第5章 沙质海岸的泥沙运动(2版)

1、第五章沙质海岸的泥沙运动5. 本章总纲 5.1 概述 波浪作用下的泥沙起动 5.2 波浪作用下的推移质运动 5.3 波浪作用下的悬移质运动 5.4 波流共同作用下的泥沙运动 5.5 近岸区泥沙运动特点5.1 概述 14章：波浪、近岸流、潮波 本章(5)：沙质海岸泥沙运动（无粘性泥沙） 第六章：沙质岸滩演变 第七章：淤泥质海岸泥沙运动（粘性泥沙）(1)海岸泥沙的来源 泥沙：岩石的物理和化学风化作用形成的碎屑物 入海河流挟沙 海岸受冲刷侵蚀 海洋生物残骸碎 其它(2)波浪水流对泥沙的作用 输移、磨蚀、分选(3)海岸泥沙的运动方式 推移、悬移 推移质：粒径相对较粗的泥沙颗粒，沿床面滚动、滑动或作短暂

2、的跃移，运动速度小于流体运动速度 悬移质：粒径相对较细的泥沙颗粒，由于紊动作用悬浮于水中，以相同速度与水体一起运动(4)运动形式随水流强度的变化接触质：泥沙颗粒始终与床面接触，沿床面滑动和滚动，数量较少跃移质：泥沙颗粒短时间跃离床面，前进一段距离后落回床面-推移质运动的主要形式 层移质：泥沙颗粒成层移动或滚动悬移质：水流中紊动较强，充满了大小不同的漩涡，漩涡尺寸大于泥沙粒径，漩涡向上分速大于泥沙沉速，泥沙颗粒长时间悬浮于水流中前进，不与床面接触 水流强度增大(5)泥沙运动方式的判别 颗粒大小相同：流速较低时，以推移方式运动；流速较大时，以悬移方式运动，介于两者之间以跃移为主 颗粒大小不同：较粗

3、颗粒以推移为主，较细颗粒以悬移为主*1.0,1.01.7,1.7,wwwuuu推移质为主兼而有之悬移质为主43sDgDCs=波浪摩阻流速波浪摩阻流速泥沙沉速泥沙沉速*mwu=阻力系数(6)沙质海岸泥沙横向运动变化A.深水到浅水，近底水质点流速增大，泥沙起动，作推移质运动B.形成沙纹，附近泥沙悬浮C.接近破波点，近底水质点流速趋近最大，沙纹消失，泥沙层移运动D. 波浪破碎后，近底水质点流速减小，但破碎引起的紊动使泥沙大量悬浮(紊动、沙纹、沿岸流输沙)E.上爬带，上下冲水流使泥沙层移运动sinhmHuTkh(7)泥沙运动的主要影响因素 波浪：往复的周期运动，泥沙往复摆动，净位移很小，主要起掀沙作用

4、 水流：近岸流、潮流、风吹流，单向运动，主要起输沙作用 水位：主要对波浪和流的运动特性产生影响，间接影响泥沙运动（如破波带内外的增减水）(8)泥沙运动研究的工程应用预测岸滩演变沿岸方向输沙率向岸离岸方向输沙率计算近岸区的输沙率港址选择及工程安全请记下待做的习题习题5.1天津城建学院用纸，注明班级、学号、姓名(完整步骤)下一次周一课前，各班学习委员收齐后上交5.2 波浪作用下的推移质运动 5.2.1 波浪作用下的泥沙起动判断 5.2.2 推移质输沙率的计算5.2.1 波浪作用下的泥沙起动 不动起动沙纹层移泥沙起动的标准少量动：一些突出于床面的颗粒开始运动(临界起动)普遍动：床面上所有泥沙都开始运

5、动“少量动”-泥沙起动判别标准(推移质)泥沙起动的研究方法Bagnold(拜格诺): 将实验水槽底板设计成往复运动而水体不动的特殊装置来研究Hallermier:参考单向稳定水流的希尔兹曲线，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状态推算泥沙起动与波浪要素之间的关系无限长水平床面上单沙粒的起动受力分析无粘性泥沙的起动临界条件 水流作用力泥沙颗粒抵抗运动的力无限长水平床面上单沙粒的起动受力分析水流拖曳力(水平)2242mDmmDuDFAC阻力系数粘性流体中水流拖曳力包括沙粒表面摩擦阻力和形状阻力两部分，前者是因为固边界的边界层引起的摩擦阻力，后者是因为物体后部的流动分离使得物体

6、前面的压力大于后部，产生了压力差 无限长水平床面上单沙粒的起动受力分析惯性力(水平)：F=ma332max1166PmmmmD duDFCCAdt附加质量系数闭着眼睛假想：流体静止，自己在水中游泳，加速运动，不但自己要动，而且还要带动一部分周围流体(附加质量)加速运动，因此流体对自己有一个与运动方向相反的作用力 泥沙颗粒质量加速度无限长水平床面上单沙粒的起动受力分析升力(竖向)升力系数2242mLmmLuDFAC221( )2pgzuvf tt为什么会产生升力？请见伯努利方程：压力项速度项只与时间有关无限长水平床面上单沙粒的起动受力分析重力(竖向，浮重)泥沙密度36sDWg无限长水平床面上单沙

7、粒的起动受力分析水流拖曳力与惯性力的相对大小32322max1611642143mmPmmmDmDmDmDCAFD duCuDFdtCCDCA0.1 22sinh()mmUHAmkh110DmmDFAPduFdt存在/2的相位差单沙粒起动受力分析tanDmLmFWF水底摩擦系数单沙粒起动受力分析tanDmLmFWF24tan3tanmDsLCCugD2msuMgD泥沙活动参数cM泥沙活动参数临界值1 220.21,0.5mcAMDmmD1 420.463,0.5mcAMDmmD层流边界层 紊流边界层 Komar and Miller(1975)图5-2 2mmTuAmuDcMM泥沙活动参数临界

8、值T=15s Komar and Miller(1975)图5-2 图5-3 sinh()mHuTkhHhmuD另一泥沙起动判数希尔兹参数无因次床面剪切力底部剪切力泥沙稳定力*,mcAu DfD*mwu=*mwuu24tan3tanmsDLuCMgDC24t12an3tanmsDLmwf MgDCC临界希尔兹参数临界希尔兹参数*1/ 4SDsgD泥沙流体参数临界希尔兹参数C0.05Cwavess泥沙起动之判断算例5.2.2 推移质特殊现象-沙纹随着水深变浅，床面附近水质点流速增大，泥沙起动形成波纹，当床面附近的水质点流速达到一定程度时，发生层移运动（平整-沙纹-平整）沙纹的发展沙纹的形成近底层

9、水流不稳定性的产物（？No one know）沙纹的维持沙纹顶部的流动分离使得沙纹顶峰背后（背流坡）形成漩涡，漩涡水流产生向上的剪切应力，维持沙纹的形态沙纹的消失水流速度足够大时，水流对迎浪坡的冲刷力漩涡对背流坡的维持力Ripple稳定流沙纹和波导沙纹比较流导沙纹纵剖面不对称，具有平缓的迎流坡和相对陡峭的背流坡稳定流沙纹和波导沙纹比较波流联合沙纹波导沙纹对称外形，沙纹高度和间距均匀，波峰尖锐，波谷圆滑沙纹尺度沙纹尺度0.342.220.3452230rmLMMA820.2452230rmrHML规则波计算波浪摩阻系数fw时ds=2.5D50(沙粒阻力)1981，Nielson

10、0.50.2750.022156rmHMMA沙纹尺度注意：计算中采用有效波高H1/3876930.37 lnexp10000.75 lnrmMLAM420.34rmrHL计算波浪摩阻系数fw时ds=2.5D50(沙粒阻力)不规则波1981，Nielson1.852110rmHMMA沙纹尺度0.80rmrHL沙纹消失，泥沙层移图5-9-沙纹波陡与希尔兹参数的关系沙纹波陡较大，接近于常数0.3rmrHCL时近底水流：沙粒阻力+沙纹阻力，底床粗糙度泥沙运动：沙纹对水流和泥沙运动的影响225rrHrL22.581700.05rmrHrDL( )wfF r212mwmfummsgDS

11、wartNielson0.15rrHL 4rrH4sdr沙纹床面5.2.3 推移质输沙率的计算稳定流输沙率：无因次输沙率=(,t ), p10543ssDgDC希尔兹参数 stgD=(,t )经验公式=(s,D,t )0.06mmDW的概率，即 pP(FLW)(=f(P)(=f(P)(3)基于统计法则的爱因斯坦-布朗公式 爱因斯坦假定在波浪情况中的不合理 波浪作用下一般上举力小于泥沙浮重 波浪作用下前半周期侵蚀率大于沉积率，后半周期沉积率大于侵蚀率，不是平衡输沙爱因斯坦-布朗公式在波浪运动中的修正 11332.524012.5tmtt dtT 准稳定流和临界起动航道推移质淤积算例请记下待做的习

12、题习题5.3，5.9天津城建学院用纸，注明班级、学号、姓名(完整步骤)下一次周一课前，各班学习委员收齐后上交5.3 波浪作用下的悬移质运动泥沙如何悬浮到水中？泥沙悬浮后在水中的浓度分布？5.3.1 水质点轨迹与悬沙运动沙纹床面cosmuutsinmwwt(0, )cos() 2tHt5.3.1 水质点轨迹与悬沙运动(0, )cos() 2tHtcosmuutsinmwwtt=0，波峰时刻，正向水平底流速最大u=um，垂向流速w=0,迎流面的水流冲刷沙纹顶部泥沙，泥沙落入背流面漩涡，被带回沙纹顶部 t=90，波中时刻，流动转向u=0，垂向流速w=wm, 背流面漩涡强度增大，含沙量增大，反向水流使

13、得漩涡携带泥沙向上跃起，形成悬浮的沙云t=180，波谷时刻，负向水平底流速最大u=-um，垂向流速w=0，反向水流将沙云携带到沙纹迎浪面一侧的床面现象总结沙纹床面泥沙悬扬机理总结1（沙纹床面上的泥沙悬扬机理）沙纹背面的漩涡，在水流转向时，携带泥沙跃离床面，形成沙云总结2（沙纹床面上的悬沙输移方向）离岸！沙纹峰顶上的含沙量峰值总是出现在90度的相位（流动转向）5.3.2 波浪作用下悬沙浓度分布悬移质的运动机理波浪掀沙，水流输沙稳定流悬移质的输沙率0( )( , )( , )sshq tS z t u z t dz悬沙浓度沿水深的分布悬移质运动速度注意：Z轴垂直向上，原点取在床面上泥沙连续方程含沙

14、水体：两相流(果粒橙)稳定流中的泥沙连续方程振荡流中的泥沙连续方程0ssdSSdz0ssdSSdzs紊动扩散系数泥沙连续方程振荡流中的泥沙连续方程0ssdSSdzs紊动扩散系数显然，求解依赖于紊动扩散系数如何取值？泥沙连续方程 s为常数：适于不破碎波引起的水底附近含沙量分布 expsasS zSza-参考点浓度aS0.01(h)a为 参 考 点 高 程 ，即 推 移 质 厚 度取2.5,0.8abbmSqau层移2.52.520.005,0.8,1mamrmmrrrSHL沙纹2.2*,8.7wsmwu DA u式中bmuu可取泥沙连续方程 s为线性分布：适于破波带内水底附近悬移质含沙量分布 *

15、swuaaS zSz1.751.750.33110.72cacMMSMM*,0.4swu卡门常数式中50()aD为 参 考 点 高 程取 2破波带内悬移质含沙量沿水深分布较均匀泥沙连续方程 s为抛物线型分布(Rouse分布)：适于江河水流悬移质含沙量分布 *swuaa hzS zSz ha*1,0.4swzu zh卡门常数悬移质含沙量在自由表面处为零，但波浪破碎后波面处的含沙量并不为零*szu悬浮指标泥沙连续方程 s为混合型分布： s在水深下半部分为抛物型分布，上半部分为常数式中 *,21exp4,22zazaa hzhS zSazz haazhS zSzzhhah波面处含沙量不为零，弥补了R

16、ouse分布的不足*szu悬浮指标悬浮指标Z*的物理意义*Uz表征重力作用( )与紊动扩散作用( )的相对大小，反映了含沙量沿水深分布的均匀程度：z* 越大，表明重力作用相对越强(如泥沙较粗)，含沙量垂向分布越不均匀，悬沙倾向于分布于水底附近； z* 越小，表明紊动扩散作用相对越强，分布越均匀(后图)。*szu悬浮指标s*uFig3-4Z*的另一功用：可作为推移质进入悬浮状态的判别标准可将Z* 5作为推移质、悬移质的临界判别值波浪不规则性对悬沙浓度的影响不规则波悬沙浓度随着与床面距离的增大而减小的速率比规则波快波浪破碎对悬沙浓度的影响波浪破碎引起的强烈紊动掺混使悬沙浓度沿水深几乎

17、成均匀分布悬移质含沙量分布算例波浪作用下的悬移质输沙率( )( , )( , )sshq tS z t u z t dz悬移质被悬浮后，必须由水流进行输送，因此必须考虑波流共同作用时的输沙率请记下待做的习题习题5.2，5.7天津城建学院用纸，注明班级、学号、姓名(完整步骤)下一次周一课前，各班学习委员收齐后上交5.4 波流共同作用下的泥沙运动波浪掀沙，水流输沙载沙量=推移质+悬移质Cqu 载沙量拜格诺的能量输沙模型12331.83lnsbhqqIIdsEinstein-Bijker悬移质输沙率5.4 波流共同作用下的泥沙运动12331 1.83lnsbbhqqqqIIdsEinstein-Bi

18、jker全沙(悬移质+推移质)输沙率5.5 近岸区的泥沙运动5.5.1 泥沙的向岸离岸运动-横向运动 影响海滩循环 在海岸地区修建陆上建筑物 离岸区埋设管线和修建海工建筑物向岸？还是离岸？一波浪特征浅水波浪的非线性形成向岸质量净输移二沙纹尺度和形状的不对称性向岸水流形成的沙纹背面漩涡，在水流转向时，携带泥沙跃离床面形成沙云，离岸输沙三海床坡度泥沙自重沿坡度方向的分量趋于使泥沙做离岸运动堆积 or 冲蚀水流强度参数 厄塞尔数22244mmssauMMgDgD23/rUHLh17M 向岸输移48170.048rrUMU泥沙较粗，水流强度较弱时，M较小，推移质，若此时Ur较大，波浪非线性较强时，向岸净输移离岸输移无泥沙输移横向净输沙率的计算No accepted widely70.21.15 100.13nsretrqUMMDU 体积净输沙率5.5.2 泥沙的沿岸运动影响海岸堆积地貌的发育决