第十章-泥沙运动

第十章泥沙运动§10—1海岸泥沙运动一.海岸泥沙的分类与运移形态1.按泥沙颗粒大小分级名称粘土软泥粉土砂砾石卵石漂石块石粒径(mm)0.0050.005-0.010.01-0.050.05-2.02.0-2020-100100～10001000泥沙颗粒的分级2.按泥沙运移形态分类◆悬移质泥沙在动水中泥沙颗粒处于悬浮状态◆半悬移质泥沙泥沙沿底部向前移动。◆推移质泥沙受水流的推动而滚动或滑动。◆流移质泥沙流动性很大，与液体一样，不能停留在坡面上，称之为流移质。二、海浪浅水变形◆平均水位以上半波振幅增加◆水质点向岸最大流速增加◆波峰历时减少（水质点向岸流的时间减少）◆波谷历时增加（水质点离岸流的时间增加）◆产生海底回流三、沙粒的横向运动和纵向运动1.海底水质点的流速变化水质点流速随水深变浅的变化特征：(1)向岸最大流速相对比向海最大流速快；(2)向海流动时间相对较长；原因：随水深变浅，波结构发生变化，波峰与波峰之间的距离加大，波峰历时小于波谷历时。2.泥沙横向运动v2是泥沙悬浮流速（1）运动分析ac时间内将向岸移动df时间内将向海移动def＞abc，泥沙向海迁移def＜abc，泥沙向岸移动abc=def，泥沙在原地振荡中和线泥沙原地振荡水深点的连线（2）形成平衡剖面中和线处形成凹沟，淘深海底；凹沟以上发生淤积，坡度变缓；凹沟以下发生淤积，坡度变陡；最终形成平衡剖面。海滩剖面特征（1）外滩（inshore）：位于破波点到低潮位岸线之间的区域，属于潮下带。（2）前滩（foreshore）：位于低潮位岸线与高潮时波浪上涌水流达到的最高点（亦即滩肩边缘）之间的区域，相当于潮间带。（3）后滩（backshore）：位于前滩和海岸线之间的区域，属于潮上带海滩剖面变化※沙坝剖面（风暴剖面）※滩肩剖面（常浪剖面）3.泥沙的纵向运动（1）在非平衡剖面上（2）在岸边海岸的自然形态，主要受制于海岸泥沙运动，而海岸泥沙运动又受制于三大要素，即海岸动力（浪、潮、流等），泥沙因素（包括泥沙来源和泥沙特性）和工程环境。通常海岸泥沙来源主要有：★河流入海泥沙★海岸海滩及岛屿侵蚀泥沙★海岸生物残骸形成的泥沙（如贝壳）★在沙漠沿海，风沙也是海岸泥沙的一个来源。§10—2海岸泥沙来源一、海岸泥沙来源•河流入海泥沙众所周知，河流泥沙主要来自陆地土壤侵蚀。全世界的土壤侵蚀面积约2500万平方公里，其中1/4~1/3的表土层侵蚀严重，每年约有600亿吨表土被冲刷，入海泥沙约170亿吨。一、海岸泥沙来源我国水力侵蚀显著的面积约150万平方公里（也有统计为179万平方公里），主要集中在长江、黄河、淮河、珠江、海河、松花江和辽河流域，入海泥沙年平均19.4亿吨，其中长江5.2亿吨。一、海岸泥沙来源•岸滩及岛屿侵蚀泥沙在天然情况下，海岸、海滩和岛屿都是在历史的长河中形成的，多数是处在冲淤相对平衡稳定状态，少数处于淤积或侵蚀状态。如我国苏北的废黄河口岸滩，1855年黄河改道由山东入海后，这里的岸滩即由淤涨转向侵蚀，侵蚀下来的泥沙构成邻近岸段的泥沙来源。一、海岸泥沙来源这种侵蚀对邻近岸段提供的泥沙来源，随着时间的推移，将会逐渐减小。这是因为海岸动力与岸滩地貌的相互作用逐渐趋于平衡之故。我国连云港回淤减轻的趋势，除与一些工程措施有关以外，还与废黄河口岸滩侵蚀对这里提供的泥沙来源逐渐减少有关。一、海岸泥沙来源•海生物残骸形成的泥沙生物残骸形成的泥沙，以前很少引起人们的注意。建国以来，我国的海岸地貌工作者，在渤海湾沿岸和苏北延岸进行了多次海岸地貌调查，在陆地沿岸发现一条条堆积相当高而且与海岸走向基本平行的贝壳堤。一、海岸泥沙来源贝壳堤的发现除了帮助确定历史上海岸水边线位置和岸线的演变趋势外，同时也告诉人们海生物残骸在某些海岸带形成的海岸泥沙，其数量也是可观。在苏北小丁港岸段潮向带，这里的岸滩泥沙中贝壳沙占有相当比例，当地不少农民挖取这里的海沙作为鸡饲料的掺合料。一、海岸泥沙来源•风沙二、海岸工程中的泥沙问题海岸工程中涉及的泥沙问题，概括起来是两个方面：防淤减淤和防冲促淤。不论是前者或是后者，都与泥沙运动相关连，也即与不同泥沙组成和不同海岸类型有关。因此，涉及工程泥沙问题时，需对工程所在场所的海岸类别进行调查研究。二、海岸工程中的泥沙问题•海岸分类根据泥沙组成不同，海岸可以分为如下三类：（1）、淤泥质海岸。我们把底沙泥沙粒径D＜0.03mm时的海岸（在工程上范围略大，即D＜0.05mm。称为淤泥质海岸。粒径小于0.03mm时，泥沙颗粒间具有很强的粘结力，淤泥质平原海岸在海水呈现絮凝现象，是这种泥沙的主要特征，其它还有海滩坡度（1：500~1：2000），悬沙移质垂线分布比较均匀等，也是淤泥质海岸泥沙运动的重要特征。这类海岸多分布在挟带细颗粒泥沙入海的大河口附近或水动力较弱的海岸。二、海岸工程中的泥沙问题二、海岸工程中的泥沙问题(2)、沙质海岸。粒径范围0.05mm＜D≤2.0mm，海滩坡度较陡的泥沙，颗粒间的粘结作用渐小，海水中不再出现絮凝现象；易于悬浮，也易于落淤；常称这类海岸海岸为粉沙质海岸。至于粒径0.6mm＜D≤2.0mm的粗砂海岸，则需在海岸动力较强时，泥沙始处于运动状态。沙质平原海岸这类海岸，一般分布在海岸动力较强，没有河流入海或者挟沙量小的中小河口附近。顺便提一下，若淤泥质海岸的泥沙来源中断（如黄河原由江苏入海，后改道山东入海），在海岸动力的分选作用下，泥沙将出现粗化，有的岸段就会向粉沙质海岸过渡。二、海岸工程中的泥沙问题二、海岸工程中的泥沙问题（3）、砾卵石海岸。泥沙粒径＞2.0mm。在一般海岸动力条件下，泥沙运动轻微，仅在暴风浪时，才显运动。由于坡度陡，泥沙运动范围窄。这类海岸多为当地山岩风化破碎或人工来石的结果。在以上三大类海岸中，淤泥质海岸和沙质海岸（包括粉沙质海岸）占有很大比重，也是海岸工程泥沙问题集中的场所，因此也就自然成为研究的重点。砾石海岸二、海岸工程中的泥沙问题•海岸工程中的防淤减淤问题建设在沿海浅水海域的海岸工程，许多对防淤减淤有很高的要求。例如海岸港口及其进港航道，如果回淤严重，不仅在水深维护方面需投入巨额资金，而且对海轮的安全靠泊和航行造成困难，使港口信誉在国际上受损。二、海岸工程中的泥沙问题又如海滨核电站及燃煤（油）电站的取排水口，若发生淤积，则可能出现大的事故，造成不可挽回的损失。其他，还有海滨工业设施，挡潮闸设施，海水利用，潮汐电站以及海滨浴场等，都需要防止发生泥沙淤积，否则，各项工程将不可能正常发挥它们的功能。二、海岸工程中的泥沙问题•海岸工程中的防冲促淤问题与防淤减淤相对应的另一种海岸工程，则要求防冲促淤，以达到工程建设的目的。例如，在海上修建人工岛，防波堤以及墩柱孤立建筑物等，如果他们的海床基础遭受冲刷，严重时工程的局部直至整体将回倒塌。二、海岸工程中的泥沙问题又如，沙质海岸的正常沿岸输沙，若受到突堤式建筑物拦截，则在建筑物上游出现淤积的同时，下游岸线将出现冲刷，严重时，也将危及下游陆上工程和农田的安全。淤泥质海岸丁坝引起的淤积区和冲刷区淤泥质海岸离岸堤促淤情况沙质海岸突堤引起的淤积区和冲刷区沙质海岸离岸堤促淤的沙嘴发育情况离岸顺坝二、海岸工程中的泥沙问题还有，海涂围垦工程，除围堤的基脚需防止冲刷外，围堤内的浅水滩地则需通过促淤，以提高滩面高程，节约围垦投资。所有这些都是海岸工程中防冲促淤的典型例子。二、海岸工程中的泥沙问题研究海岸工程中的泥沙问题，首先要掌握海岸在自然条件下的变化规律。一般情况下，无论是淤泥质海岸还是沙质海岸，它们基本属于下述三种状态：即相对稳定平衡（或准稳定平衡）海岸、侵蚀性海岸和淤涨型海岸。对于要求防淤减淤的工程，场所不易选在淤涨型海岸。侵蚀性海岸是否合适？也需具体分析。二、海岸工程中的泥沙问题对于防冲促淤工程，淤涨型海岸较为有利，但侵蚀性海岸是防冲促淤的重点，也是海岸防护的重点。通常修建海岸工程后，原来自然状态下的海岸泥沙运动规律，将会出现新的变化。二、海岸工程中的泥沙问题因此，海岸工程泥沙的研究除了掌握完整的现场水文、泥沙及地形演变资料外，更重要的是从复杂的自然现象中，结合工程的防淤减淤或防冲促淤要求，找出主要矛盾，通过不同研究途径，掌握修建工程后海岸泥沙冲、淤规律的新变化，力图达到防淤减淤或防冲促淤的目的。二、海岸工程中的泥沙问题实践表明，凡是经过扎实科研之后的工程方案，都能获得较好的预期效果。反之，忽视必要的研究和试验，往往带来巨大的损失和失败。国内外都不乏这方面的典型事例和经验教训。海岸泥沙运动在天然情况下，海岸泥沙运动主要受制于两种动力要素，即波浪和潮流（包括它们的派生水流，如：传质水流、沿岸流、裂流、沿堤流以及余流。在入海河口附近的海岸，泥沙运动还受到河流及其盐淡水混合的影响。近岸潮流，除局部海区――海峡，潮汐通道，潮汐汊道，海湾的湾口以及涌潮等海域表现较强外，其他海区往往表现较弱。因为潮流属于长周期变化性质，它对泥沙运动的作用，人们常利用泥沙运动规律予以近似描述，但波浪则不同，它在近岸海区的一系列运动特性，决定了它对海岸泥沙运动的某些不同规律。波浪掀沙，潮流输沙§10—3海洋平台基础的底部淘刷一、沙粒运动的几个阶段a.层流,颗粒静止；b.流速↑→紊流，个别颗粒发生周期性震动；c.流速↑↑→紊流↑→泥沙颗粒与底部失去接触，发生前后移动hshgHnv4maxmaxv二、海底最大流速公式n=1.38；H-波高；h-水深；-波长；-海底的最大流速。三、启动流速公式40.4150500.069810()()cvgdd50lg222.0245.0dm50d0＞0.2mm时，m-组成床面泥沙的最大隙比-启动时床面泥沙隙比150d-泥沙容重-水的容重-平均直径四、应用举例一个独腿的海洋石油平台，在水深D＝21m的海域坐底作业，试计算建筑物的基础附近，海底泥沙d50＝0.01mm的起动流速。如遇五十年一遇的设计风暴(H＝9m；L＝135m；T＝10s)试计算波浪冲刷作用的最大深度。50hshgHnv4max2max224vgHnhsh22272.0135938.157.12ghshh=52.75（m）五、防止海洋平台基础的底部淘刷的方法1.用覆盖物来保护原来的海底①在基础周围投放石子②在基础周围投放装满砂子、卵石或石块的袋子③安装裙板2.减小水流的速度使用防冲刷网、成层沉积装置等3.改变水流方向把水下结构物做成流线型，防止形成旋涡