2011波浪作用下的泥沙起动实验指导书

1、波浪作用下的泥沙起动实验一. 实验目的通过本实验，认识泥沙在波浪作用下的运动与河流中的泥沙运动不同。建立泥沙运动、沙纹尺度、净输沙方向等与波浪要素及泥沙粒径的关系。增强近岸泥沙运动对港口、航道和岸滩演变的影响的认识。二. 实验背景设计水位（m）水底标高（m）设计波高H13%（m）波周期T（s）泥沙中值粒径(mm)海滩坡度极端高水位+4.0-10.03.0（实验中往往需更大的波高才能促使泥沙起动）7.70.25（根据实际情况确定）1:50设计高水位+3.2设计低水位+0.01 本次实验在天津大学港口与海岸工程实验室中进行。实验用的水槽长35米，宽0.5米，高0.75米。一端为推板式造波机，造波机

2、后方布置由多层钢丝网加枝条组成的消能栅。另一端（槽尾）设置消波栅，后方布置1：4的斜坡，上铺碎石和扫帚苗子消波（透水消能）。2 模型按重力相似准则设计，模型的比尺规定为：几何比尺（波长、波高和水深）：=，例如如果取=40，则（下标P为原型，M为模型）。频率比尺（波周期）：=，即。3 实验条件的设计：请各组根据实验背景自行选定一组实验条件-一种水位+波高+周期+一种比尺（35,40或45），计算模型水深、模型波高和模型周期。（请注意：考虑到需放置波高仪，模型水深+模型波高最大不能超过0.6m；各组实验条件经比尺转换后不能相同）。三. 实验内容1 观察实验设备（造波系统、水槽系统、量测系统、模型沙

3、），听取实验操作方法（布置、造波、量测）的讲解。2 观察泥沙在波浪作用下的运动形式（如初始起动、全面起动和沙纹）。同河流一样，泥沙在波浪作用下形成的沙纹是推移质运动的一种方式。沙纹的存在对泥沙运动有极大的影响，在波浪的作用下尤其如此。河流中的沙纹是不对称的。在波浪作用下泥沙形成的沙纹是接近对称的，随着波浪水流呈现不对称性，形成的沙纹也呈现不对称性。（注意：往往需要一定扰动才能使沙纹在短时间波浪作用下形成）3 观察波浪作用下沙纹床面上泥沙运动对应水底水质点运动的四个阶段（波峰到来阶段；波浪由波峰过渡到波谷转向阶段；波谷阶段；波浪由波谷过渡到波峰转向阶段）。4 观察并描述在波浪作用下沙纹上泥沙的搬

4、运和输移方式。沙纹的存在使波浪作用下的泥沙运动具有非常复杂的性质。当水流强度不大，沙纹背后形成的旋涡强度不大，不足以使泥沙悬移时泥沙仅沿着沙纹床面作往复推移。由于非线性波浪的不对称性，正向波浪作用时推移距离大于反向波浪作用时的推移距离，这时泥沙将沿波浪传播方向产生净输移。但当水流强度较大，沙纹背后形成较强的旋涡时，悬浮的泥沙可能逆着波浪传播方向而输移。5 记录实验数据，包括波高、周期、水深、泥沙粒径等，量测沙纹尺度（沙纹波长、沙纹波高），并拍摄泥沙运动过程及沙纹形态。表-1 实验记录表（泥沙起动、全面起动、沙纹、沙纹消失过程中的波浪、泥沙条件记录）实验序号泥抄比重/m泥沙中值粒径D50(cm)

5、波高H(cm)水深h(cm)波周期T(sec)沙纹波长（m）沙纹波高（m）123456789表-2 实验观察记录表（泥沙已起动的情况）阶 段泥 沙 运 动 描 述波 峰 阶 段由波峰到波谷过渡阶段波 谷 阶 段由波谷到波峰转向阶段四. 实验仪器(1) 波浪水槽及规则波造波机；(2) 波高仪2支；(3) 模型沙，米尺；(4)记录仪一台；（5）为了便于撰写实验报告，每组至少自带数码相机一台，要求像素高（以清晰地照出沙纹等现象）。五. 实验准备1 熟悉各种不同类型实验仪器的使用方法（记录采用的实验设备，如造波系统、水槽系统、量测系统等的构成、型号、操作、特点）。2 实验前由实验人员在水槽底部铺设厚约

6、5厘米、长约5米的模型沙并摊平。3 按照本组设计水深将水槽充水，约3050厘米左右。4 调整造波机，选择好波要素及适当水深，使造出的波浪稳定，有光滑的波面。六. 实验步骤(1) 恢复地形，将水槽中模型沙铺平，测量水深。(2) 启动造波机，仔细观察泥沙运动和沙纹形成的过程，沙云的运动形态和水质点轨迹过程（波峰、波中、波谷等时刻）的关系。(3) 测量波要素。(4) 停止造波机，测量沙纹的波长，波高。(5) 重复(1)(4)步。七. 注意事项1注意安全（尤其用电）和保护自己，必须以组为单位前往实验地点；2各种仪器、设备的电源开关不能反复开关或按压，以免造成损坏；3实验前请各组组长组织组员提前到实验地

7、点，备好纸笔等；4实验过程中由各组组长组织记录、测量、操作等岗位的轮换；八. 结果分析(1) 仔细描述沙纹上沙云的运动和波浪运动的关系，分四个阶段（要求配以图形加以说明）：(a) 波峰到来阶段。(b) 波浪由波峰过渡到波谷转向阶段。(c) 波谷阶段。(d) 波浪由波谷过渡到波峰转向阶段。(2) 泥沙起动分析(a) 首先要注意，按照实验背景中的设计波高不一定能使泥沙起动，实验中往往需更大的波高才能促使泥沙起动。(b) 通过比较泥沙活动参数与临界值，判断和验证实验中泥沙是否起动。其中，=。-泥沙比重；-水的比重；-波数；-重力加速度；-泥沙中值粒径。(c) 通过比较希尔兹参数与临界值（查教材P14

8、8图7-3），判断和验证实验中泥沙是否起动。其中，当量糙度。(3) 沙纹发展分析(a) 沙纹尺度：量测沙纹高度和波长，与理论公式比较。(b) 沙纹形成：根据沙纹形成时的波浪、水流、泥沙粒径等求出希尔兹参数，与教材P155图7-10比较。（注意：计算波浪摩阻系数时，沙纹床面上的当量糙度）(c) 沙纹消失：根据沙纹消失时的波浪、水流、泥沙粒径等求出希尔兹参数，与教材P155图7-10比较，判断其是否处于大于0.4-0.7的范围。（注意：计算波浪摩阻系数时，沙纹床面上的当量糙度）(4) 判定输沙方向比较水流强度系数与厄塞尔数来判断泥沙净输移方向：，无泥沙净输移当时，泥沙净离岸输移（与波向相反）；当时，泥沙净向岸输沙（与波向一致）。九. 实验报告(1) 整理试验成果；(2) 描述波浪作用下泥沙起