部分水流,在头部形成壅水,绕流,上升流(旋 转流)冲刷床底形成的,它与河流中非溢流丁坝坝头的冲刷从力学机理上是一样的. 完全可以在河流丁坝的研究成果基础上,考虑其差异,进行补充研究,可得到事半功倍的效果.对河流 丁坝冲刷坑的研究,近50年来中外学者进行了大量的室内,野外调查研究J,但它们与本文讨论的问题在 以下诸方面存在差异,不能简单直接引用. 收稿日期i2006~.20 作者简介:韩曾萃(1936一),男,湖北武汉人,教授级高级工程师,主要从事河口整治开发,河口泥沙运动,盐水入侵及水环境模型的研究. 第2期韩曾萃,等:河口海岸凸体冲刷坑最大深度及形态79 1)河流丁坝的动力条件为单向的洪水冲刷,海岸凸岸为双向涨,落潮流作用,二者在流速大小,方向及作 用的时间上均差异甚大; 2)已有公式多为试验室做的清水冲刷,未考虑浑水(涨,落潮流均有一定含沙量)冲刷,许多公式只考虑 床沙的粒径变化而未考虑浑水含沙量大小的差异; 3)已有试验室丁坝公式与海岸凸岸其水动力强弱(以福氏数大小),冲刷坑大小(最大冲刷坑深度和面 积)的变化幅度均偏小,不能复盖天然的变化幅度. 图1玉环电厂取水口 Fig.1IntakeofYuhuanThermalPowerStation 目 , 驰 框 图2三门核电厂取水口头 图3秦山二期杨柳山jiIL头冲刷坑验算 Fig.3C~qlihrationfortheheadofeollvexinQ~hanSecondstageNuclearPow erStation 由于以上的差异已有的公式不能直接引用,但它也提供了许多有意义,值得参考的成果,为此本文用浙 江省河口,海湾的山体凸岸形成的稳定的冲刷坑最大深度和形态进行参数补充,并对影响冲刷坑形态的参数 进行率定,验证,特别是人类活动前,后变化的实例进行验证,以便预测今后人类活动可能对水深的影响程 度,提供具有实用价值的依据. 1已有河流丁坝冲刷坑公式的评述 比较有代 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 性的河流丁坝冲刷坑的计算公式有以下几类: 1)刘心宽公式【1J =().o(1) ?U 式中符号意义见图4所示,并用无因次量表示.h0为冲刷坑外半潮平均行进水深,l/h0为丁坝(凸体)长度 与行进水深之比;Fr=v/J.为丁坝水流福氏数;V为冲刷坑外行进流速;k为丁坝形态系数,取1.11.3, 文献[1]同时指出,当l/ho>25时,可取l/ho=const,则上式为:h:4,3h0. 80海洋工’程第25卷 2)重庆交通道路学院黄志才公式[] 黄志才用刘心宽,Raj锄tn锄,Dongel,Sion-Yong Lim,蒋焕章等的试验资料,其参数变幅为d50=0.56, 1.4mm,Fr=0.15,0.31,l/ho=0.33,3.75,h/ho= 0.24,2.94,冲刷时间7,6小时,得到关系式为 /,,0.45 h=14.96(?)()(2) 式中:,,为水流夹角,丁坝边坡,粒径不均匀 性的修正系数. 3)漫水丁坝冲刷坑公式l0j (.J 图4丁坝(凸体)示意 Fig.4Sketchofscoutingpitatgroinhead(convex) 3.04fh.(3a) 式中:为起动流速,为丁坝外行进流速,本公式的差异是漫水丁坝.该文优点是首次给出了冲刷坑的 形态的简易公式 h:e-0.34rh(3b) 文献[6]更系统总结了各类丁坝的计算方法,但多数公式都主要是应用到河流中,其河床底质粒径,, l/ho,/ho等各项参数的变化幅度相对偏小,各家公式的共同缺点是未 考虑悬沙含沙量这一重要参数.根 据多数河流,河口达到平衡状态的河相关系中水深与含沙量.s的幂次是负值,为0.28,0.32左右[](即含沙 量愈大,最大冲刷深度愈浅),为此本文推荐的公式为: ,,,0.4 = 1.1【)..(S/So)-0.3h0(4) 式中:S/S0为含沙量的无因次量,取So=1kg/m3.在河口,海岸非恒定往复水流作用下,冲刷坑外的行进流 速取平均潮的涨,落潮平均流速偏大者,h.为冲刷坑外半潮水位下的水深,.s取涨,落平均流速对应的平 均含沙量.为此用式(1),(2),(4)对以下已长期处于平衡状态的丁坝和凸岸冲刷坑的最大冲刷深度进行了 验算,结果见表1. 表1几处冲刷坑最大深度验算 Tab.1Calibration0ftlm锄血舢ndepthinstmrangpit 由表知本文推荐的公式(4)误差最小,且相对最大误差为13.9%,平均相对误差为4.3%,而其他公式的 误差都比较大.关键是(4)式考虑了含沙量的变化(S=0.3,5kg/m3),其他因素不变,仅此一项最大水深可 差2.3倍.该式l/ho的范围为20,75,为0.05,0.2,hs/ho为1.5,2.5,d50=0.004,0.04mill.显然,作 第2期韩曾萃,等:河口海岸凸体冲刷坑最大深度及形态81 为天然河口海岸突体l/ho,Fr的取值范围比一般丁坝大得多.河床质为粘土和粉砂,未包括砂质海岸. 2冲刷坑形态的研究 冲刷坑的形态文献[3]给出的经验公式与秦山核电二期冲刷坑验证相差甚远(见图3),文献[4]从丁坝 尺寸,冲刷坑上下游水流强度和边坡的坡角.,2几何形态出发,得到冲刷坑总容积变化的关系式,经用长 江ISl航道整治的丁坝最大深度的水槽试验成果验证,误差在15%以内,但形态未验证.文献[5]是将丁坝对 水流阻水面积化引为对头部冲刷深度的面积相似的原则,建立了相应最大冲刷坑与水流参数,坡角的关系. 本文用图4所示的参数关系可假设冲刷坑中水深的增量dhx,是随深潭水深h,与深潭距离的增量dr的乘 积成正比关系,且呈减少的关系.即 dh, =一kh, dr(5) 积分后为lnh.=一kr+C 边界条件当r=0时,(即深潭中心处)h…=h,得到积分常数C=lnh,代人上式为: h=e-%(6) 这样,可以用已有海岸凸体的冲刷坑形态来率定值,多数情况下,=0.035—0.048变幅并不大,其中 r代表冲刷坑圆形或椭圆特征距离,其计算采用下式: r: - +p(y-一 yol(7) 式中:a=1.0—1.5,』9=1.0—0.5,o,Yo是冲刷坑最深点的座标.用秦山核电二期的冲刷坑数据率定,当居 :0.035时,计算结果与实测值符合较好,见表2. 表2秦山核电二期冲刷坑验证(=15.Om,==1西=50m,西:为凸体的宽度) Tab.2GIlilbra墒m0ftheI蛇al10fCOG~1P.XinQiSecondStageNucle~Pj 【,werStation 由表知各点高程误差很小,在10%以内,再用--”I’-1核电厂的冲刷坑形态进行验算,当=0.048时符合 程度较好,如表3. 表3三门核电冲刷坑形态验证(=33mwX0----=1西=l25m,七=O.o48) 1’ab.3cjbra岵伽0fthehead0f懿inSamnmNudearl~fWel”StOlon 82海洋工程第25卷 3自然及人类活动对冲刷坑最大深度影响验证的实例 3.1各因子对冲刷坑的定量影响分析 为了定量分析各种自然及人类活动因素对最大冲刷深度及其形态的定量影响,将式(4)按各独立变量展 开为h:0.75(z)00船s0再对它各个自变量进行全微分,求得: d-- ~-h$:0.4掣+0.33d_pv+0.43一0.3(8),,n05 式中各变化因素中以含沙量变化最大可达2—3倍,其次是流速和行进水深的变化,一般为20%一50%, 有了式(8)就为单因素及多因素组合变化对平衡状态的冲刷坑最大深度及任意点的冲淤变化提供了方便的 定量预测分析手段.以下用实例说明之. 3.2丁坝长度变化的验证 浙江镇海港外游山是甬江口外的一个孤岛,1975,1976年为治理甬江镇海港,用3.6km导堤将外游山与 镇海的招宝山相联,外游山形成了一个长为300m的丁坝,使其头部形成总水深34m(包含行近水深10m,见 图5)的冲刷坑.2002年镇海港务局在外游山左侧围垦滩地230m,使丁坝长度由300m减为70m,造成该冲 刷坑的大幅度的淤积.此例可以用来复核本公式的预测能力. 外游山冲刷坑前沿在1996年进行过4个测点的同步监测,这些测点的平均涨潮流速为0.72m/s,平均 落潮流速为1.48m/s,涨潮含沙量为1.22kg/m3,落潮为0.78kg/m3,采用落潮的流速和含沙量作为冲刷坑的 计算依据. 2002年前,h:1.1×(1/h0).?().?(Se/S0)-0.3h0=24.7m,实测24.0m相当接近.2002年后,只因 丁坝相对长度(1/h.).改变,计算求得h=13.8m,实测为14.0m也接近.前后冲刷坑变化10m,用式(8) 计算为8m,误差20%.基本上可以解释这一现象.图5已给出了丁坝缩短前后的形态,计算值与实测也是 吻合的,此处从略. 983年等深线 原海塘距离/m A.A嗣面 . 10 . 15目 . 20恒 . 25 霹 . 30 图5外游山深潭变化 Fig.5Headofseou~ingpitinWaiyoushan 3.3含沙量变化对最大冲刷坑深度影响的验证 本文所指的冲刷坑最大深度及形态是长期处于相对平衡的数值,因冲刷坑范围小冲淤平衡时间很快,故 并不排除年际,年内短期间最大深度,形态的变化,如有较多水下地形观测资料的秦山核电站二期杨柳山深 潭和一期秦山大深潭,其取水口头部的实测水深(或高程)的年际或年内变化达6一llm之大(见表5),用大, 小潮时的流速,水深,计算值及观测值都只有l一2m差异.只有用包含了含沙量的式(4)或式(8),当含沙量 有2—3倍的变化才可得到解释.在正常潮流情况下,秦山一,二期的含沙量为32.4kg/m3,但它处在河口 段,每年4—7月汛期,澉浦以上有0.5—2.5亿m3的泥沙会冲到澉浦以下河床淤积,现以洪量较大的1995年 4,7,l1月实测三次地形资料为例,由于该时期无法逐日观测含沙量,但可用实测汛期冲刷的总沙体和相应 水体得到平均含沙量l2—15kg/m3,再用不平衡含沙量的公式推算到50l【rn下游秦山附近为79kg/m3,用 式(4)和式(8)计算含沙量变化造成h(深潭最深点)的变化如表4,二个 深潭三次测量计算值与实测值均基 第2期韩曾萃,等:河口海岸凸体冲刷坑最大深度及形态83 本吻合.1983年亦可有类似资料可验证. 表4秦山一,二期深潭高程因含沙量变化验证 Tab.4CalibrationfortheOnshanNuclearPowerStation 4结语 1)河口,海岸,海湾的山体凸体形成的冲刷坑常作为火(核)电站的取水口及码头,它可以近似用非溢流 丁坝冲刷坑看待,因其形成的力学机理是相似的. 2)已有河流上丁坝冲刷坑的最大深度虽然计算公式数十上百种,但因未考虑悬沙含沙量的影响,计算精 度不高.如考虑此因素,其结果可以得到明显改善. 3)冲刷坑的形态可以用本文提出的公式(6)得到较好的模拟. 4)人类活动及自然因素的变化亦可用式(8)得到定量的预测,多个实例得到证实. 参考文献: [1]LiuHK,FMC_~ns,MMskianer.EffectofbadgeconstructiononScourand backwater[R].Coloradostateuniv.CivilEnsi,~c,4ns sc~tion.Ft.CollinsCER60HKL.22,1961. 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