粉沙質(zhì)海岸研究現(xiàn)狀

1、 中國海岸線綿長,海岸類別豐富。海岸工程中通常將海岸分為以下幾類：基巖海岸、砂(礫)質(zhì)海岸、淤泥質(zhì)海岸、生物海岸,其中砂(礫)質(zhì)海岸和淤泥質(zhì)海岸又統(tǒng)稱為平原海岸。港航工程中通常以床面泥沙的中值粒徑D50作為海岸分類的指標,早期以0.05mm為分界線,大于0.05mm的為沙質(zhì)海岸;小于0.05mm的為淤泥質(zhì)海岸。近期又進一步將床面泥沙D500.031mm的海岸稱為淤泥質(zhì)海岸, D500.125mm的海岸稱為沙質(zhì)海岸,介于0.031mm和0.125mm之間的海岸定名為粉沙質(zhì)海岸。我國漫長海岸線上散布著不少粉沙質(zhì)海岸段,如遼東、冀北、魯東、蘇北、浙東等海岸均有粉沙質(zhì)海岸段。長期以來,人們對沙質(zhì)海岸和

2、淤泥質(zhì)海岸的泥沙運動研究較多,成果豐富,工程實例也較多。但對粉砂質(zhì)海岸的泥沙運動研究較少,缺乏工程實例。以往港航建設輕易不敢涉足粉沙質(zhì)海岸區(qū),因為這類海岸床沙的活動性大,風浪作用下底沙極易起動運移,風浪減小后又極易沉積,開敞航道極易發(fā)生強淤或驟淤。粉沙定向運移在河流沖淤、堤壩、海岸碼頭、潮灘圍墾等工程中是一個非常重要的問題,特別是在海岸侵蝕方面起著決定作用。泥沙水力特性粉沙質(zhì)海岸泥沙的水力特性為起動流速小、沉降速度相對較大。根據(jù)泥沙起動曲線(圖1)可知,粉沙質(zhì)海岸泥沙處在該曲線谷部,起動流速均比泥質(zhì)海岸泥沙和沙質(zhì)海岸泥沙的起動流速小回淤特點1粉沙質(zhì)海岸的水體含沙量與風浪有關,無風時,海面平靜,

3、水體清徹,有風時,浪隨風起,水體渾濁。港口航道的回淤受風浪影響很大,無風不淤,小風小淤,大風大淤,強風強淤,狂風驟淤;2淤積物質(zhì)中既有懸移質(zhì),也有推移質(zhì),兩者均不可忽視; 3在同樣風浪作用下,粉沙質(zhì)海岸港航的淤積要比淤泥質(zhì)海岸和沙質(zhì)海岸港航的淤積嚴重,這是由粉沙質(zhì)海岸泥沙易揚易沉特性所決定4粉沙質(zhì)海岸的回淤量年際變化幅度大于淤泥質(zhì)海岸和沙質(zhì)海岸的年際變化幅度,后兩者的變化幅度是年平均回淤量的35%左右,而粉沙質(zhì)海岸回淤量年際變化幅度可達年平均回淤量的50%以上5;5粉沙質(zhì)海岸開敞航道易發(fā)生驟淤,一次年最大風的回淤量可達到年均回淤量的一半5;6粉沙質(zhì)海岸港航的施工回淤量遠比淤泥質(zhì)海岸和沙質(zhì)海岸港

4、航的施工回淤量大;7粉沙易板結(jié),因此粉沙質(zhì)海岸開敝航道發(fā)生強淤和驟淤后應立即清淤,以免粉沙板結(jié)增加清淤的困難。由上述回淤特點可知,粉沙質(zhì)海岸的泥沙運動和泥沙回淤是港航建設中的關鍵,必須在設計和施工時給以充分的重視。粉沙的運移形態(tài)粉沙質(zhì)海岸泥沙有三種運移形態(tài),即懸移質(zhì)、推移質(zhì)和臨底高濃度含沙層。4.1懸移質(zhì)在粉沙質(zhì)海岸上,波浪掀沙、潮流輸沙仍是該海岸泥沙運移組成的重要方式與主要過程.在一般天氣條件下,粉沙質(zhì)海岸泥沙運動仍然以懸移質(zhì)運動為主。懸移質(zhì)泥沙在水流中運移極不規(guī)則,時而上浮,時而下沉,總體上是隨流運移,其運移方向和速度與水流的方向和速度一致。懸移質(zhì)能在水中隨流做長距離運移。4.2推移質(zhì)粉沙

5、質(zhì)海岸波浪作用下泥沙中的粗顆粒部分將形成推移質(zhì)。推移質(zhì)運動的主要特點是與床面接觸,運動的方式有滾動、跳躍、滑移等多種方式。目前多用推移質(zhì)輸沙率來表示推移質(zhì)泥沙運動的數(shù)量.4.3臨底部高濃度含沙水體層臨底部的高濃度含沙層是粉沙質(zhì)海岸上在大風天氣下特有的一種泥沙運移形態(tài),存在于懸移質(zhì)和推移質(zhì)之間的鄰近床面水體中,是懸移質(zhì)與推移質(zhì)的過渡區(qū),上面與懸移質(zhì)平滑過渡,無明確分界線,下面與床面為界,與推移質(zhì)泥沙頻繁交換。臨底部的高濃度含沙層按運移特點來分析屬于懸移質(zhì),是上部水體懸移質(zhì)的一部分。由于粉沙起動流速小,沉降速度大,容易沉積,因此沉聚在下部形成濃度高、厚度小、對航道淤積有重要影響的特殊懸移質(zhì)。臨底部

6、的高濃度含沙層很不穩(wěn)定,在水動力增加時,易轉(zhuǎn)化為懸移質(zhì),在水動力減弱時,又易轉(zhuǎn)化為推移質(zhì).與懸移質(zhì)和推移質(zhì)的稱呼相對應,臨底部的高濃度含沙層被不同學者分別命名為“底移質(zhì)”、“流移質(zhì)”、“混移質(zhì)”、“躍移質(zhì)”、“層移質(zhì)”等.粉沙的運動規(guī)律研究目前,眾多學者采用理論推導、現(xiàn)場實測資料統(tǒng)計分析、試驗室試驗等多種手段對粉沙的運動規(guī)律進行了研究,包括:輸沙率及其公式研究、粉沙液化機理研究、波浪作用下沙波的運動速度和床面底沙輸移研究、挾沙力研究、床面剪切力研究、推懸比(推移質(zhì)輸沙率與懸移質(zhì)輸沙率)研究、臨底高濃度含沙水體層輸沙率研究、水流、波浪及波流共同作用下的泥沙起動研究(起動公式、起動水深和起動波高研

7、究、波浪作用下懸移質(zhì)含沙量的垂線分布規(guī)律、臨底高濃度含沙水體的高度及該層中的水體運移速度研究、臨底高濃度含沙水體流速與含沙量的關系研究、往復流作用下粉沙的起懸和沉降過程研究、波流共同作用下泥沙擴散系數(shù)沿垂線分布研究、波流共同作用下泥沙垂線分布研究、破碎波作用下粉沙懸移質(zhì)濃度垂向分布實驗研究，等等。這些粉沙運動規(guī)律的研究為泥沙淤積研究和工程應用奠定了基礎。粉沙淤泥質(zhì)海岸研究方法與進展粉沙淤泥質(zhì)海岸岸灘的現(xiàn)代演變過程主要是波浪、潮流等海水動力和入海河流的供水、供沙以及岸灘沉積地貌諸自然因素相互作用的結(jié)果。目前，對于淤泥質(zhì)海岸研究已經(jīng)提出了相當多的計算方法和公式10-12，而粉沙淤泥質(zhì)岸灘的數(shù)值研究

8、較之淤泥質(zhì)海岸、沙質(zhì)海岸, 無論在觀測手段或研究深度上尚屬探索階段。其數(shù)值研究目前大致分為兩種方法, 即數(shù)學模型和泥沙模型。數(shù)學模型的方法是根據(jù)岸灘剖面的形態(tài)擬合出函數(shù)關系, 然后采用數(shù)值逼近的手段來研究,如趨勢面方法。泥沙模型亦可分為二維和三維, 其基本作法是由水流的連續(xù)方程、動量守恒方程, 以及泥沙連續(xù)方程, 根據(jù)一定的初邊界條件進行求解。如王尚毅(1990)、曹祖德和王運洪(1992)、竇國仁(1996)、Fredsoe 等(1985)13在此方面均有所研究。粉沙質(zhì)海岸泥沙定向運移控制初步研究（馬利柱2004）研究區(qū)海域調(diào)查(l)海域潮、流基本特征調(diào)查布置一個驗潮點,三個測流站;(2)海

9、域水沙調(diào)查布置三個懸浮體采集站;(3)海域底質(zhì)調(diào)查布置32個表層取樣點;(4)海域壩址區(qū)工程地質(zhì)調(diào)查布置兩個柱狀樣采集區(qū),兩個原位靜力觸探試驗和18個微型貫入試驗點;(5)海域高精度高程控制布置1:500地形圖測區(qū)(范圍500m*4OOm)?，F(xiàn)場試驗監(jiān)測(l)試驗過程中水沙監(jiān)測;(2)試驗過程淤積高精度控制測量,每三天一次,在堤壩區(qū)建立三條剖面,必要的話用高精度水準儀控制剖面;開展工作：在研究區(qū)的300mX300m的范圍內(nèi)我們采取了32個表層樣, 每個樣品量均超過Ikg,然后將所有的懸浮體樣品進行粒度分析。所用儀器為英國Ma1Vern公司生產(chǎn)的Mastersizer2000型激光粒度儀。在研究

10、區(qū)壩址附近進行了靜力觸探試驗CPTZ個和垂直岸線方向布置完成微型貫入試驗孔18個,孔距10米.研究區(qū)研究程度較低,為研究該區(qū)的潮汐情況,我們分別于2003年7月30一31日、8月3一4日和8月6一7日進行了周日潮位觀測和三個站位的周日海流觀測,潮位觀測采用水尺人工讀數(shù),讀數(shù)間隔20分鐘;海流觀測采用儀器型號為青島海洋大學產(chǎn)的SLC9一2A型直讀式海流計,測量范圍流速0.033.5m/s,準確度成士1.50%,流向0360,準確度士4水體含沙率分別于2003年7月30一31日、8月3一4日和8月6一7日進行了三個站位的周日海流觀測和表層與底層的懸浮體取樣,;觀測站位的坐標如下表所示。粉沙質(zhì)海岸的

11、水體含沙量與風浪、潮汐有關,無風時,海面平靜,水體清徹,有風時,浪隨風起,水體渾濁。粉沙在波浪、潮流的作用下懸揚,在底部形成高濃度含沙水體,隨水流運移,呈懸移狀態(tài),當水動力進一步加強時,在全部水體中懸浮,出現(xiàn)“沙云”現(xiàn)象,一旦水體平靜,懸浮的粉沙很快沉積于海底。本區(qū)懸沙主要由粗粉沙組成,但其含量很小。風浪和海流等動力作用將起動和攜帶泥沙向不同方向運移,根據(jù)潮流特征,由于余流流速約為潮流速的10一20%,因此泥沙總體上將保持定向運移的特點,并能對泥沙起到長距離搬運的作用,并造成海底的沖淤變化。趙群（黃驊港驟淤機理的分析以及波浪作用下近岸含沙量場的三維特性）通過對遙感衛(wèi)片、現(xiàn)場實測和室內(nèi)實驗的綜合

12、分析,認為,在波浪作用下,泥沙運動存在明顯的三維特征。底層含沙量受波高控制,在波浪破碎以前達到最大,表層含沙量與底層含沙量不存在一一對應關系。因此,應謹慎對待采用遙感衛(wèi)片和二維數(shù)值模型得到的計算結(jié)果。黃驊港外航道淤強分布與波浪破碎帶呈很好的對應關系,因此,黃驊港外航道的驟淤問題受波浪控制,波浪是黃驊港海域泥沙運動的主要動力條件。國外將粉沙淤泥統(tǒng)稱為silt。因此沒有專門針對粉沙的研究。Observations on silt and sand transport in the throat section of the Frisian Inlet（2004）將silt定義為粒度在53m一下，研究區(qū)域為丹麥弗里斯蘭入口在觀測點位置防止?jié)岫葍x測粉沙淤泥濃度 用ASTM測懸浮泥沙濃度。山東半島地區(qū)以