第5章 沙質(zhì)海岸的泥沙運(yùn)動(dòng)(2版)

1、第五章沙質(zhì)海岸的泥沙運(yùn)動(dòng)5. 本章總綱 5.1 概述 波浪作用下的泥沙起動(dòng) 5.2 波浪作用下的推移質(zhì)運(yùn)動(dòng) 5.3 波浪作用下的懸移質(zhì)運(yùn)動(dòng) 5.4 波流共同作用下的泥沙運(yùn)動(dòng) 5.5 近岸區(qū)泥沙運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)5.1 概述 14章：波浪、近岸流、潮波 本章(5)：沙質(zhì)海岸泥沙運(yùn)動(dòng)（無(wú)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(yùn)動(dòng)（粘性泥沙）(1)海岸泥沙的來(lái)源 泥沙：巖石的物理和化學(xué)風(fēng)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(duì)泥沙的作用 輸移、磨蝕、分選(3)海岸泥沙的運(yùn)動(dòng)方式 推移、懸移 推移質(zhì)：粒徑相對(duì)較粗的泥沙顆粒，沿床面滾動(dòng)、滑動(dòng)或作短暫

2、的躍移，運(yùn)動(dòng)速度小于流體運(yùn)動(dòng)速度 懸移質(zhì)：粒徑相對(duì)較細(xì)的泥沙顆粒，由于紊動(dòng)作用懸浮于水中，以相同速度與水體一起運(yùn)動(dòng)(4)運(yùn)動(dòng)形式隨水流強(qiáng)度的變化接觸質(zhì)：泥沙顆粒始終與床面接觸，沿床面滑動(dòng)和滾動(dòng)，數(shù)量較少躍移質(zhì)：泥沙顆粒短時(shí)間躍離床面，前進(jìn)一段距離后落回床面-推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)的主要形式 層移質(zhì)：泥沙顆粒成層移動(dòng)或滾動(dòng)懸移質(zhì)：水流中紊動(dòng)較強(qiáng)，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(zhǎng)時(shí)間懸浮于水流中前進(jìn)，不與床面接觸 水流強(qiáng)度增大(5)泥沙運(yùn)動(dòng)方式的判別 顆粒大小相同：流速較低時(shí)，以推移方式運(yùn)動(dòng)；流速較大時(shí)，以懸移方式運(yùn)動(dòng)，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(xì)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(yùn)動(dòng)變化A.深水到淺水，近底水質(zhì)點(diǎn)流速增大，泥沙起動(dòng)，作推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)B.形成沙紋，附近泥沙懸浮C.接近破波點(diǎn)，近底水質(zhì)點(diǎn)流速趨近最大，沙紋消失，泥沙層移運(yùn)動(dòng)D. 波浪破碎后，近底水質(zhì)點(diǎn)流速減小，但破碎引起的紊動(dòng)使泥沙大量懸浮(紊動(dòng)、沙紋、沿岸流輸沙)E.上爬帶，上下沖水流使泥沙層移運(yùn)動(dòng)sinhmHuTkh(7)泥沙運(yùn)動(dòng)的主要影響因素 波浪：往復(fù)的周期運(yùn)動(dòng)，泥沙往復(fù)擺動(dòng)，凈位移很小，主要起掀沙作用

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

5、動(dòng)“少量動(dòng)”-泥沙起動(dòng)判別標(biāo)準(zhǔn)(推移質(zhì))泥沙起動(dòng)的研究方法Bagnold(拜格諾): 將實(shí)驗(yàn)水槽底板設(shè)計(jì)成往復(fù)運(yùn)動(dòng)而水體不動(dòng)的特殊裝置來(lái)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(dòng)與波浪要素之間的關(guān)系無(wú)限長(zhǎng)水平床面上單沙粒的起動(dòng)受力分析無(wú)粘性泥沙的起動(dòng)臨界條件 水流作用力泥沙顆粒抵抗運(yùn)動(dòng)的力無(wú)限長(zhǎng)水平床面上單沙粒的起動(dòng)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?yàn)楣踢吔绲倪吔鐚右鸬哪Σ磷枇?，后者是因?yàn)槲矬w后部的流動(dòng)分離使得物體

6、前面的壓力大于后部，產(chǎn)生了壓力差 無(wú)限長(zhǎng)水平床面上單沙粒的起動(dòng)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(yùn)動(dòng)，不但自己要?jiǎng)?，而且還要帶動(dòng)一部分周圍流體(附加質(zhì)量)加速運(yùn)動(dòng)，因此流體對(duì)自己有一個(gè)與運(yùn)動(dòng)方向相反的作用力 泥沙顆粒質(zhì)量加速度無(wú)限長(zhǎng)水平床面上單沙粒的起動(dòng)受力分析升力(豎向)升力系數(shù)2242mLmmLuDFAC221( )2pgzuvf tt為什么會(huì)產(chǎn)生升力？請(qǐng)見(jiàn)伯努利方程：壓力項(xiàng)速度項(xiàng)只與時(shí)間有關(guān)無(wú)限長(zhǎng)水平床面上單沙粒的起動(dòng)受力分析重力(豎向，浮重)泥沙密度36sDWg無(wú)限長(zhǎng)水平床面上單沙

7、粒的起動(dòng)受力分析水流拖曳力與慣性力的相對(duì)大小32322max1611642143mmPmmmDmDmDmDCAFD duCuDFdtCCDCA0.1 22sinh()mmUHAmkh110DmmDFAPduFdt存在/2的相位差單沙粒起動(dòng)受力分析tanDmLmFWF水底摩擦系數(shù)單沙粒起動(dòng)受力分析tanDmLmFWF24tan3tanmDsLCCugD2msuMgD泥沙活動(dòng)參數(shù)cM泥沙活動(dòng)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(dòng)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(dòng)判數(shù)希爾茲參數(shù)無(wú)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(dòng)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(diǎn)流速增大，泥沙起動(dòng)形成波紋，當(dāng)床面附近的水質(zhì)點(diǎn)流速達(dá)到一定程度時(shí)，發(fā)生層移運(yùn)動(dòng)（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(dòng)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(shí)，水流對(duì)迎浪坡的沖刷力漩渦對(duì)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(duì)稱，具有平緩的迎流坡和相對(duì)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(duì)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(jì)算波浪摩阻系數(shù)fw時(shí)ds=2.5D50(沙粒阻力)1981，Nielson

10、0.50.2750.022156rmHMMA沙紋尺度注意：計(jì)算中采用有效波高H1/3876930.37 lnexp10000.75 lnrmMLAM420.34rmrHL計(jì)算波浪摩阻系數(shù)fw時(shí)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(shí)近底水流：沙粒阻力+沙紋阻力，底床粗糙度泥沙運(yùn)動(dòng)：沙紋對(duì)水流和泥沙運(yùn)動(dòng)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(jì)算穩(wěn)定流輸沙率：無(wú)因次輸沙率=(,t ), p10543ssDgDC希爾茲參數(shù) stgD=(,t )經(jīng)驗(yàn)公式=(s,D,t )0.06mmDW的概率，即 pP(FLW)(=f(P)(=f(P)(3)基于統(tǒng)計(jì)法則的愛(ài)因斯坦-布朗公式 愛(ài)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(ài)因斯坦-布朗公式在波浪運(yùn)動(dòng)中的修正 11332.524012.5tmtt dtT 準(zhǔn)穩(wěn)定流和臨界起動(dòng)航道推移質(zhì)淤積算例請(qǐng)記下待做的習(xí)

12、題習(xí)題5.3，5.9天津城建學(xué)院用紙，注明班級(jí)、學(xué)號(hào)、姓名(完整步驟)下一次周一課前，各班學(xué)習(xí)委員收齊后上交5.3 波浪作用下的懸移質(zhì)運(yùn)動(dòng)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(diǎn)軌跡與懸沙運(yùn)動(dòng)沙紋床面cosmuutsinmwwt(0, )cos() 2tHt5.3.1 水質(zhì)點(diǎn)軌跡與懸沙運(yùn)動(dòng)(0, )cos() 2tHtcosmuutsinmwwtt=0，波峰時(shí)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(shí)刻，流動(dòng)轉(zhuǎn)向u=0，垂向流速w=wm, 背流面漩渦強(qiáng)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(shí)刻，負(fù)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(yáng)機(jī)理總結(jié)1（沙紋床面上的泥沙懸揚(yáng)機(jī)理）沙紋背面的漩渦，在水流轉(zhuǎn)向時(shí)，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(dòng)轉(zhuǎn)向）5.3.2 波浪作用下懸沙濃度分布懸移質(zhì)的運(yùn)動(dòng)機(jī)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(yùn)動(dòng)速度注意：Z軸垂直向上，原點(diǎn)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(dòng)擴(kuò)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(dòng)擴(kuò)散系數(shù)顯然，求解依賴于紊動(dòng)擴(kuò)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(diǎn)濃度aS0.01(h)a為 參 考 點(diǎn) 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(diǎn) 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(biāo)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(bǔ)了R

16、ouse分布的不足*szu懸浮指標(biāo)懸浮指標(biāo)Z*的物理意義*Uz表征重力作用( )與紊動(dòng)擴(kuò)散作用( )的相對(duì)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(duì)越強(qiáng)(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(dòng)擴(kuò)散作用相對(duì)越強(qiáng)，分布越均勻(后圖)。*szu懸浮指標(biāo)s*uFig3-4Z*的另一功用：可作為推移質(zhì)進(jìn)入懸浮狀態(tài)的判別標(biāo)準(zhǔn)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(duì)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(duì)懸沙濃度的影響波浪破碎引起的強(qiáng)烈紊動(dòng)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(jìn)行輸送，因此必須考慮波流共同作用時(shí)的輸沙率請(qǐng)記下待做的習(xí)題習(xí)題5.2，5.7天津城建學(xué)院用紙，注明班級(jí)、學(xué)號(hào)、姓名(完整步驟)下一次周一課前，各班學(xué)習(xí)委員收齊后上交5.4 波流共同作用下的泥沙運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)5.5.1 泥沙的向岸離岸運(yùn)動(dòng)-橫向運(yùn)動(dòng) 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?jī)糨斠贫臣y尺度和形狀的不對(duì)稱性向岸水流形成的沙紋背面漩渦，在水流轉(zhuǎn)向時(shí)，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(yùn)動(dòng)堆積 or 沖蝕水流強(qiáng)度參數(shù) 厄塞爾數(shù)22244mmssauMMgDgD23/rUHLh17M 向岸輸移48170.048rrUMU泥沙較粗，水流強(qiáng)度較弱時(shí)，M較小，推移質(zhì)，若此時(shí)Ur較大，波浪非線性較強(qiáng)時(shí)，向岸凈輸移離岸輸移無(wú)泥沙輸移橫向凈輸沙率的計(jì)算No accepted widely70.21.15 100.13nsretrqUMMDU 體積凈輸沙率5.5.2 泥沙的沿岸運(yùn)動(dòng)影響海岸堆積地貌的發(fā)育決