第5章 沙質(zhì)海岸的泥沙運動(2版)

1、第五章沙質(zhì)海岸的泥沙運動5. 本章總綱 5.1 概述 波浪作用下的泥沙起動 5.2 波浪作用下的推移質(zhì)運動 5.3 波浪作用下的懸移質(zhì)運動 5.4 波流共同作用下的泥沙運動 5.5 近岸區(qū)泥沙運動特點5.1 概述 14章：波浪、近岸流、潮波 本章(5)：沙質(zhì)海岸泥沙運動（無粘性泥沙） 第六章：沙質(zhì)岸灘演變 第七章：淤泥質(zhì)海岸泥沙運動（粘性泥沙）(1)海岸泥沙的來源 泥沙：巖石的物理和化學(xué)風化作用形成的碎屑物 入海河流挾沙 海岸受沖刷侵蝕 海洋生物殘骸碎 其它(2)波浪水流對泥沙的作用 輸移、磨蝕、分選(3)海岸泥沙的運動方式 推移、懸移 推移質(zhì)：粒徑相對較粗的泥沙顆粒，沿床面滾動、滑動或作短暫

2、的躍移，運動速度小于流體運動速度 懸移質(zhì)：粒徑相對較細的泥沙顆粒，由于紊動作用懸浮于水中，以相同速度與水體一起運動(4)運動形式隨水流強度的變化接觸質(zhì)：泥沙顆粒始終與床面接觸，沿床面滑動和滾動，數(shù)量較少躍移質(zhì)：泥沙顆粒短時間躍離床面，前進一段距離后落回床面-推移質(zhì)運動的主要形式 層移質(zhì)：泥沙顆粒成層移動或滾動懸移質(zhì)：水流中紊動較強，充滿了大小不同的漩渦，漩渦尺寸大于泥沙粒徑，漩渦向上分速大于泥沙沉速，泥沙顆粒長時間懸浮于水流中前進，不與床面接觸 水流強度增大(5)泥沙運動方式的判別 顆粒大小相同：流速較低時，以推移方式運動；流速較大時，以懸移方式運動，介于兩者之間以躍移為主 顆粒大小不同：較粗

3、顆粒以推移為主，較細顆粒以懸移為主*1.0,1.01.7,1.7,wwwuuu推移質(zhì)為主兼而有之懸移質(zhì)為主43sDgDCs=波浪摩阻流速波浪摩阻流速泥沙沉速泥沙沉速*mwu=阻力系數(shù)(6)沙質(zhì)海岸泥沙橫向運動變化A.深水到淺水，近底水質(zhì)點流速增大，泥沙起動，作推移質(zhì)運動B.形成沙紋，附近泥沙懸浮C.接近破波點，近底水質(zhì)點流速趨近最大，沙紋消失，泥沙層移運動D. 波浪破碎后，近底水質(zhì)點流速減小，但破碎引起的紊動使泥沙大量懸浮(紊動、沙紋、沿岸流輸沙)E.上爬帶，上下沖水流使泥沙層移運動sinhmHuTkh(7)泥沙運動的主要影響因素 波浪：往復(fù)的周期運動，泥沙往復(fù)擺動，凈位移很小，主要起掀沙作用

4、 水流：近岸流、潮流、風吹流，單向運動，主要起輸沙作用 水位：主要對波浪和流的運動特性產(chǎn)生影響，間接影響泥沙運動（如破波帶內(nèi)外的增減水）(8)泥沙運動研究的工程應(yīng)用預(yù)測岸灘演變沿岸方向輸沙率向岸離岸方向輸沙率計算近岸區(qū)的輸沙率港址選擇及工程安全請記下待做的習題習題5.1天津城建學(xué)院用紙，注明班級、學(xué)號、姓名(完整步驟)下一次周一課前，各班學(xué)習委員收齊后上交5.2 波浪作用下的推移質(zhì)運動 5.2.1 波浪作用下的泥沙起動判斷 5.2.2 推移質(zhì)輸沙率的計算5.2.1 波浪作用下的泥沙起動 不動起動沙紋層移泥沙起動的標準少量動：一些突出于床面的顆粒開始運動(臨界起動)普遍動：床面上所有泥沙都開始運

5、動“少量動”-泥沙起動判別標準(推移質(zhì))泥沙起動的研究方法Bagnold(拜格諾): 將實驗水槽底板設(shè)計成往復(fù)運動而水體不動的特殊裝置來研究Hallermier:參考單向穩(wěn)定水流的希爾茲曲線，在波浪水槽中研究康德拉耶夫斯基：基于波浪作用下的沙粒受力狀態(tài)推算泥沙起動與波浪要素之間的關(guān)系無限長水平床面上單沙粒的起動受力分析無粘性泥沙的起動臨界條件 水流作用力泥沙顆粒抵抗運動的力無限長水平床面上單沙粒的起動受力分析水流拖曳力(水平)2242mDmmDuDFAC阻力系數(shù)粘性流體中水流拖曳力包括沙粒表面摩擦阻力和形狀阻力兩部分，前者是因為固邊界的邊界層引起的摩擦阻力，后者是因為物體后部的流動分離使得物體

6、前面的壓力大于后部，產(chǎn)生了壓力差 無限長水平床面上單沙粒的起動受力分析慣性力(水平)：F=ma332max1166PmmmmD duDFCCAdt附加質(zhì)量系數(shù)閉著眼睛假想：流體靜止，自己在水中游泳，加速運動，不但自己要動，而且還要帶動一部分周圍流體(附加質(zhì)量)加速運動，因此流體對自己有一個與運動方向相反的作用力 泥沙顆粒質(zhì)量加速度無限長水平床面上單沙粒的起動受力分析升力(豎向)升力系數(shù)2242mLmmLuDFAC221( )2pgzuvf tt為什么會產(chǎn)生升力？請見伯努利方程：壓力項速度項只與時間有關(guān)無限長水平床面上單沙粒的起動受力分析重力(豎向，浮重)泥沙密度36sDWg無限長水平床面上單沙

7、粒的起動受力分析水流拖曳力與慣性力的相對大小32322max1611642143mmPmmmDmDmDmDCAFD duCuDFdtCCDCA0.1 22sinh()mmUHAmkh110DmmDFAPduFdt存在/2的相位差單沙粒起動受力分析tanDmLmFWF水底摩擦系數(shù)單沙粒起動受力分析tanDmLmFWF24tan3tanmDsLCCugD2msuMgD泥沙活動參數(shù)cM泥沙活動參數(shù)臨界值1 220.21,0.5mcAMDmmD1 420.463,0.5mcAMDmmD層流邊界層 紊流邊界層 Komar and Miller(1975)圖5-2 2mmTuAmuDcMM泥沙活動參數(shù)臨界

8、值T=15s Komar and Miller(1975)圖5-2 圖5-3 sinh()mHuTkhHhmuD另一泥沙起動判數(shù)希爾茲參數(shù)無因次床面剪切力底部剪切力泥沙穩(wěn)定力*,mcAu DfD*mwu=*mwuu24tan3tanmsDLuCMgDC24t12an3tanmsDLmwf MgDCC臨界希爾茲參數(shù)臨界希爾茲參數(shù)*1/ 4SDsgD泥沙流體參數(shù)臨界希爾茲參數(shù)C0.05Cwavess泥沙起動之判斷算例5.2.2 推移質(zhì)特殊現(xiàn)象-沙紋隨著水深變淺，床面附近水質(zhì)點流速增大，泥沙起動形成波紋，當床面附近的水質(zhì)點流速達到一定程度時，發(fā)生層移運動（平整-沙紋-平整）沙紋的發(fā)展沙紋的形成近底層

9、水流不穩(wěn)定性的產(chǎn)物（？No one know）沙紋的維持沙紋頂部的流動分離使得沙紋頂峰背后（背流坡）形成漩渦，漩渦水流產(chǎn)生向上的剪切應(yīng)力，維持沙紋的形態(tài)沙紋的消失水流速度足夠大時，水流對迎浪坡的沖刷力漩渦對背流坡的維持力Ripple穩(wěn)定流沙紋和波導(dǎo)沙紋比較流導(dǎo)沙紋縱剖面不對稱，具有平緩的迎流坡和相對陡峭的背流坡穩(wěn)定流沙紋和波導(dǎo)沙紋比較波流聯(lián)合沙紋波導(dǎo)沙紋對稱外形，沙紋高度和間距均勻，波峰尖銳，波谷圓滑沙紋尺度沙紋尺度0.342.220.3452230rmLMMA820.2452230rmrHML規(guī)則波計算波浪摩阻系數(shù)fw時ds=2.5D50(沙粒阻力)1981，Nielson

10、0.50.2750.022156rmHMMA沙紋尺度注意：計算中采用有效波高H1/3876930.37 lnexp10000.75 lnrmMLAM420.34rmrHL計算波浪摩阻系數(shù)fw時ds=2.5D50(沙粒阻力)不規(guī)則波1981，Nielson1.852110rmHMMA沙紋尺度0.80rmrHL沙紋消失，泥沙層移圖5-9-沙紋波陡與希爾茲參數(shù)的關(guān)系沙紋波陡較大，接近于常數(shù)0.3rmrHCL時近底水流：沙粒阻力+沙紋阻力，底床粗糙度泥沙運動：沙紋對水流和泥沙運動的影響225rrHrL22.581700.05rmrHrDL( )wfF r212mwmfummsgDS

11、wartNielson0.15rrHL 4rrH4sdr沙紋床面5.2.3 推移質(zhì)輸沙率的計算穩(wěn)定流輸沙率：無因次輸沙率=(,t ), p10543ssDgDC希爾茲參數(shù) stgD=(,t )經(jīng)驗公式=(s,D,t )0.06mmDW的概率，即 pP(FLW)(=f(P)(=f(P)(3)基于統(tǒng)計法則的愛因斯坦-布朗公式 愛因斯坦假定在波浪情況中的不合理 波浪作用下一般上舉力小于泥沙浮重 波浪作用下前半周期侵蝕率大于沉積率，后半周期沉積率大于侵蝕率，不是平衡輸沙愛因斯坦-布朗公式在波浪運動中的修正 11332.524012.5tmtt dtT 準穩(wěn)定流和臨界起動航道推移質(zhì)淤積算例請記下待做的習

12、題習題5.3，5.9天津城建學(xué)院用紙，注明班級、學(xué)號、姓名(完整步驟)下一次周一課前，各班學(xué)習委員收齊后上交5.3 波浪作用下的懸移質(zhì)運動泥沙如何懸浮到水中？泥沙懸浮后在水中的濃度分布？5.3.1 水質(zhì)點軌跡與懸沙運動沙紋床面cosmuutsinmwwt(0, )cos() 2tHt5.3.1 水質(zhì)點軌跡與懸沙運動(0, )cos() 2tHtcosmuutsinmwwtt=0，波峰時刻，正向水平底流速最大u=um，垂向流速w=0,迎流面的水流沖刷沙紋頂部泥沙，泥沙落入背流面漩渦，被帶回沙紋頂部 t=90，波中時刻，流動轉(zhuǎn)向u=0，垂向流速w=wm, 背流面漩渦強度增大，含沙量增大，反向水流使

13、得漩渦攜帶泥沙向上躍起，形成懸浮的沙云t=180，波谷時刻，負向水平底流速最大u=-um，垂向流速w=0，反向水流將沙云攜帶到沙紋迎浪面一側(cè)的床面現(xiàn)象總結(jié)沙紋床面泥沙懸揚機理總結(jié)1（沙紋床面上的泥沙懸揚機理）沙紋背面的漩渦，在水流轉(zhuǎn)向時，攜帶泥沙躍離床面，形成沙云總結(jié)2（沙紋床面上的懸沙輸移方向）離岸！沙紋峰頂上的含沙量峰值總是出現(xiàn)在90度的相位（流動轉(zhuǎn)向）5.3.2 波浪作用下懸沙濃度分布懸移質(zhì)的運動機理波浪掀沙，水流輸沙穩(wěn)定流懸移質(zhì)的輸沙率0( )( , )( , )sshq tS z t u z t dz懸沙濃度沿水深的分布懸移質(zhì)運動速度注意：Z軸垂直向上，原點取在床面上泥沙連續(xù)方程含沙

14、水體：兩相流(果粒橙)穩(wěn)定流中的泥沙連續(xù)方程振蕩流中的泥沙連續(xù)方程0ssdSSdz0ssdSSdzs紊動擴散系數(shù)泥沙連續(xù)方程振蕩流中的泥沙連續(xù)方程0ssdSSdzs紊動擴散系數(shù)顯然，求解依賴于紊動擴散系數(shù)如何取值？泥沙連續(xù)方程 s為常數(shù)：適于不破碎波引起的水底附近含沙量分布 expsasS zSza-參考點濃度aS0.01(h)a為 參 考 點 高 程 ，即 推 移 質(zhì) 厚 度取2.5,0.8abbmSqau層移2.52.520.005,0.8,1mamrmmrrrSHL沙紋2.2*,8.7wsmwu DA u式中bmuu可取泥沙連續(xù)方程 s為線性分布：適于破波帶內(nèi)水底附近懸移質(zhì)含沙量分布 *

15、swuaaS zSz1.751.750.33110.72cacMMSMM*,0.4swu卡門常數(shù)式中50()aD為 參 考 點 高 程取 2破波帶內(nèi)懸移質(zhì)含沙量沿水深分布較均勻泥沙連續(xù)方程 s為拋物線型分布(Rouse分布)：適于江河水流懸移質(zhì)含沙量分布 *swuaa hzS zSz ha*1,0.4swzu zh卡門常數(shù)懸移質(zhì)含沙量在自由表面處為零，但波浪破碎后波面處的含沙量并不為零*szu懸浮指標泥沙連續(xù)方程 s為混合型分布： s在水深下半部分為拋物型分布，上半部分為常數(shù)式中 *,21exp4,22zazaa hzhS zSazz haazhS zSzzhhah波面處含沙量不為零，彌補了R

16、ouse分布的不足*szu懸浮指標懸浮指標Z*的物理意義*Uz表征重力作用( )與紊動擴散作用( )的相對大小，反映了含沙量沿水深分布的均勻程度：z* 越大，表明重力作用相對越強(如泥沙較粗)，含沙量垂向分布越不均勻，懸沙傾向于分布于水底附近； z* 越小，表明紊動擴散作用相對越強，分布越均勻(后圖)。*szu懸浮指標s*uFig3-4Z*的另一功用：可作為推移質(zhì)進入懸浮狀態(tài)的判別標準可將Z* 5作為推移質(zhì)、懸移質(zhì)的臨界判別值波浪不規(guī)則性對懸沙濃度的影響不規(guī)則波懸沙濃度隨著與床面距離的增大而減小的速率比規(guī)則波快波浪破碎對懸沙濃度的影響波浪破碎引起的強烈紊動摻混使懸沙濃度沿水深幾乎

17、成均勻分布懸移質(zhì)含沙量分布算例波浪作用下的懸移質(zhì)輸沙率( )( , )( , )sshq tS z t u z t dz懸移質(zhì)被懸浮后，必須由水流進行輸送，因此必須考慮波流共同作用時的輸沙率請記下待做的習題習題5.2，5.7天津城建學(xué)院用紙，注明班級、學(xué)號、姓名(完整步驟)下一次周一課前，各班學(xué)習委員收齊后上交5.4 波流共同作用下的泥沙運動波浪掀沙，水流輸沙載沙量=推移質(zhì)+懸移質(zhì)Cqu 載沙量拜格諾的能量輸沙模型12331.83lnsbhqqIIdsEinstein-Bijker懸移質(zhì)輸沙率5.4 波流共同作用下的泥沙運動12331 1.83lnsbbhqqqqIIdsEinstein-Bi

18、jker全沙(懸移質(zhì)+推移質(zhì))輸沙率5.5 近岸區(qū)的泥沙運動5.5.1 泥沙的向岸離岸運動-橫向運動 影響海灘循環(huán) 在海岸地區(qū)修建陸上建筑物 離岸區(qū)埋設(shè)管線和修建海工建筑物向岸？還是離岸？一波浪特征淺水波浪的非線性形成向岸質(zhì)量凈輸移二沙紋尺度和形狀的不對稱性向岸水流形成的沙紋背面漩渦，在水流轉(zhuǎn)向時，攜帶泥沙躍離床面形成沙云，離岸輸沙三海床坡度泥沙自重沿坡度方向的分量趨于使泥沙做離岸運動堆積 or 沖蝕水流強度參數(shù) 厄塞爾數(shù)22244mmssauMMgDgD23/rUHLh17M 向岸輸移48170.048rrUMU泥沙較粗，水流強度較弱時，M較小，推移質(zhì)，若此時Ur較大，波浪非線性較強時，向岸凈輸移離岸輸移無泥沙輸移橫向凈輸沙率的計算No accepted widely70.21.15 100.13nsretrqUMMDU 體積凈輸沙率5.5.2 泥沙的沿岸運動影響海岸堆積地貌的發(fā)育決