第五章-沙质海岸的泥沙运动

第五章沙质海岸的泥沙运动————《海岸动力学》目录第一节概述第二节波浪作用下的推移质运动第三节波浪作用下的悬移质运动第四节波流共同作用下的泥沙运动第五节近岸区泥沙运动特点及沿岸输沙率第一节概述章节导读：无粘性泥沙的运动规律（动力因素）波导近岸流波浪海岸粘性泥沙组成的淤泥质海岸无粘性泥沙组成的沙质（包括卵石）海岸河流挟带的泥沙颗粒海岸沉积物组成邻近海岸上的沙丘带来的泥沙邻近海蚀崖的碎片、残骸第一节概述典型的海岸带剖面了解泥沙运动方式的沿程变化第一节概述泥沙运动方式沿程变化泥沙运动方式的沿程变化深水：底部v水=0→床面泥沙静止浅水：底部v水增大，破波点达到max•泥沙启动，床面泥沙作推移质运动•沙纹形成，附近泥沙悬浮•沙文消失，发生泥沙层移运动第一节概述波浪运动泥沙可分为推移质和泥沙质☆沙质海岸泥沙运动不仅与波浪的水质点往复运动有关，还与波导近岸流、潮流、潮汐水面变化，风和波浪引起的增水、床面地形等因素有关第一节概述净输沙定量计算近岸区输沙率两个方向分量•沿岸输沙：预测海滩长期变化、大规模海岸变形的主要因素•向岸—离岸泥沙搬运：控制海滩剖面短期变化的主要因素第二节波浪作用下的推移质运动一、波浪作用下的泥沙起动临界判数1（“少量动”&“普通动”）与单向水流比，波浪水流的特点：•为振动水流，作用力有水流的拖曳力、水流加速度引起的附加质量力。后者小很多；•沿水深的分布由势流运动方程决定，床面附近有一层薄薄的边界层。无粘性颗粒在波浪作用下的起动临界条件可以根据波浪水流对泥沙的拖曳力和泥沙自重产生的稳定力相互平衡的关系来确定。第二节波浪作用下的推移质运动D≤0.5mm底部边界层为层流D＞0.5mm底部边界层为紊流水质点轨迹速度最大值与轨迹半径的关系M=泥沙起动驱动力/重力引起的稳定力=泥沙在波浪作用下的最大水平拖曳力：Tm=kτmD2=k1ρfwum2D2第二节波浪作用下的推移质运动不同周期情况下泥沙起动时的近底轨迹速度最大值第二节波浪作用下的推移质运动T=15s时不同粒径泥沙在不同水深条件下起动时的波高泥沙移动的界限水深波浪由深入浅，近底水质点速度越来越大，对床面的切应力也越来越大，开始发生运动的水深就是界限水深不同粒径泥沙在不同波高时的泥沙移动界限水深hr：第二节波浪作用下的推移质运动判数2：无因次床面剪切力表示的希尔兹参数稳定希尔兹曲线和振荡流实验结果的比较波浪中水质点速度随时间变化，因而对泥沙起动起控制作用的是其床面切应力的最大值ψm=τm/(ρs-ρ)gD=fwρum2/(ρs-ρ)gD=fwM/2临界值：ψc=f(uw*D/ν)ψmc=f(S*)ψ＞ψmc泥沙运动ψ＜ψmc泥沙静止第二节波浪作用下的推移质运动二、推移质输沙率(如何从稳定流公式中获得振荡流输沙公式)•爱因斯坦—布朗公式的推广•爱因斯坦假定——建立无因次输沙率Φ与希尔兹参数ψ的关系•准稳定流模型•仅考虑沙粒阻力——引起表面沙粒运动推移的主要因素•实质：假定推移质泥沙运动与瞬时振荡流条件同步，忽略泥沙惯性力•拜格诺能量输沙模型第二节波浪作用下的推移质运动二、推移质输沙率(如何从稳定流公式中获得振荡流输沙公式)第二节波浪作用下的推移质运动三.沙纹形成及尺度———英曼沙纹分区1.残留沙纹（M＜Mc）的深水区，结构残缺不全；2.漩涡沙纹（0＜M＜40），沙纹发展主要阶段，沙纹高度η和波长λ均增大，陡度（η/λ≈0.15）保持常数；3.过度沙纹（40＜M＜240），沙纹逐渐消失，波长不变；4.沙纹消失（M≥240），泥沙过渡到平坦床面，作层移运动第二节波浪作用下的推移质运动沙纹尺度的试验曲线a)沙纹的相对波长λ/D与相对位移振幅的关系曲线b)沙纹相对高度η/D与相对位移真服的关系曲线——(Morgridge&Kamphais)第二节波浪作用下的推移质运动沙纹阻力沙纹对水流的影响通常反映在粗糙度中粗糙度计算：r=25Hr2/Lr————Swart仅在沙纹陡度为最大（η/λ=0.15）时，粗糙度r才等于沙纹高度的4倍，沙纹陡度较小时，粗糙度小于4η床面对水流的阻力组成：沙粒阻力：水流过泥沙颗粒时形成；沙纹阻力：水流越过沙纹顶峰，水流与床面分离，形成漩涡产生对水流的附加阻力第三节波浪作用下的悬移质运动一.沙纹床面上的悬沙运动σt=±90o，流速转向；σt=0o和180o，流速最大值•沙纹峰顶位置上含沙量峰值出现在-90o和+90o;•两相位之间较小的沙峰数量取决于水质点轨迹直径d0与沙纹波长Lr.第三节波浪作用下的悬移质运动二.波浪作用下悬沙浓度分布•引起泥沙悬浮的动力是水流的紊动；•波浪水体内紊动的两个来源：表面波的破碎、近底波浪水流在沙纹背后形成的漩涡以及其跃起与分解•垂直向上的泥沙通量是由垂向紊动扩散作用引起；•只要泥沙浓度随着离床面距离的增加而减小，存在浓度梯度dS/dz,则水流紊动掺混作用总是将泥沙从高浓度区向低浓度区扩散•含沙量：单位水体内含有的悬浮泥沙的质量，km/m3第三节波浪作用下的悬移质运动二.波浪作用下悬沙浓度分布均匀稳定流条件下，泥沙连续方程简化成扩散方程：进行波周期平均：—适于破波带内泥沙悬浮修正改造：确定泥沙分布的关键：参考浓度、泥沙扩散系数——尼尔森，1990第三节波浪作用下的悬移质运动二.波浪作用下悬沙浓度分布——尼尔森，1984；Fairchild，1977第四节波流共同作用下的泥沙运动一.波流共同作用下的床面摩阻力一般情况：波浪掀沙，水流搬运泥沙，但挡水流较强时，需考虑波浪与水流共同掀沙作用；一般输沙率公式：输沙率=“载沙量”×νc水流向平均底部剪切应力：1时：波流方向一致时，摩阻系数fwc：波流夹角为θ时边界层顶部瞬时流速：瞬时床面剪切应力：X方向瞬时床面剪切应力：X方向平均剪切应力：k1很小时第四节波流共同作用下的泥沙运动一.波流共同作用下的床面摩阻力波流共同作用下的床面剪切应力计算模型（贝克尔，1967）载沙量中切应力：波浪瞬时剪切应力τw(t)、摩阻流速uw*(t)波流夹角θ时：基于普罗特混合长度理论的贝克尔模型：第四节波流共同作用下的泥沙运动一.波流共同作用下的床面摩阻力推移质单宽输沙率：悬移质输沙率：全沙输沙率：第四节波流共同作用下的泥沙运动二、波流共同作用时的输沙率第四节波流共同作用下的泥沙运动二、波流共同作用时的输沙率A值的计算图第五节近岸区泥沙运动特点及沿岸输沙率一、泥沙的向岸-离岸运动泥沙近岸运动横向运动：波浪水质点运动引起沿岸运动：取决于波导沿岸流横向方向决定了海滩剖面变化趋势d0(3λ-5λ)：•漩涡强度大，沙文波长较大；•沙云局限于一个波长内•沙云向离岸方向搬运，在重力作用下沉降。d0(3λ-5λ)•沙纹尺度小，漩涡强度弱；•沙云沿向岸方向搬运沉积。推移质悬移质第五节近岸区泥沙运动特点及沿岸输沙率一、泥沙的向岸-离岸运动控制横向净输沙的大小和方向的主要因素：•水深变浅引起的波浪不对称；•沙纹尺度和沙纹形状不对称；•局部底坡厄塞尔数定义近岸区向岸—离岸方向净输沙率公式第五节近岸区泥沙运动特点及沿岸输沙率一、泥沙的向岸-离岸运动横向净输沙方向与Ur和M’的关系一、沿岸输沙率第五节近岸区泥沙运动特点及沿岸输沙率主要计算方法：波能流法•CERC公式：Il=0.77Pl一、沿岸输沙率第五节近岸区泥沙运动特点及沿岸输沙率•我国《海港水文规范》•Kamphuis,1986•拜格诺能量模型•海滩横截面沿岸输沙率床面波浪应力、沿岸流和沿岸输沙率的横向分布