波浪作用下粉土海床液化和冲刷的耦合机制研究
河口、海岸与近海海床在波浪作用下可能会发生液化、冲刷等形式的失稳，造成航道淤积、管线弯折和平台失稳，影响航运和海洋工程的安全。已有研究或从泥沙动力学角度探讨海床表面泥沙起动和冲刷，或从海洋土力学的角度研究海床整体液化，鲜有涉及波浪作用下海床液化和床面冲刷的耦合机制及计算评价方法。本文即基于海洋土力学与泥沙动力学相结合的思路，以孔隙水及细颗粒垂向渗流作为联系海床液化和冲刷的主线，提出基于化学示踪的海床细颗粒渗流测定方法，总结了波浪作用下粉土海床液化和冲刷耦合的物理机制，进一步构建了相应的定量计算评价模型，并以黄河水下三角洲为例进行了初步应用。学位论文的主要工作和结论如下： （1）针对海床内部渗流发展过程难于描述、细颗粒渗流难于定量测定的问题，提出一种基于化学示踪的海床细颗粒渗流量方法，该方法以白色氢氧化镁粉末作为示踪剂，氢氧化镁粉末具有物理化学性质稳定、有效指示细颗粒渗流过程、便于定量测定等特点。验证试验表明该方法清晰显示了细颗粒在动荷载引起的粉土海床内部超孔隙水压力和向上的渗流压力梯度作用下向上运移、形成规模和形状各异的渗流通道、部分到达海床表面的渗流发展过程，实现了细颗粒从海床内部至床面逐层渗流量的定量表征，对于进一步理清波浪作用下粉土海床液化冲刷耦合机理及开发定量评价方法具有重要支撑作用。 （2）提出波浪作用下海床液化和冲刷耦合机制，即波浪引起的海床内部超孔隙水压力及其向上的渗流力降低床面泥沙临界起动切应力、显著促进泥沙起动，海床内部细颗粒随孔隙水向上渗流并进入水体之中，床面冲刷不断向下发展、水体再悬浮量显著增加，随着床面向下侵蚀、海床内部孔隙水压力消散、向上的渗流压力梯度减小、床面切应力降低，床面耦合冲刷达到动态平衡。在该物理基础上，以时间为主线，构建波浪作用下海床内部与床面耦合响应的数学模型，输入海床土和波浪参数，计算孔隙水压力、渗流力、临界起动切应力、床面切应力等的动态变化，输出海床临界冲刷深度和细颗粒渗流量，以水槽试验算例初步验证了模型的有效性。 （3）以黄河水下三角洲为背景区域，利用海床液化和冲刷耦合模型开展风暴事件中孤东海堤堤前海床冲刷与细颗粒流失分析评价，计算得到50年一遇风暴事件中海床冲刷深度为1.7m，与实测海床冲刷深度1.3m较为接近，取得了比传统冲刷、液化计算方法更好的效果，计算得到的细颗粒流失量则很好地解释了该海域表层沉积物自1985年至2015年由淤泥转化为粉砂的现象。在此基础上，进一步讨论了风暴重现期、中值粒径、渗流力等对海床耦合冲刷深度的影响，为实际应用提供参考与支持。
粉土海床液化;泥沙起动;耦合机制;波浪作用
天津大学
硕士
海洋科学
王虎
2022
中文
TV139.2
2023-08-29（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）