潮流及單向流作用下海底沙波形成和運(yùn)移試驗(yàn)

王 琮孫永福劉振紋周其坤孫玉欣

(1.自然資源部 第一海洋研究所,山東 青島266061;2.中國石油集團(tuán) 工程技術(shù)研究有限公司,天津300451;3.天津大學(xué) 建筑工程學(xué)院,天津300350)

海底沙波是在陸架海域的一種較為規(guī)則的起伏地貌形態(tài),尤其在潮流水動力作用明顯的海域較為常見。海底沙波在潮流、波浪等各種因素的共同作用下形成并不斷演化,波長一般為幾十米甚至上百米,同時具有顯著的活動性。此種尺度海底沙波的運(yùn)移對海洋工程有重要影響:造成海底管道的懸空或掩埋,鉆井平臺基礎(chǔ)的裸露甚至傾斜、海底光纜的斷裂等重大危害[1]。因此,研究海底沙波的發(fā)育、演化和運(yùn)動規(guī)律,可對影響工程的海底沙波有更清楚的認(rèn)識,對提高海洋工程建設(shè)中災(zāi)害預(yù)測能力有重要意義。

以往對海底沙波的研究主要基于現(xiàn)場實(shí)地測量和數(shù)值模擬研究,通過比較歷次的測量結(jié)果,分析研究沙波活動方向和運(yùn)移速率[2-4]。但現(xiàn)場觀測研究的缺點(diǎn)是耗費(fèi)大量的人力物力,而且調(diào)查時間受氣象條件和海況的制約,且測量間隔通常較長,無法實(shí)現(xiàn)對沙波的實(shí)時監(jiān)測。目前數(shù)值模擬計算多是基于穩(wěn)定性分析模型,對潮流作用下沙波的特征尺度和基本活動規(guī)律進(jìn)行定性的分析,且限于理想形態(tài)的沙波[5-9]。此外近年來,三維數(shù)值模型可模擬海底沙波的發(fā)展過程[10-11]。模型試驗(yàn)是研究海底沙波的重要發(fā)展方向,通過模型試驗(yàn)可直觀地得到潮流作用下海底沙波形成的特征尺度與水動力條件的關(guān)系以及沙波活動的基本規(guī)律,同時對其流動機(jī)理進(jìn)行分析[12-13]。沙波物理模型試驗(yàn)是從研究河床沙波演變開始的。在河水流動作用下,規(guī)則的沙波地形形成,有研究通過沙床上的單向流模擬了沙波的形成過程[9]。對于不同的形成條件和控制因素,需要對沙波和沙紋分別進(jìn)行研究[14]。白玉川等[15]在理論分析的基礎(chǔ)上提出,沙波的形成和發(fā)展是由明渠層流不穩(wěn)定性或河床表面附近的波動引起的。當(dāng)靠近河床底部的擾動或由結(jié)構(gòu)引起的河床底部剪應(yīng)力大于希爾茲剪應(yīng)力時,河床即產(chǎn)生響應(yīng),開始形成沙波。有研究表明泥沙粒徑與水深之比越小,流速或弗勞德數(shù)值(Fr)越大,沙波的波長越長[16]。潮流作用下沙波的生長速率隨時間先增大后減小,且波高和波長隨余流增大而增大[17]。此外,還可以利用縮尺的水槽試驗(yàn)為沙波數(shù)值模型的建立提供驗(yàn)證,進(jìn)而用于海洋尺度沙波的模擬和預(yù)測。目前多是對波浪作用下的沙波或沙紋形成的研究,對于潮流的模擬計算相對較少。

本文采用模型試驗(yàn)的方法研究潮流作用下沙波的形成和運(yùn)移,試驗(yàn)水流分為單向流和往復(fù)流?；诹烤V分析理論和水槽模型試驗(yàn),對潮流作用下的海底沙波形成過程進(jìn)行研究,重點(diǎn)開展水流參數(shù)(水深、流速、往復(fù)周期等)對沙波特征尺度及生長速度的影響進(jìn)行分析,對真實(shí)環(huán)境下的海底沙波活動進(jìn)行模擬和預(yù)測,并進(jìn)一步研究小尺度沙紋隨水流參數(shù)變化的基本規(guī)律。

1 相似理論分析與試驗(yàn)布置

由于沙波的走向通常垂直于水流主方向,根據(jù)前人的經(jīng)驗(yàn),可將海底沙波的形成和運(yùn)移簡化成二維問題來研究。潮流作用下海底沙波運(yùn)動的主要影響因素包括水深(H)、水流流速(Uc)、往復(fù)流周期(Tc);描述海床特征的參量包括沙波特征波高(hs)、特征波長(ls)及沙紋特征波高(hw)、特征波長(lw);基于量綱分析,在潮流作用下海底沙波形成和運(yùn)移研究中主要無量綱控制參量為Shields數(shù)(θ)、Froude數(shù)(Fr)、沙波的波陡參數(shù)(η/λ)、波高與水深比值(η/H)、水質(zhì)點(diǎn)的軌跡與沙波波長的比值(a/λ)以及泥砂顆粒的雷諾數(shù)(Res=UwcD50/ν)等。

本項目試驗(yàn)系統(tǒng)可自主完成供水、供沙、測控等多項試驗(yàn)任務(wù)。水槽試驗(yàn)系統(tǒng)其結(jié)構(gòu)組成包括水槽主體及測量系統(tǒng)兩部分,其中水槽部分為主體結(jié)構(gòu)(圖1),測量系統(tǒng)用于水槽試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集和處理。試驗(yàn)水槽長52 m,寬1 m,深1.5 m。水槽右端為消能區(qū),左端配有可移動推板式造波機(jī),由計算機(jī)自動控制產(chǎn)生所要求模擬的波浪要素,該造波系統(tǒng)可根據(jù)需要產(chǎn)生規(guī)則波或不同譜型的不規(guī)則波。采用直流電動機(jī)造流,可以根據(jù)需要產(chǎn)生單向流和往復(fù)流,水槽造流系統(tǒng)可生成流速最大0.6 m/s,周期最大1.0 h的往復(fù)流。試驗(yàn)中在水槽底部設(shè)置一個兩端帶有緩坡的沙坑,沙坑長30 m,深0.2 m,兩端的緩坡坡比為1∶10,將沙坑的頂面與水槽底面緩慢過渡連接。在沙坑內(nèi)部鋪設(shè)有中值粒徑為d50=0.26 mm 的沙樣模擬海床變化。

圖1 沙波試驗(yàn)水槽布置Fig.1 Sketch of experimental setup for sand waves in flume

本試驗(yàn)采用挪威Nortek AS公司生產(chǎn)的“小威龍”剖面流速儀(Vectrino Profiler)進(jìn)行模型流速測量,測量點(diǎn)距底面5 cm,位于沙坑中部位置,采樣頻率為100 Hz。海床地形采用超聲地形測量儀結(jié)合水槽側(cè)壁圖像分析得到。為使床面地形得到充分發(fā)展,每組試驗(yàn)持續(xù)時間約為10 h。在試驗(yàn)過程中,每隔一段時間對海床地形進(jìn)行掃描,記錄沙波發(fā)展過程。

本次試驗(yàn)共設(shè)置14組工況,水深為0.10和0.15 m 兩種。單向流工況4組,流速分別為0.5和0.6 m/s。往復(fù)流工況包括10組,流速分別為0.4,0.5和0.6 m/s,往復(fù)周期范圍為250～900 s。各工況具體參數(shù)設(shè)置見表1。

表1 潮流作用下水槽模型試驗(yàn)參數(shù)及結(jié)果Table 1 Testing conditions and results for the flume experiments under currents

2 結(jié)果與討論

2.1 潮流與單向流作用下沙波形成過程與形態(tài)特征

由于以往研究中對于沙波的模擬都是基于單向流情況進(jìn)行的,本研究首先對潮流與單向流作用下的海底沙波形成過程進(jìn)行模擬計算以分析2種流動條件下床面形態(tài)的區(qū)別。圖2為水深15 cm、流速為0.6 m/s時,t=30,60,100,200,300和500 min的海床變化過程。為減小沙坑兩側(cè)端部效應(yīng)的影響,研究選取中段16 m 長的區(qū)域作為研究對象進(jìn)行分析。水流作用在平坦的海床上,經(jīng)過一段時間水的持續(xù)流動,床面泥沙起動的數(shù)量逐漸增加,床面部分區(qū)段地形開始出現(xiàn)小尺度的波浪形態(tài)的變化,即沙紋地貌。本實(shí)驗(yàn)中沙紋地貌最初是由海床地形的兩端開始出現(xiàn),而在海床中間部位還是處于比較平整的狀態(tài)(圖2a)。隨著水流進(jìn)一步作用,沙紋逐漸增多和生長,從最開始出現(xiàn)的部位向其他位置傳播,此時整個床面都出現(xiàn)了較小尺度的沙紋地貌(圖2b)。隨后小尺度地形發(fā)展,各個區(qū)段連接起來,變成大尺度沙波地貌(圖2c)。隨著時間的推移,沙波波高和波長逐漸增大,在300 min左右趨于穩(wěn)定(圖2e)。在最后的海床地貌上,存在著不同尺寸的沙波地形共同存在的狀態(tài),即在較大尺度的沙波起伏的床面上分布著較小尺度的沙紋地貌,床面達(dá)到一種動態(tài)平衡的狀態(tài)。

圖3中為往復(fù)流條件下海床由平整狀態(tài)開始逐漸發(fā)展的過程,其中流速最大值為0.6 m/s,往復(fù)周期為t=300 s。與單向流作用情況相似,床面最初出現(xiàn)一些較小尺度的沙紋。如圖3a所示,在海床的中間和右端最先出現(xiàn)一些波浪狀的地形,隨后逐漸向周圍擴(kuò)展,并且起伏高度逐漸增大。隨后較小的地形連接融合形成較大尺度的波浪狀地形,并最后趨于動態(tài)穩(wěn)定。對比觀察圖2和圖3可知,在單向流作用下,海床的地形呈現(xiàn)迎流面坡度較緩,而背流面較陡的非對稱形態(tài),這主要由于在水流作用下,沙波迎水面泥沙或滾動或跳躍向下游移動,經(jīng)過沙波波峰后,背水面水流作用減小,泥沙顆粒發(fā)生沉積,造成沙波迎水面緩而長,背水面陡而短的形態(tài)特征。而在往復(fù)流作用下形成的海床地形基本接近于對稱狀態(tài),主要是由于水流的往復(fù)作用,泥沙顆粒的輸運(yùn)呈周期性往復(fù),在地形隆起的兩側(cè)的輸運(yùn)和堆積基本接近,從而形成比較對稱的地形狀態(tài)。相比較而言,往復(fù)流作用下的海床沙波地形的特征尺度要比相同流速小的單向流的特征尺度相對較小。

圖2 單向流作用下沙波形成過程Fig.2 Development of sand waves under steady flows

圖3 往復(fù)流下海底沙波形成過程Fig.3 Development of sand waves under periodic flows

為了更清楚地認(rèn)識大尺度沙波形態(tài)以及對海床地貌進(jìn)行分析,現(xiàn)選取水槽沙床距左端4～16 m 的12 m長度沙波地形數(shù)據(jù),將實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得到大尺度沙波地形的特征數(shù)據(jù),同時將小尺度的沙紋進(jìn)行分離。圖4所示為兩個不同流速的往復(fù)流工況數(shù)據(jù)擬合后的海床沙波地形曲線,從中可以直觀地看出海床大尺度沙波地貌形態(tài)隨時間的變化。進(jìn)一步利用原始地形數(shù)據(jù)和擬合的沙波地形數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,可以得到小尺度的沙紋地貌的數(shù)據(jù),以便于對其進(jìn)行統(tǒng)計分析。通過對上述地形尺度的計算,即可得到不同尺度地形的特征參數(shù),包括沙波、沙紋的波高和波長等。

此外,試驗(yàn)中還在單向流作用后得到的海床地形基礎(chǔ)上,繼續(xù)施加相同最大流速的往復(fù)流,觀察海床地形的變化。結(jié)果表明:原本單向流作用下處于動態(tài)平衡的沙波地形的波高和波長相較于單向流作用下的地形都有所減小,并最終趨于平床往復(fù)流作用下形成的海床地形尺度。

圖4 往復(fù)流作用下海床地形數(shù)據(jù)擬合結(jié)果Fig.4 Fitting results of the seabed relief for periodic flows

2.2 流場參數(shù)對沙波特征尺度影響分析

對不同流速往復(fù)流作用下沙波發(fā)展過程進(jìn)行分析。圖5所示為0.4和0.5 m/s流速下沙波特征波高隨時間的發(fā)展過程。在水流作用開始階段,沙波波高的發(fā)展速度較快,隨著作用時間的持續(xù),沙波發(fā)展速度逐漸減緩并于約300 min后趨于穩(wěn)定。此時大沙波在水流的作用下會逐漸分成幾個小沙波,然后小沙波再發(fā)展融合形成大沙波,如此循環(huán)下去,呈現(xiàn)出動態(tài)平衡的狀態(tài)。沙波的波長的變化過程與波高的變化過程基本相同。

圖5 沙波特征尺度隨時間的變化過程Fig.5 Variations of characteristic sizes of sand waves over time

進(jìn)一步對沙波的特征尺度,包括特征波高(hs)和特征波長(ls)隨控制因素的變化進(jìn)行分析。對經(jīng)過擬合處理后的沙波地形進(jìn)行統(tǒng)計分析得到其平均波長和波高,將它們作為特征波長和特征波高進(jìn)行分析研究。圖6a所示為海床沙波地形特征波長隨流速的變化。研究中考慮了往復(fù)流以及單向流的作用,結(jié)果表明:對于單向流和往復(fù)流,均隨著流速的增加海床沙波特征波長逐漸增大。這是由于較大的流速下更多的泥沙起動,床面泥沙輸運(yùn)率增大,泥沙顆粒輸運(yùn)距離較長所致。相同流速大小下,單向流形成的沙波地形要大于往復(fù)流作用的結(jié)果。此外,水深對海床沙波地形的特征尺度也有影響。相同流速條件下,沙波特征波長隨著水深的減小而減小。這是由于較小的水深,流場形成的垂向環(huán)流結(jié)果的尺寸也較小,而垂向環(huán)流結(jié)果是形成海底沙波的主要水動力原因。圖6b中海底沙波特征波高隨流速的變化趨勢與特征波長相同,及隨著流速的增加特征波高增加,隨著水深的減小其特征波高也隨之減小。

圖6 沙波特征尺度隨流速的變化Fig.6 Variations of characteristic sizes of sand waves with current velocities

圖7所示為海底沙波特征尺度隨往復(fù)周期的變化規(guī)律。圖中對不同水深以及流速下的特征波高和特征波長進(jìn)行分析。研究中將單向流的往復(fù)周期設(shè)為無窮大,一同進(jìn)行比較。研究結(jié)果表明:隨著往復(fù)周期的增大,海底沙波的特征波長和波高均隨之增大。在周期較小的情況下,沙波特征波長和波高隨往復(fù)周期的變化較為明顯,當(dāng)往復(fù)周期相對較大時,沙波特征波長和波高的變化趨于緩和,并最終接近于單向流的結(jié)果。這是由于隨著往復(fù)周期的增大,對應(yīng)的垂向環(huán)流結(jié)果尺寸也增大,從而使泥沙在床面水平方向往復(fù)運(yùn)動的軌跡也逐漸增大。

圖7 沙波特征尺度隨周期的變化Fig.7 Variations of characteristic sizes of sand waves with current periods

2.3 小尺度沙紋的特征參數(shù)分析

通過對沙波曲線進(jìn)行擬合,可以近似得到大尺度沙波的形態(tài)曲線,通過在原始海床地形數(shù)據(jù)減去大尺度的沙波地形數(shù)據(jù)之后,可得到如圖8所示(試驗(yàn)工況11)的小尺度的沙紋地貌曲線,表明實(shí)際上海底沙波地貌是由大尺度的沙波和小尺度的沙紋共同組成的一種混合地貌形態(tài)。

圖8 海床沙紋地貌形態(tài)(t=300 min)Fig.8 Sand ripples on the seabed(t=300 min)

本研究對得到的沙紋地貌數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析,進(jìn)一步得到沙紋的特征波長和特征波高。經(jīng)分析,沙紋的特征尺度與流速、水深及周期同樣存在一定的影響關(guān)系。圖9所示為得到的沙紋地貌的特征波高和波長隨流速的變化。結(jié)果表明:隨著流速的增大,海床上小尺度沙紋的波高和波長均隨流速的增大而增大。同時,對于同一流速下,隨著水深的增加,沙紋的特征尺度也隨之增加。圖10中為沙紋的特征波高和波長隨著往復(fù)流周期的變化規(guī)律。與大尺度的沙波的變化趨勢相似,隨著往復(fù)周期的增大,沙紋的特征波高和波長也隨之增大,并趨近于單向流的結(jié)果。

圖9 沙紋特征尺度隨流速的變化Fig.9 Variations of characteristic sizes of sand ripples with current speeds

圖10 沙紋特征尺度隨周期的變化Fig.10 Variations of characteristic sizes of sand ripples with current periods

3 結(jié) 論

本文重點(diǎn)研究了潮流作用下海底沙波的形成和發(fā)展,包括單向流及往復(fù)流,以波浪水槽試驗(yàn)為主,分析了流動類型、流速、周期、水深對沙波形態(tài)尺度的影響,得到的主要結(jié)論如下:

1)潮流作用下產(chǎn)生的海底地貌是由大尺度的沙波和小尺度的沙紋共同組成的,影響二者特征尺度的因素不同;沙波在往復(fù)流作用下發(fā)展速度逐漸變慢,最終達(dá)到動態(tài)平衡。

2)潮流作用下,沙波特征波高和特征波長隨流速增大而增大。

3)潮流作用下,其他條件不變,水深增大時,沙波特征波高增大,特征波長也隨之增大。

4)往復(fù)流作用下,沙波特征波高和特征波長隨水流周期增大而增大,并趨近于單向流的結(jié)果。

5)海床上小尺度的沙紋地形特征波高和波長的變化隨流速速度、往復(fù)周期和水深的變化趨勢與沙波的變化趨勢相同。

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