沙質(zhì)海岸岸灘演變

1、第八章,沙質(zhì)岸灘演變,8. 本章總綱,概述 8.1 海岸剖面形態(tài)(橫向) 8.2 海岸平面形態(tài)(縱向) 8.3 海岸變形計算,岸灘演變概述,風、浪、潮、流及其他因素綜合作用,岸灘剖面變化,長期演變,短期演變(季節(jié)性),泥沙縱向運動,泥沙橫向運動,岸線蝕退淤長,港口及海工建筑物的安全與使用,第一節(jié) 海岸剖面形態(tài)(橫向),海岸剖面形態(tài)(橫向),海灘剖面分類 海岸平衡剖面 海岸坡度 建筑物前的海岸剖面變形(“建筑物引起的岸線長期變形”),海灘剖面的變化規(guī)律,泥沙和風浪流潮條件不斷變化，海灘剖面也處于動態(tài)平衡過程中,沙質(zhì)海灘的動態(tài)變化,風暴剖面(沙壩剖面): 風暴盛行期，海灘上部被侵蝕，泥沙被搬運到離

2、岸區(qū)堆積形成沙壩 沙壩的形成使得破波點向海側移動，灘面和岸基受到的沖擊力減弱，逐漸平衡。近岸區(qū)坡度變緩 常浪剖面(灘肩剖面): 海面相對平靜時期，波浪相對較小，淤積在離岸區(qū)的泥沙逐漸被波浪推移到近岸區(qū)，形成灘肩。近岸區(qū)坡度變陡,圖8-2,沙質(zhì)海灘的重要構造,灘肩:常浪期,上涌水流將泥沙向岸推移堆積形成(推移質(zhì)向岸) 沙壩:風暴期,卷破波向下沖擊形成深槽,海側形成沙壩(懸移質(zhì)向海),強弩之末，不能入魯縞；沖風之衰，不能起毛羽,海灘剖面形態(tài)轉化的判數(shù),Dean,1973(8-1),室內(nèi)實驗,灘肩型剖面,沙壩型剖面,天然海灘,泥沙沉降一個波高的距離所需的時間( )和波浪周期的比值。比值較大時，泥沙被

3、波浪掀起懸浮后，需較長時間才能回到底部，懸沙將隨著波浪離岸軌跡速度的作用而向海懸移；比值較小時，泥沙被波浪掀起懸浮后，很快就能回到底部，泥沙將隨著波浪向岸軌跡速度的作用而向岸推移,主要取決于波陡和海灘上的泥沙粒徑,海灘剖面形態(tài)轉化的判數(shù),Hattori,Kawamata,1980,中性，平衡剖面,向岸輸沙(淤積型海灘),離岸輸沙(侵蝕型海灘),(8-6),海灘剖面形態(tài)轉化的判數(shù),Sunamura,Horikawa,1974,I-沙壩型,II-過渡型,III-灘肩型,H0采用觀測期最大波高，泥沙粒徑采用平均粒徑，海灘坡度采用岸線到水深20m處的平均坡度,(8-8),類型I：岸線后退，泥沙向海搬運

4、，在離岸區(qū)堆積(侵蝕型海岸，沙壩剖面) 類型II：岸線前進，泥沙向兩個方向搬運，在兩側堆積 (過渡類型-平衡剖面) 類型III：岸線前進，泥沙向岸搬運，離岸區(qū)無堆積，有沖刷(堆積型海岸，灘肩剖面),海灘剖面形態(tài)轉化的判數(shù),Sunamura,Horikawa,1974,二、海灘平衡剖面,什么是海灘的平衡剖面？ 海灘平衡剖面的形狀？ 能否預估海灘平衡剖面？,什么是海灘的平衡剖面,在一定的泥沙和波浪條件下，海灘上任一點的泥沙均沒有凈位移，剖面形狀維持不變的海灘形態(tài)(永不可能達到的極限狀態(tài)),平衡剖面的中和點理論,中和點：在坡度均一、泥沙顆粒大小完全一樣的一個理想海岸帶上，可以找到一點，此處波浪攜帶泥

5、沙向岸運動的距離，等于返回時的運動距離加上重力作用引起的泥沙運動距離,中和點理論的結果,基于中和點理論的海灘平衡剖面：泥沙運動對岸坡有一定的侵蝕作用，海灘剖面需要做出相應調(diào)整，在中立線兩側形成兩個侵蝕區(qū)，兩個侵蝕區(qū)的外側是堆積區(qū)，分別形成沿岸沙堤和水下沙堤。使得向岸側變陡，向海側變緩，海灘橫剖面形成下凹的曲線形狀,海灘平衡剖面的經(jīng)驗形狀,Dean,1977,(8-12),海灘平衡剖面的經(jīng)驗形狀,圖8-4,海灘平衡剖面的經(jīng)驗形狀,Komar and McDougal,1994,y，1,水深,海灘坡度,水深在離岸方向逐漸趨于常數(shù)水深h0,(8-14),能否預估海灘平衡剖面？,能不能根據(jù)海灘上的波浪

6、條件預估海灘平衡剖面的曲線形狀? 泥沙的橫向（x向）運動機理還沒有很好解決。在破波帶外、破波點上、破波帶內(nèi)各位置波浪對泥沙的作用機理有很大不同，泥沙運動規(guī)律至今沒有很好掌握 海灘區(qū)域水動力作用復雜。波浪是泥沙運動的主要影響因素，但海灘泥沙還受到如海灘坡度、風、潮位、潮流、裂流等因素的影響,三、海灘坡度,粒徑：粒徑越大，坡度越陡(正相關) 波能：相同粒徑條件下，波能越大，坡度越小(負相關),King(1972):,例8-1 海灘剖面形式算例,請記下待做的習題,習題8.1 注明班級、學號、姓名 下周四課前，各班學習委員收齊后上交,第二節(jié) 海岸平面形態(tài)(縱向),海灘的長期演變,海灘剖面的變化將影響海

7、岸的剖面形狀、管線的鋪設、海岸設施的局部穩(wěn)定 海岸線的長期變形將影響海岸工程建筑物的存在意義和海岸線的長遠利用價值,滄海桑田，海枯石爛,一、海岸形態(tài)分類,Q1Q2:泥沙堆積，岸線前進堆積性海岸 Q1侵蝕性海岸 Q1=Q2:輸沙平衡，不沖不淤平衡海岸 靜態(tài)平衡: Q1g=Q2g=0，無沿岸輸沙 No.1動態(tài)平衡: Q1g=Q2g0, Q1n=Q2n=0 No.2動態(tài)平衡: Q1n=Q2n 0,下標g表示總輸沙率=|出|+|進|，下標n表示凈輸沙率=|進-出|,圖8-11,二、沙質(zhì)海岸平衡岸線的形狀,長時期一定規(guī)律(?)的海岸動力作用(浪、流、潮) 無外部泥沙來源(如河流來沙) 動態(tài)平衡岸線 (1

8、)沿岸輸沙率處處相等(Q1g=Q2g=0，靜態(tài)平衡； Q1n=Q2n0，第二種動態(tài)平衡) (2)岸線形狀不變但可以平行前進或后退(Q1n=Q2n0，第二種動態(tài)平衡) (3)離岸島嶼區(qū)的平衡岸線(Q1n=Q2n0，第二種動態(tài)平衡),(1)沿岸輸沙率處處為零(Q1g=Q2g=0，靜態(tài)平衡),灣頭灘(pocket beach): 海灘兩端為岬角限制，沒有或極少外部泥沙輸入，受長期固定波向波浪作用，Q1g=Q2g=0，靜態(tài)平衡(岸線與波峰線平行，破波角=0沿岸輸沙率Ql=07-138),岬灣海岸 上游無泥沙供應：兩端受到不易侵蝕的岬角保護，當波浪斜向入射時，左邊受到岬角掩護，波浪繞射(影響何處？)和折

9、射(影響何處)后波峰線改變方向，沖擊岸線使得其形成接近于等角螺線的形狀。右邊不受岬角保護，岸線將趨向平行于波峰線(Q1g=Q2g=0，靜態(tài)平衡),圖8-13,圖8-14,(1)沿岸輸沙率處處為零(Q1g=Q2g=0，靜態(tài)平衡),(1)沿岸輸沙率處處相等(Q1n=Q2n0，第二種動態(tài)平衡),岬灣海岸 上游有泥沙供應：長期演變后，岬灣將與主浪向破波波峰線形成一定的夾角，使得海灣內(nèi)各斷面的沿岸輸沙率與岬灣上游的來沙量相等(Q1n=Q2n0，第二種動態(tài)平衡),極限平衡岬灣海灘,如果上游來沙量減少，岬灣曲線形態(tài)的演變？(岬灣下游海灣受沖刷侵蝕后退，岬灣曲線內(nèi)凹加深，下游灘線與入射波波峰線夾角變小) 如果

10、上游來沙量枯竭，岬灣曲線形態(tài)的演變？(岬灣內(nèi)岸灘的沖蝕、后退、內(nèi)凹將進一步發(fā)展，但在長時間侵蝕后將形成極限靜態(tài)平衡狀態(tài)) 極限平衡-人工岬灣,直線海岸,Q1n=Q2n0，第二種動態(tài)平衡(任意斷面上都有凈輸沙，但沿岸輸沙率處處相等),不在海灣深處的灣頭灘,受不同波向波浪作用，Q1g=Q2g0, Q1n=Q2n=0，第一種動態(tài)平衡(海岸段內(nèi)部泥沙動態(tài)重分配，使波峰線與岸線平行),W1,W2,W1,W2,W1,W2,(2)岸線形狀不變但可以平行前進或后退(Q1n=Q2n0，第二種動態(tài)平衡),河流供沙海岸：為了形成沿岸輸沙率的梯度，河口處泥沙將堆積，岸線平行推移，由于波向線與岸線法線間的夾角由河口向兩

11、側逐漸減小，因此形成了沿岸輸沙率由河口向兩側逐漸減小的梯度，使得泥沙在波浪作用下能向兩側輸出(Q1n=Q2n0，第二種動態(tài)平衡),圖8-25,錦州筆架山島,連島沙洲：波浪遇島嶼發(fā)生折射、繞射，造成沿岸波高不等，產(chǎn)生由兩側向中心的沿岸流，且島后波影區(qū)波能減弱，輸沙能力降低，泥沙沉積,(3)離岸島嶼區(qū)的平衡岸線(Q1n=Q2n0，第二種動態(tài)平衡),圖8-19,沙嘴和連島沙堤形成的經(jīng)驗判別式(砂村,1987),海工建筑物與岸灘演變,靜態(tài)平衡海岸 橫向輸沙主導，海工建筑物將引起局部沖刷(？) 動態(tài)平衡海岸 沿岸輸沙主導，海工建筑物將引起岸線變形(？),傲慢與偏見 Greed and ignorance

12、 has disturbed many dune-beach systems,一、海工建筑物前的局部沖刷(P195),建筑物位于岸線附近，沖刷坑很快被重新淤滿 建筑物位于岸線陸側，不會重新回淤 建筑物位于破波點和岸線之間時，開始沖刷很快，以后逐漸變慢(反射波的回流可能使泥沙向海輸移，引起嚴重沖刷) 建筑物前水深較大，形成立波，沖刷坑逐漸發(fā)展不回淤,無護底直立堤前沖刷形態(tài),直立堤如位于破波點外的深水中，堤前將形成立波，離岸方向的海床將受到立波沖刷： 相對細沙型：懸移質(zhì)，立波節(jié)點處床面形成沖刷坑，腹點處產(chǎn)生淤積 相對粗沙型：推移質(zhì)，立波節(jié)點與腹點之間的床面形成沖刷坑，節(jié)點處產(chǎn)生淤積,相對細沙型,相

13、對粗沙型,護底的設置長度,限于堤前L/2以內(nèi) 相對細沙型： l=(L/4+L/8)=0.375L 相對粗沙型： l=0.6(L/4)=0.150L,斜坡堤前沖刷形態(tài),部分立波系統(tǒng),斜坡堤如位于破波點外的深水中，堤前將形成部分立波，離岸方向的海床將受到立波沖刷： 相對細沙型：節(jié)點沖刷，腹點淤積 相對粗沙型：節(jié)點與腹點之間沖刷，節(jié)點淤積 過渡型：沖刷坑和淤積位置偏離節(jié)點和腹點,二、海工建筑物與岸線變形(P203),突堤,人工挖槽,離岸堤,突堤例：印度馬德拉斯港,N,凈輸沙方向,新航道,向北大于向南輸沙，原設計是修建北突堤和南突堤，港口航道和口門向東，但南突堤南側淤積，形成新陸地，北突堤北側岸線沖蝕

14、，日久天長，滄海桑田就導致南側淤積的泥沙逐漸越過南突堤向港內(nèi)淤積，最終不得不將港口航道和口門改為向北,修導堤維護航道水深例:美國Pierce港,沿岸凈輸沙率接近零，雙向沿岸輸沙率大致相等，潮汐通道建后使得原輸沙通道被斷，導堤左側和右側淤積，左右側遠處岸線侵蝕嚴重,島堤例：美國圣莫妮卡港,岸線變形,自北向南凈輸沙，島堤后形成波影區(qū)，波影區(qū)內(nèi)的波浪減弱，沿岸輸沙強度降低，形成連島沙堤,接岸堤例：美國圣巴巴拉港,防波堤上游沿岸輸沙淤積，岸線外移；下游泥沙供應不足，岸線退蝕。結果造成泥沙繞過防波堤形成沙嘴,港口選址中如何考慮岸線變形？,盡量避免在開敞性沿岸輸沙海岸建港 如不得不建，必須注意兩點： 上游側：預留備淤容量 下游側：防護沖刷侵蝕,第三節(jié) 海岸變形的計算,岸灘演變的一線模型,岸線變形