潮流及波流联合作用下海底沙波形成及其特征尺度研究

作     者：孙玉欣 

作者单位：天津大学 

学位级别：硕士

导师姓名：臧志鹏;齐越

授予年度：2021年

学科分类：07[理学] 0707[理学-海洋科学] 

主      题：海底沙波 物理模型试验 潮流 波流联合作用 形成及发展过程 特征尺度 数值模拟 

摘      要：海底沙波作为一种广泛分布于现代潮汐陆架海域的波浪状海底形态,在潮流、波浪等多种环境因素作用下发生演变。海底沙波的存在和发展严重威胁海底管道的安全和稳定,并可能引起钻井平台垮塌、海底光缆断裂等海洋工程灾害。因此,研究海底沙波的形成和演化规律,对于认识此类灾害的发生机理以及预测工程海域海床表面的形态演化、最大程度地减少海底沙波引起的工程事故具有重要的科学价值和工程意义。本文通过开展水槽沙波物理模型试验,研究了以往复流模拟的潮流及波流联合作用下沙波的形成和发展过程以及沙波尺度随各种水动力参数、泥沙参数的变化规律。通过改变水深、潮流流速、潮流往复周期、波浪的波高和周期等水动力因素和泥沙粒径、比重等泥沙因素,记录沙波变化的全过程,并对海床地形数据进行分析,研究其发展规律。试验结果表明,在潮流为主导作用的水力条件下,沙床形态主要由大尺度的沙波塑造而成,小尺度的沙纹几乎不存在。从平坦海床开始,沙波的波高和波长在水流持续作用下逐渐增大,且增长速度越来越慢,最终沙波地形达到动态平衡状态。在不同潮流工况条件下,随潮流流速增大,平衡状态的沙波特征波高先增大后减小,特征波长不断增大;随着水深增大,沙波特征波高和特征波长均增大;随潮流往复周期的增大,沙波特征尺度不断增大,且增速越来越慢,不断趋近于相同水深和流速条件下单向流的沙波尺度。在潮流作用基础上叠加波浪作用,沙波特征尺度会被削减,且随波浪作用的增强,此种削减程度也增大。原型沙和轻质沙相比,使用原型沙的工况沙波尺度整体比轻质沙大。结合单向流下的沙波相对尺度经验公式,文中给出了适用单向流、潮流和波流联合作用的沙波尺度预测经验公式,数据拟合效果较好。最后,利用ROMS进行沙波特征尺度数值模拟,验证并研究了沙波FGM波长和特征波高随潮流流速和周期、泥沙粒径、床面粗糙度的变化规律。