海岸泥沙起動(dòng)的力學(xué)機(jī)理

海岸泥沙起動(dòng)的力學(xué)機(jī)理

波浪下的泥沙泵是開發(fā)和海防工程中的一個(gè)重要問(wèn)題。竇國(guó)仁等、趙子丹、曹文洪等均從力學(xué)機(jī)理上對(duì)波浪作用下床面泥沙起動(dòng)進(jìn)行了研究。當(dāng)波浪在沙質(zhì)海床上傳播時(shí),海床土體會(huì)受到波浪產(chǎn)生的循環(huán)荷載作用,這種波浪壓力傳到海床中時(shí)會(huì)存在時(shí)間和空間上的差異,即存在壓力梯度,以致孔隙水和泥沙顆粒之間存在有明顯的相對(duì)運(yùn)動(dòng),從而在海床中產(chǎn)生滲流?？紫端鲃?dòng)過(guò)程中受到泥沙顆粒的阻力作用,反過(guò)來(lái)泥沙顆粒也會(huì)受到滲透水流施加給它的作用力,這個(gè)力就是滲流力,也就是孔隙水壓力。波動(dòng)水壓力引發(fā)海床土體內(nèi)孔隙水壓力變化可導(dǎo)致海床液化,引致海岸結(jié)構(gòu)物傾斜、沉陷或破壞等。Foda等研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)淤泥海床由于波浪作用產(chǎn)生液化反應(yīng)時(shí),海床上方的懸沙活動(dòng)也較沒有液化時(shí)顯著,認(rèn)為懸沙運(yùn)動(dòng)與海床不穩(wěn)定現(xiàn)象息息相關(guān)。Tzang通過(guò)試驗(yàn)量測(cè)波浪作用下不同粒徑組成的沙質(zhì)海床底床內(nèi)孔隙水壓分布情形,并將波浪對(duì)海床的影響分為3類,即非液化、起始液化、連續(xù)液化等反應(yīng)。Tzang等利用兩種中值粒徑(d50=0.134mm和d50=0.092mm)進(jìn)行了規(guī)則波作用下海床液化的試驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)海床發(fā)生液化時(shí)懸沙濃度明顯增加。Sumer等研究了行波荷載作用下粉質(zhì)海床的波浪響應(yīng)特點(diǎn),并分析了底沙的輸移和海床液化特性。Zhou等水槽實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明海床發(fā)生液化時(shí)管道附近的沖刷深度明顯增大。這些研究證明了海床上的泥沙運(yùn)動(dòng)與其孔隙水壓力響應(yīng)具有密切的關(guān)系。陸彥等和李壽千等對(duì)河流中滲流對(duì)泥沙起動(dòng)和輸移進(jìn)行了研究,然而現(xiàn)有成果在分析波浪作用下泥沙起動(dòng)的力學(xué)機(jī)理時(shí)很少考慮滲流力的影響。由于波浪作用下床面附近的泥沙起動(dòng)十分復(fù)雜,該問(wèn)題一直沒能徹底解決。本研究針對(duì)波浪作用下泥沙起動(dòng)規(guī)律在力學(xué)機(jī)理層面進(jìn)行深入探討,考慮波浪誘發(fā)的海床滲流力對(duì)泥沙起動(dòng)的影響,有助于加深對(duì)波浪掀沙機(jī)理的認(rèn)識(shí)。1海底泥沙顆粒的定量和動(dòng)態(tài)其根據(jù)竇國(guó)仁等、趙子丹、曹文洪等的研究成果,波浪作用下床面泥沙顆粒所受的主要作用力如圖1所示。(1)推力波浪對(duì)海底泥沙顆粒的推力Fx可表述為式中λx為波浪推力的阻力系數(shù),其值是糙率高度與波長(zhǎng)的比值的函數(shù);d50為中值粒徑;ρw為水的密度;ub為討論時(shí)刻作用于海底表層顆粒的波浪軌跡質(zhì)點(diǎn)速度,其值為式中u0為海底最大軌跡質(zhì)點(diǎn)速度,根據(jù)線性波理論,其值為式中H為波高;T為波周期;h為水深;k為波數(shù);ω為角頻率;ρs為土的密度。(2)上舉力波浪對(duì)海底泥沙顆粒上舉力Fy可表述為式中λy為波浪上舉力的阻力系數(shù),由試驗(yàn)確定。曹文洪等采用Bagnold水槽實(shí)測(cè)資料得到上舉力系數(shù)λy為上舉力公式可寫為(3)慣性力波浪對(duì)泥沙顆粒的慣性力Fi,可表示為式中λi為慣性力系數(shù),其余同上。(4)滲流力夏令根據(jù)Mei等的海床邊界層理論得到滲流力的公式為(5)泥沙顆粒在水中的重力扣除浮力后的泥沙重力(浮重)為(6)體積力FV包括由水流壓力梯度的存在而引起的分量FP和顆粒的附加動(dòng)水質(zhì)量引起的力FH。波浪作用下的泥沙顆粒上的體積力可忽略不計(jì)。(7)粘結(jié)力與薄膜水附加壓力細(xì)顆粒之間由于粘結(jié)力的存在,使顆粒成結(jié)合狀態(tài)。對(duì)于由靜止起懸的細(xì)顆粒,必須克服顆粒間粘結(jié)力和薄膜水附加壓力,使顆粒松動(dòng)后才有可能懸浮。竇國(guó)仁導(dǎo)出了粘結(jié)力、薄膜水附加壓力的表述公式。2流量影響分析2.1泥沙粒徑對(duì)滲流力的影響選取中值粒徑d50為0.01mm、0.5mm、2.0mm的3種粒徑泥沙分別代表粉沙、細(xì)沙、中沙,利用式(4)和式(8)分別計(jì)算在一個(gè)波浪周期中的上舉力和滲流力,并將不同泥沙的滲流力與上舉力的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較分析。計(jì)算參數(shù)為:h=20m,H=2m,T=10s,n=0.4,v=0.33,β=1.0×107N/m2,ρs=2650kg/m3,ρw=1000kg/m3,d50為0.01mm、0.5mm、2.0mm,對(duì)應(yīng)的滲透系數(shù)ks分別為1.0×10-8m/s、5.0×10-4m/s、1.0×10-2m/s,對(duì)應(yīng)的剪切模量G分別為5.0×106N/m2、1.0×107N/m2、5.0×107N/m2。圖2為不同粒徑泥沙的滲透力和上舉力在一個(gè)波浪周期內(nèi)的變化情況。從圖2可以看出,上舉力的方向一直是垂直向上,滲流力隨著波高的變化其方向也發(fā)生向上或向下的變化,滲流力與上舉力之間存在著相位差,不是同時(shí)達(dá)到最大值。圖2(a)是粒徑極細(xì)的粉沙情況,可以看出滲流力的最大值大于上舉力的最大值。在粒徑較大的細(xì)沙和中沙情況(圖2(b)和圖2(c)),滲流力的最大值小于上舉力的最大值。將一個(gè)周期內(nèi)的滲流力與上舉力進(jìn)行對(duì)比得到圖3。圖3表明在一個(gè)波浪周期內(nèi),3種粒徑的泥沙均有一段時(shí)間內(nèi)滲流力大于上舉力,中值粒徑d50為0.01mm、0.5mm、2.0mm時(shí)滲流力與上舉力的最大比值分別為250、70、80。雖然在粒徑較大情況下滲流力的最大值小于上舉力的最大值,但由于它們之間存在的相位差,使得在一個(gè)周期內(nèi)有一時(shí)段滲流力遠(yuǎn)大于上舉力。滲流力方向向上時(shí),泥沙向上的作用力增大,特別是滲流力遠(yuǎn)大于上舉力時(shí)段,滲流力的作用表現(xiàn)得更為突出,泥沙更容易起動(dòng)。上述結(jié)果表明海床中波浪引起的滲流力在泥沙可以從床面起動(dòng)的過(guò)程中起著重要的作用,滲流力是海床泥沙起動(dòng)的主要因素之一,對(duì)于粉沙起動(dòng)顯得更為突出。2.2細(xì)顆粒泥沙的擊穿規(guī)律利用式(9)計(jì)算泥沙顆粒的有效重力,并與計(jì)算得到的滲流力進(jìn)行比較分析得到圖4。從圖4可以看出,粒徑極細(xì)的粉沙情況(d50=0.01mm),滲流力遠(yuǎn)大于泥沙顆粒的有效重力;粒徑較細(xì)的泥沙情況(d50=0.5mm),滲流力約為泥沙顆粒的有效重力的0.12,粒徑較粗的泥沙情況(d50=2.0mm),滲流力約為泥沙顆粒的有效重力的0.04。因此,滲流力對(duì)細(xì)顆粒泥沙的起動(dòng)起著重要作用,在分析波浪作用下細(xì)顆粒泥沙起動(dòng)規(guī)律時(shí),需考慮波浪引起的滲流力的影響。無(wú)粘性的大顆粒泥沙受到向上的作用力超過(guò)顆粒自重就能起動(dòng),但細(xì)顆粒泥沙由于顆粒之間的粘結(jié)力影響,向上的作用力超過(guò)顆粒自重不一定能起動(dòng)。3間隙水壓力對(duì)沉積物波動(dòng)的影響3.1試驗(yàn)方法和數(shù)據(jù)采集滲透力與孔隙水壓力兩者是等價(jià)的,但滲透力是體積力、矢量,孔隙水壓力是面力、標(biāo)量。為了計(jì)算分析方便,通過(guò)試驗(yàn)測(cè)量孔隙水壓力來(lái)分析滲流力對(duì)泥沙起動(dòng)的影響。試驗(yàn)在長(zhǎng)沙理工大學(xué)港航中心實(shí)驗(yàn)室的波浪水槽進(jìn)行,水槽兩側(cè)為透明玻璃,總長(zhǎng)60m,寬1.5m,高1.8m。水槽后部一段長(zhǎng)度用玻璃隔板等分成3部分,各為0.5m寬,水槽末端設(shè)有消浪裝置。試驗(yàn)水槽的造波機(jī)采用大連理工大學(xué)研制的造波控制系統(tǒng),可以生成多種波浪,孔隙水壓力和波高的量測(cè)采用天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所研制的SG2000型水工試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng),這兩套系統(tǒng)均由計(jì)算機(jī)控制并進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。在水槽分隔段布置了海床模型,海床模型長(zhǎng)3.0m,寬0.5m,深0.2m,左側(cè)放置中值粒徑為0.44mm的沙子,滲透系數(shù)為0.041cm/s,孔隙率為0.389,右側(cè)放置中值粒徑為0.21mm的沙子,滲透系數(shù)為0.018cm/s,孔隙率為0.473。在沙床中間選取兩個(gè)斷面,自床面沿深度向下每隔5cm布置一個(gè)孔隙水壓力傳感器,每個(gè)斷面布置4個(gè),量測(cè)其孔隙水壓力值。在壓力傳感器對(duì)應(yīng)斷面布置浪高儀。試驗(yàn)中采用可以較好反應(yīng)近岸淺水波浪特性的橢圓余弦波,水深為30cm,波高為8~16cm,周期為1.6~2.4s。每組試驗(yàn)重復(fù)做3~4次,每次試驗(yàn)結(jié)束后,待波面平靜后再進(jìn)行下一次試驗(yàn)。試驗(yàn)中波高和孔隙水壓力的數(shù)據(jù)采集均以0.02s為時(shí)間間隔,造波機(jī)剛開始生成的波浪不穩(wěn)定,當(dāng)3~4個(gè)周期的波浪通過(guò)床面達(dá)到穩(wěn)定后開始采集數(shù)據(jù),每個(gè)測(cè)點(diǎn)采集1024個(gè)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)剛開始時(shí),粗粒徑海床表層有少量的泥沙起動(dòng),細(xì)粒徑海床的床面上大量泥沙起動(dòng)并躍起懸浮在水中,慢慢使整個(gè)水體混濁。床面上的泥沙顆粒在波浪作用下往復(fù)運(yùn)動(dòng)。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的波浪作用后,床面上形成了沙紋。沙紋長(zhǎng)度在3~5cm范圍內(nèi),在波浪作用下不斷向前推移發(fā)展。3.2孔隙水壓力響應(yīng)(1)孔隙水壓力響應(yīng)歷時(shí)曲線圖5為橢圓余弦波作用下波面與對(duì)應(yīng)的沙床孔隙水壓力歷時(shí)曲線,圖中No.17表示17號(hào)浪高儀,No.21~No.25和圖6中No.47~No.50表示不同位置處壓力傳感器編號(hào)。從圖5可以看出,橢圓余弦波作用下,孔隙水壓力歷時(shí)曲線呈現(xiàn)出橢圓余弦波的形狀特征,孔隙水壓力歷時(shí)曲線與波面歷時(shí)曲線形狀相似。不同深度的孔隙水壓力隨著波面的變化而變化,波峰時(shí)刻可明顯看出它們的相位略有滯后,深度越大滯后越明顯。正向孔隙水壓力的幅值大于負(fù)向孔隙水壓力的幅值。圖6和圖7分別給出了橢圓余弦波作用下,細(xì)質(zhì)沙床和粗質(zhì)沙床各斷面中不同測(cè)點(diǎn)的孔隙水壓力響應(yīng)歷時(shí)曲線,兩種沙床情況下采用的波浪參數(shù)為水深h=30cm,波周期T=2.0s,波高H=14cm。在波浪要素和沙床介質(zhì)相同條件下,同一斷面中各測(cè)點(diǎn)孔隙水壓力響應(yīng)曲線形狀相似,孔隙水壓力值沿沙床深度方向逐漸減小且趨于穩(wěn)定?？紫端畨毫憫?yīng)曲線存在相位角滯后現(xiàn)象,從沙床表面到沙床底部,相位滯后程度越來(lái)越小。與粗質(zhì)沙床相比,細(xì)質(zhì)沙床孔隙水壓力衰減較快,相位角滯后大。沿沙床深度方向的孔隙水壓力衰減和相位角滯后,導(dǎo)致海床內(nèi)存在垂向孔隙水壓力梯度,泥沙會(huì)受到這種向上或向下的滲流力作用。對(duì)比圖6和圖7中的孔隙水壓力值可知,細(xì)沙海床中壓力變化較粗沙海床大,這表明細(xì)沙海床中泥沙受到的滲流力較粗沙海床大。(2)波高變化對(duì)孔隙水壓力響應(yīng)的影響在海床介質(zhì)參數(shù)和其它波浪參數(shù)相同的情況下,分別采用3種不同波高的波浪,得到波高變化對(duì)海床孔隙水壓力幅值變化的影響。由圖8可知,橢圓余弦波作用下海床中孔隙水壓力受波高影響較小,沙床上部孔隙水壓力衰減較快,5cm以下孔隙水壓力衰減變得緩慢。這表明波高變化對(duì)海床泥沙中的孔隙水壓梯度影響不大,即滲流力的大小隨著波高變化不大。(3)周期變化對(duì)孔隙水壓力響應(yīng)的影響海床介質(zhì)參數(shù)相同,其它波浪參數(shù)也相同,分別采用4種不同周期的波浪,得到周期變化對(duì)孔隙水壓力的影響。由圖9可知,當(dāng)橢圓余弦波作用時(shí),在沙床0~5cm范圍內(nèi)孔隙水壓力幅值受波周期影響較大,且衰減迅速,在沙床5cm以下,幾種波況下的孔隙水壓力幅值衰減趨勢(shì)一致且變得緩慢。這表明表層海床泥沙中的孔隙水壓梯度較大,并且隨著周期的增大而增大,即滲