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、滑动或作短暂的跃移，运动速
2、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：较粗颗粒以推移为
3、主，较细颗粒以悬移为主,波浪摩阻流速,泥沙沉速,阻力系数,(6)沙质海岸泥沙横向运动变化,深水到浅水，近底水质点流速增大，泥沙起动，作推移质运动形成沙纹，附近泥沙悬浮接近破波点，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)上爬带，上下冲水流使泥沙层移运动,(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
4、,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
5、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),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=ma,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
6、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,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,无限长水平床面上单沙粒的起动受力分析,水流拖曳力与惯性力的相对大小,存在/2的相位差,单沙粒起动受力分析,水底摩擦系数,单沙粒起动受力分析,泥沙活动参数,泥沙活动参数临界值,层流边界层,紊流边界层,Komar and Miller(1975),图5-2,泥沙活动参数临界值
7、,T=15s,Komar and Miller(1975),图5-2,图5-3,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,临界希尔兹参数,临界希尔兹参数,泥沙流体参数,临界希尔兹参数,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
8、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,规则波,计算波浪摩阻系数fw时ds=2.5D50(沙粒阻力),1981，Nielson,沙纹尺度,注意：计算中采用有效波高H1/3,计算波浪摩阻系数fw时ds=2.5D50(沙粒阻力),不规则波,1981，Nielson,沙纹尺度,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,近底水流：沙粒阻力+沙纹
9、阻力，底床粗糙度泥沙运动：,沙纹对水流和泥沙运动的影响,Swart,Nielson,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 ), p105,希尔兹参数,=(,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,准稳定流和临界起动,航道推移质淤积算例,请记下待做的习题,习题5.3，5.9天津城建学
10、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,5.3.1 水质点轨迹与悬沙运动,t=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
11、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,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,泥沙连续方程,振荡流中的泥沙连续方程,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
12、破碎波引起的水底附近含沙量分布,-参考点浓度,式中,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,式中,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,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,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,波面处含沙量不为零，弥补了Rouse分布的不足,3.2.1.8,悬浮指标Z*的物理意义,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
13、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)。,Fig3-4,Z*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,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
14、(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,拜格诺的能量输沙模型,Einstein-Bijker,悬移质输沙率,5.4 波流共同作用下的泥沙运动,Einstein-Bijker,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？,波浪特征浅水波浪的非线性形成向岸质量净输移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，离岸输沙海床坡度泥沙
15、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,向岸输移,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 widely,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,决定海岸工程的成败,沿岸输沙机理,破碎波掀沙，沿岸流输沙No波浪破碎，No沿岸输沙,沿岸输沙方向的判别,地形：分析河口和泻湖汊道的岸滩形态及其口外深槽的演变情况，判断输沙方向地质：分析岸滩侵蚀和堆积的形态特征以及沿岸物质组成的粒径变化、磨圆程度和重矿物分布情况，判断泥沙来
16、源和运移方向经验：根据所建港口附近地区已有输沙率资料，参照建港地区条件，修正后获得欲求的顺岸输沙率测试：根据海洋水文测验、卫星图片、航拍图片和示踪沙测验成果，估计沿岸输沙方向,沿岸输沙模型,波能流模型传递到岸滩的波浪能量部分驱动沿岸泥沙输移能量模型（拜格诺）水流搬运泥沙所做的功正比于波浪对泥沙所作的功贝克尔模型(波流联合作用)波浪掀沙，潮流输沙,沿岸输沙的波能流模型,沿岸浮重输沙率,波能流沿岸分量,柯马尔和英曼提出：K=0.77,沿岸输沙率的横向分布,破波点处波浪的剪切应力最大破波带内沿岸流速最大最大输沙率发生在破波线和沿岸流速最大值之间,请记下待做的习题,习题5.6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,输沙率的工程应用,左右向输沙率设计突堤或带堰突堤后的贮沙池全年总输沙率预测未加防护的潮汐汊道或人工航道的淤积速率全年净输沙率预测开敞岸滩的侵蚀或进行潮汐汊道的防护设计,几个海岸的输沙情况,
