新浏河沙护滩南沙头通道潜堤工程交通科技管理中心.docVIP

西部交通建设科技项目（200632800075） 全沙物模试验可能性研究 上海河口海岸科学研究中心 交通部长江口航道管理局 2009年月 泥沙的侵蚀、输移和沉积，给水利、港航工程建设带来许多复杂问题。泥沙物理模型是目前研究工程泥沙问题的主要工具之一，在生产实践中发挥了重要的作用。根据不同的研究对象，泥沙物理模型可以分为底沙模型（模拟底沙运动为主）、悬沙模型（模拟悬沙运动为主）和全沙模型（同时模拟底沙和悬沙）。 随着我国河口海岸开发的逐渐深入，在河口整治、港口航道、圈围造地、桥隧建设等工程中显现出越来越复杂的泥沙问题。与内河相比，河口海岸地区水流动力条件和泥沙运动更具特殊性和复杂性。从泥沙运动形式方面来看，悬沙和底沙在水流动力变化的情况下，两者可以相互转化，而潮汐水流是典型的非恒定流，在河口，非恒定性更为明显。在河口地区难有纯粹的单一形式运动的泥沙问题，更多遇到全沙模型问题，更加需要发展全沙模型试验技术来满足工程的需要。再从冲淤环境看，工程后泥沙的冲淤趋势往往决定了选择模型的类型，一般解决淤积问题用悬沙模型，解决冲刷问题用底沙模型，但在很多河口海岸工程中，工程实施后，不同区域水流动力变化的趋势不尽相同，甚至出现相反的变化，有的区域水流动力降低，另有部分区域水流动力增强，也就是说，在同一个模型上既有冲刷环境，又有淤积环境，而且互为边界条件、互相影响，仅仅模拟冲刷或淤积不仅不能全面地了解工程效果，而且当相应边界环境的变化未能同步反映时甚至会造成冲刷或淤积模拟出现较大偏差。综上，解决河口海岸工程泥沙问题，为深水航道等涉水工程提供更为科学可靠的技术保障，开展全沙模型试验研究非常必要且十分迫切。 目前全沙模型试验在理论上和技术上还不太成熟，在泥沙运动基本规律、相似律选择、模型设计、试验技术等方面存在诸多的问题。尤其在潮流作用下的河口海岸工程泥沙问题中，全沙模型更是处于探索阶段，成功范例较少。开展长江口全沙模型试验关键技术的研究，促进长江口全沙模型试验的发展，可为长江口深水航道为代表的涉水工程提供可靠科学的技术保障，而且还有助于进一步完善和丰富河口海岸泥沙模型试验技术，为河口海岸泥沙问题的解决提供有效的工具，具有巨大的理论意义和工程价值。 由于河工模型试验可以在一定的空间与时间范围内，重演天然河流的某些演变过程或预报修建工程以后的发展趋势，因此自1875年法国学者Fargue为改进Bordeaux商港航务而进行了第一个河工模型试验以来，这种解决工程问题的手段在全世界范围内得到普遍的应用，泥沙模型试验已逐渐成为研究和解决河流和海岸工程泥沙问题的重要手段，模型试验的理论与技术也得到了很大的发展，取得了瞩目的成就，大大推进了河流动力学与河床演变学等学科的发展。总体看来，近百年来，河工模型在理论上和实践上都取得了长足的进步，为工程泥沙问题的解决作出了巨大的贡献。从河口全沙模型技术研究来看，近年来河工模型在模拟理论、试验技术方面有了长足的进步，为河口全沙模型的建立打下了坚实的基础。开展长江口全沙模型试验，对两个关键问题加以研究 （1）长江口泥沙运动参数的合理表达。 泥沙模型的相似律是根据泥沙运动特性的力学方程推导得到，包括起动、沉降、絮凝、输沙率等，因此确定能够正确表达长江口泥沙特性的计算式非常关键。长江口泥沙为粘性细颗粒，且运动环境复杂（潮流、盐水），其起动、絮凝沉降、密实等过程相当复杂，有关运动参数表达尚不够成熟。 （2）时间变态问题。 为了满足细颗粒泥沙的起动与悬移相似条件，常不得不采用轻质沙作为模型沙，从而将出现水流运动和河床变形的时间比尺不相一致的时间变态问题。一般说来，水流运动的时间比尺将因选用轻质沙而远小于河床变形的时间比尺，模型沙密度越小，差异越大。一般的处理方法为，单个潮汐过程由水流运动时间比尺控制，以保证水流运动相似，试验时段的潮汐个数则遵循河床变形条件，由河床变形时间比尺确定。对于全沙模型，不仅水流运动和河床变形的时间比尺不一致，而且，悬沙和底沙的河床变形时间比尺也不一致。全沙模型中，悬移质运动和推移质运动同时存在，要对悬沙和底沙的运动规律同时进行模拟，要求它们各自引起的河床冲淤变化的时间比尺必须相等，否则就做不到两者的同时相似。但由于悬移质的运动取决于水流紊动扩散作用与重力作用的对比，而推移质的运动决定于水流绕流产生的推移力和上举力的综合作用与重力作用的对比，因此泥沙的悬移运动和推移运动具有不同的力学机理，影响两个冲淤时间比尺的因素并不完全相同，悬沙模型与底沙模型的河床变形时间比尺并不一致，于是在把悬沙模型和底沙模型统一为全沙模型时就出现了时间变态问题。 对研究区域泥沙运动规律的正确认识和准确把握是进行泥沙模型设计的基础。近20年来，随着国民经济和科学技术的发展，河口海岸地区资源开发逐步成为热点，有关长江口泥