海岸动5zhang(fx)

海岸动力学5第五章沙质海岸的泥沙运动第一节、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在床面水质点速度的沿程增大过程中，观测到：(1)泥沙开始起动，床面上泥沙作推移质运动；(2)沙纹形成，沙纹附近形成泥沙悬浮；(3)沙纹逐渐消失，发生泥沙层移运动。(4)波浪破碎后，波浪破碎引起强列紊动，泥沙大量悬浮，泥沙运动最为活跃。(5)在上爬带，泥沙在上冲水流和下冲水流的作用下作层移运动。向岸—离岸方向泥沙搬运是控制海滩剖面短期变化的主要因素，而沿岸输沙则是预测海滩长期变化和大规模海岸变形的主要因素。，为预测岸滩演变，需对净输沙进行定量计算。近岸区输沙率向岸—离岸方向沿岸方向另一个描述泥沙起动的判数是以无因次床面剪切力来表示的希尔兹参数泥沙起动时希尔兹参数临界值为沙粒雷诺数的函数为波浪摩阻流速MfgDufgDwsmwsmm21)(21)(2波浪摩阻系数.)(*Dufwcmwu*沙粒雷诺数马德逊(Madsen)和格兰特(Grant)(1976)提出，用S*代替沙粒雷诺数。S*这个参数只取决于泥沙和水体性质对于泥沙比重2.65，粒径0.2mm的典型海滩砂，Ｓ*近似为11，在这个值附近，ψc约为0.05gDDSs)1(4**()cfS)(*DufwcgDDSs)1(4*c二、推移质输沙率当希尔兹参数ψ＞ψc时泥沙起动，相应就会形成推移质输沙。在纯粹余弦波动作用下，在一个周期内，正反向输沙量相等，净输沙为零。因此，常采用半周期平均输沙率来表示波浪作用下的推移质运动。当然波浪由于地形等因素影响，通常会产生一个较小的稳定净流，引起泥沙净搬远。大多数稳定流输沙率公式都是建立无因次输沙率Φ和谢尔兹参数ψ的关系，即Φ＝Φ(ψ)。把准稳定流的思想和临界起动概念应用于具有水流不对称性的二阶斯托克斯波输沙情况，可得到一个波周期内泥沙有一个沿波浪传播方向的净运动(二)拜格诺能量输沙模型从水流在推移泥沙时做功这个概念出发，拜格诺(Bagnold)提出能量输沙模型，输沙率可表示为“载沙量”和水流速度的乘积.载沙量正比于已经被水动力作用所支撑处于输送准备状态的沙量。这个模型在波流共同作用下的输沙率，特别在沿岸输沙计算中，获得很大的成功。qb=“载沙量”×uD三、沙纹形成及尺度天然海床中存在许多大小和形状不同的地形结构。较大的地形结构如沙坝等，控制了近岸流的形态，小尺度地形结构主要是指床面沙纹，它们对边界层结构、近底紊动强度和泥沙运动产生较大的影响。沙纹对水流的影响通常反映在粗糙度中。与稳定流沙纹相比，波导沙纹具有对称的外形，沙纹高度和间距较均匀.当希尔兹参数超过起动临界值，泥沙起动开始形成沙纹，到了希尔兹参数大于约0.5时，床面又趋平整。即随着水质点轨迹速度的增加，床面经历平整→沙纹→平整的过程。沙纹形成的机理:一般认为沙纹是近底层水流不稳定性的产物。一旦沙纹形成后，沙纹背后形成的旋涡就能起到维持沙纹的作用。因为旋涡水流对沙纹背面的泥沙产生一向上的剪切应力.但当水流足够强时，水流对于沙纹顶峰的冲刷作用大于旋涡的维持作用。随着水流的加强，沙纹陡度趋于减小，直至沙纹顶峰完全被水流冲刷掉。沙纹形状阻力:当水流越过沙纹顶部，发生流动分离现象，在沙纹顶峰背后形成旋涡，旋涡导致能量损失，沙纹背风面压力减小。沙纹前后形成压力差，从而对水流产生了附加阻力。固定沙纹上的粗糙度与波纹高度Hr和沙纹波陡Hr/Lr有关沙纹床面阻力沙粒阻力沙纹形状阻力rrLHr225第三节一旦泥沙进入悬浮状态，即使是微弱的稳定流也能输送泥沙，沙纹上泥沙悬浮机理是，沙纹背面的漩涡，在水流转向时，挟带着泥沙跃离床面，形成沙云。二、波浪作用下悬沙浓度分布求悬移质输沙率，首先应知道悬沙浓度沿水深的分布。由于泥沙比水重，它有下沉的趋势，如没有向上的泥沙通量来平衡沉降率，泥沙最终会落淤到床面。垂直向上泥沙通量由垂向紊动扩散作用引起。只要存在浓度梯度，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。垂向紊动扩散泥沙沉降确定泥沙浓度分布的关键是参考浓度和泥沙扩散系数。现在大多采用实验方法来确定这些参数。非破碎波情况:含沙量分布大多限于沙纹附近，在床面以上超过约3个沙纹高度以上时，泥沙浓度就不太明显。当水深变浅波浪破碎时紊动强烈，可产生强烈的泥沙悬浮，泥沙上升悬浮在整个水深范围内，在近底2cm左右范围内，破碎波和非破碎波的浓度剖面是一致的。破碎引起强烈的紊动掺混，使上段的浓度增加，几乎成均匀分布。非破碎波破碎波第四节海岸地区大规模的泥沙输移大多是波浪和水流共同作用下完成的，波浪有很大的掀沙作用，但本身搬运泥沙能力很弱。泥沙一旦处于悬浮状态，相对很小的稳定流就能搬运泥沙。故一般情况是：波浪掀沙，水流搬运泥沙，但当水流较强时，还需考虑波浪与水流共同掀沙作用。一般的输沙率公式均可写成输沙率＝“载沙量”×vc输沙率＝“载沙量”×vc载沙量通常与床面剪切应力或摩阻流速相联系，波流共存，流动较弱时,考虑波浪剪切应力.波流共存，流动较强时,考虑波流共同作用下的床面剪切应力.工程上应用最普遍的仍是贝克尔(Bijker)1967年提出波流共同作用下床面剪切应力计算模型。载沙量中床面剪切应力的计算公式水流中床面的剪切应力τc和摩阻流速vc*可用下式表示222*chccvCgv谢才系数水深平均流速波浪瞬时剪切应力τw(t)和摩阻流速uw*(t)tuftutm222*cos21)()(各时刻波浪应力绝对值的周期平均wwt21)(221mwwuf波流共同作用下的平均剪切应力wcwcwct21)(波浪最大剪切应力2211211cmccwcwcvugfCwh2上式是一个波周期内切应力值的代数平均，没有考虑切应力的矢量合成。因此上式适合于表示“载沙量”中切应力大小,不能用于水流运动方程的计算中。q=“载沙量”×vc输沙公式都可表示为“载沙量”与推移质和悬移质的数量有关。其物理意义为“搅动力”，用底部剪切应力表示。河流输沙公式:“载沙量”取决于水流底部应力海岸输沙公式:“载沙量”取决于波流共存时的底部应力贝克尔研究了波流共存时的底部应力，得出波浪存在加强了底部摩阻。他建议将波流共同作用时的底部应力应用于“载沙量”参数，来得到海岸输沙计算公式。(1)将波流共同作用时的摩阻力应用于“载沙量”参数，来得到海岸输沙计算公式。(2)以卡林斯基—弗雷伦克(KalinskeFrijlink)推移质输沙公式为基础.(3)结合爱因斯坦悬沙模型.贝克尔模型210.5wccmcuvc用代替推移质输沙公式(q=“载沙量”×vc)wcwcwct21)(第五节一、泥沙的向岸—横向运动:或称向岸—离岸运动,主要由波浪水质点运动引起。横向泥沙运动方向决定了海滩剖面变化趋势.沿岸运动:沿岸泥沙运动主要取决于波导沿岸流；横向净输沙率影响因素:波浪特征、床面形态、海床坡度、泥沙特性、潮位变化、裂流等。沙纹床面上泥沙运动。沙纹背面形成的漩涡不仅是泥沙悬浮的关键因素，也是泥沙净搬运的决定因素。(A)波浪水质点轨迹直径3至5倍沙纹波长，即是稳定沙纹的情况。漩涡强度大，沙纹波长相对较大，水流向岸运动时形成的沙云，限制在一个沙纹波长距离内。离岸流动时，沙云向离岸方向搬运。沙纹床面上泥沙运动(A)波浪水质点轨迹直径3至5倍沙纹波长波浪不对称，向岸运动速度要大于离岸运动速度水质点向岸运动时形成的沙云浓度大于离岸运动时形成的沙云浓度，这个浓度较大的沙云并不向岸运动，而是在水流转向后，向离岸方向运动，因此，悬沙净输沙方向是离岸的。(B)波浪水质点轨迹直径3至5倍沙纹波长.这时，水流向岸运动时在背风侧形成的沙云，并不局限于一个沙纹波长的距离内，由于水质点轨迹直径大，沙纹尺度小，漩涡强度弱，在水流向岸运动期间沙云就可沿向岸方向搬运并沉积。悬沙净输沙方向是离岸的,推移质净输沙方向是向岸的。总的净输沙方向取决于悬移质和推移质的相对重要性。泥沙运动形式与输沙方向控制横向净输沙主要因素：(1)由于水深变浅引起的波浪不对称；(2)沙纹尺度和沙纹形状的不对称性；(3)局部底坡等。这些因素与厄塞尔(Ursell)数和水流强度参数M′有关。二、沿岸输沙率沿岸输沙是波浪和波导沿岸流共同作用引起的纵向泥沙运动。在沙质海岸上，沿岸输沙主要发生在破波带内。波浪破碎剧烈的紊动掀沙斜向波沿岸流沿岸输沙的机理是波浪掀沙、沿岸流输沙。沿岸输沙工程上用于计算沿岸输沙率的主要方法是波能流法。波能流法把沿岸输沙与波能流沿岸分量联系起来波能流法波能流沿岸分量bbblEcnPsincos)(bbblghHgP2sin162ghc1nllPI77.0沿岸输沙率破波带内任一点单宽输沙率为沿岸输沙率在海滩横断面上的分布vuWkim11=波浪应力×沿岸流速W为单位床面上的能量消耗率)(EcndxdWvhi)(1浅水线性波理论可得到波浪应力与水深成正比，在破波点为最大值，由于波浪应力最大值在破波点，沿岸流速最大值在破波点以内。所以最大输沙率应在破波线和沿岸流速最大值之间