考虑桩群及靠泊船舶的高桩码头淤积问题的实验研究

《Applied Surface Science》：Experimental study on the siltation of high-pile wharves considering pile groups and berthing ships

淤积机制与预测模型研究：基于高桩码头物理模型实验的系统分析，揭示了水流速度、方向、悬浮浓度及船舶停靠对码头周围淤积分布和强度的影响规律。研究发现潮汐流下淤积量较稳态流增加50%，船舶停靠导致底部淤积量增加30%但总淤积量不变，提出改进的淤积预测公式（误差<15%），并明确了公式适用条件。

　　本研究探讨了高桩码头周围泥沙淤积现象，以及其对结构安全性和生态影响的综合分析。高桩码头因其在港口工程中的广泛应用，特别是在软土地基环境中，其设计和维护始终面临着复杂的泥沙淤积问题。泥沙淤积不仅影响码头结构的稳定性，还可能对周边生态造成一定干扰。因此，深入理解高桩码头结构与水流之间的相互作用，对于优化码头设计、提高结构安全性以及改善水下环境具有重要意义。

研究通过在天津大学的水工智能建造与运行国家重点实验室进行的一系列大型物理模型实验，系统地分析了悬浮泥沙浓度、水流速度、水流方向以及船舶靠泊条件对高桩码头泥沙淤积的影响。实验模拟了真实的潮汐水流条件，并结合了船舶靠泊过程中的动态因素，从而能够更全面地反映实际工程环境中的泥沙输运和沉积机制。研究结果显示，水流在桩群区域的流速显著降低，导致泥沙沉积现象尤为明显。相比之下，潮汐水流条件下的泥沙沉积深度大于恒定水流条件下的沉积深度，且空间分布存在差异。此外，悬浮泥沙浓度的增加也会导致泥沙沉积深度的增加。这些发现表明，水流条件和泥沙特性在高桩码头泥沙淤积过程中起到了关键作用。

研究还特别关注了船舶靠泊对泥沙沉积的影响。船舶靠泊过程中产生的局部湍流和涡旋会改变水流场，进而影响泥沙的输运和沉积模式。实验表明，船舶靠泊增加了桩基附近的泥沙沉积，同时减少了码头后方的沉积量。这种局部的泥沙再分布效应在一定程度上改变了泥沙沉积的空间格局，但总沉积量基本保持不变。因此，船舶靠泊对泥沙沉积的影响主要集中在靠泊位置附近的区域，而不是整个码头结构。

通过实验数据和理论推导，研究团队成功建立了一个用于预测泥沙沉积强度的改进公式。该公式在实验数据与现场测量数据的对比中显示出较高的预测精度，最大偏差控制在15%以内。这一成果为泥沙沉积的预测提供了可靠的工具，特别是在淤积严重的淤泥海岸环境中，能够有效支持高桩码头的设计与维护工作。此外，该公式还适用于具有规则排列桩群的高桩码头结构，其中桩间距与桩直径之比（G/D）在3至10之间。研究团队还指出，该公式在实际应用中应结合现场测量数据进行验证，以确保其适用于不同结构复杂度的桩群布局。

研究还揭示了泥沙输运过程中多个关键因素之间的相互作用。例如，水流速度的变化不仅影响泥沙沉积的深度和分布，还与桩群引起的流速衰减和泥沙沉降时间密切相关。当水流速度降低时，泥沙更容易在桩群区域沉积，形成明显的沉积层。同时，悬浮泥沙浓度的增加也会显著提升沉积厚度，特别是在低流速区域。这些发现表明，泥沙输运和沉积是一个动态过程，受到水流速度、泥沙浓度、桩群布局以及船舶靠泊等多种因素的共同影响。

此外，研究还探讨了潮汐水流对泥沙沉积的周期性影响。潮汐水流的周期性变化使得泥沙在高水位期间被输送到桩群区域，而在低水位期间由于流速降低，泥沙更容易沉积。这种周期性沉积效应在多个实验案例中得到了验证，显示出在潮汐条件下泥沙沉积的累积趋势。因此，潮汐水流不仅改变了泥沙输运的路径，还通过反复的沉积和再悬浮过程影响了沉积模式的演变。

为了提高预测精度，研究团队还对泥沙输运和沉积的动态过程进行了详细的分析。他们利用实验数据，结合水流速度、泥沙浓度和桩群结构参数，建立了适用于不同环境条件的预测模型。该模型能够模拟泥沙在不同流速和浓度条件下的输运和沉积行为，为高桩码头的泥沙沉积预测提供了科学依据。通过对比实验数据与预测结果，研究团队验证了模型的有效性，并进一步优化了参数设置，使其更贴近实际工程情况。

在实际应用中，这一研究成果具有重要的工程价值。首先，它有助于优化高桩码头的设计，减少泥沙沉积对结构安全的影响。其次，它为码头的维护提供了科学依据，使管理人员能够更好地预测和控制泥沙沉积现象，从而降低维护成本。此外，该研究还揭示了泥沙沉积与水流场、船舶运动等复杂因素之间的关系，为未来研究提供了新的方向。例如，研究可以进一步探讨波浪与潮汐水流共同作用下的泥沙输运和沉积机制，特别是在极端天气条件下，如风暴等，波浪的强烈作用可能对泥沙输运和沉积产生显著影响。

综上所述，本研究通过系统的实验分析和理论推导，揭示了高桩码头周围泥沙淤积的动态过程和影响因素。研究不仅为泥沙沉积的预测提供了可靠的工具，还为高桩码头的设计和维护提供了科学指导。未来，随着海洋工程对环境适应性和可持续性的更高要求，这些研究成果将为更复杂的泥沙输运和沉积研究提供基础，支持港口和海岸基础设施的长期稳定发展。