第五章-沙质海岸的泥沙运动PPT参考课件.ppt

第五章 沙质海岸的泥沙运动海岸动力学海岸动力学目录第一节 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第一节 概述章节导读：无粘性泥沙的运动规律（动力因素）（动力因素）波导近岸流波导近岸流波浪波浪海岸粘性泥沙组成的淤泥质海岸粘性泥沙组成的淤泥质海岸无粘性泥沙组成的沙质（包括卵石）海岸无粘性泥沙组成的沙质（包括卵石）海岸 河流挟带的泥沙颗粒河流挟带的泥沙颗粒海岸沉积物组成 邻近海岸上的沙丘带来的泥沙邻近海岸上的沙丘带来的泥沙 邻近海蚀崖的碎片、残骸邻近海蚀崖的碎片、残骸第一节 概述典型的海岸带剖面了解泥沙运动方式的沿程变化第一节 概述泥沙运动方式沿程变化泥沙运动方式沿程变化泥沙运动方式沿程变化泥沙运动方式沿程变化泥沙运动方式的沿程变化深水：底部深水：底部v v水水=0=0床面泥沙静止床面泥沙静止浅水：底部浅水：底部v v水水增大，增大，破波点破波点达到达到maxmax泥沙启动，床面泥沙作推移质运动泥沙启动，床面泥沙作推移质运动沙纹形成，附近泥沙悬浮沙纹形成，附近泥沙悬浮沙文消失，发生泥沙层移运动沙文消失，发生泥沙层移运动第一节 概述波浪波浪运动泥沙可分为运动泥沙可分为推移质推移质和和泥沙质泥沙质沙沙质质海海岸岸泥泥沙沙运运动动不不仅仅与与波波浪浪的的水水质质点点往往复复运运动动有有关关，还还与与波波导导近近岸岸流流、潮流、潮汐水面变化，风和波浪引起的增水、床面地形等因素有关潮流、潮汐水面变化，风和波浪引起的增水、床面地形等因素有关第一节 概述净输沙定量计算近岸区输沙率两个方向分量近岸区输沙率两个方向分量沿岸输沙：预测海滩长期变化、大规模海岸变形的主要因素沿岸输沙：预测海滩长期变化、大规模海岸变形的主要因素向岸向岸离岸泥沙搬运：控制海滩剖面短期变化的主要因素离岸泥沙搬运：控制海滩剖面短期变化的主要因素第二节 波浪作用下的推移质运动一、波浪作用下的泥沙起动临界判数1（“少量动”&“普通动”）与单向水流比，波浪水流的特点：与单向水流比，波浪水流的特点：为振动水流，作用力有水流的拖曳力、水流加速度引起的附加质量力。为振动水流，作用力有水流的拖曳力、水流加速度引起的附加质量力。后者小很多；后者小很多；沿水深的分布由势流运动方程决定，床面附近有一层薄薄的边界层。沿水深的分布由势流运动方程决定，床面附近有一层薄薄的边界层。无粘性颗粒在波浪作用下的起动临界条件可以根据波浪水流对泥沙的无粘性颗粒在波浪作用下的起动临界条件可以根据波浪水流对泥沙的拖拖曳力曳力和泥沙自重产生的和泥沙自重产生的稳定力稳定力相互平衡的关系来确定。相互平衡的关系来确定。第二节 波浪作用下的推移质运动D0.5mm D0.5mm 底部边界层为层流底部边界层为层流D D0.5mm 0.5mm 底部边界层为紊流底部边界层为紊流水质点轨迹速度最大值与轨迹半径的关系水质点轨迹速度最大值与轨迹半径的关系M=泥沙起动驱动力/重力引起的稳定力 =泥沙在波浪作用下的最大水平拖曳力：泥沙在波浪作用下的最大水平拖曳力：T Tm m=k=km mD D2 2=k=k1 1f fw wu um m2 2D D2 2第二节 波浪作用下的推移质运动不同周期情况下泥沙起动时的近底轨迹速度最大值第二节 波浪作用下的推移质运动T=15sT=15s时不同粒径泥沙在不同水深条件下起动时的波高时不同粒径泥沙在不同水深条件下起动时的波高泥沙移动的界限水深泥沙移动的界限水深泥沙移动的界限水深泥沙移动的界限水深波浪由深入浅，近底水质点速度波浪由深入浅，近底水质点速度波浪由深入浅，近底水质点速度波浪由深入浅，近底水质点速度越来越大，对床面的切应力也越来越越来越大，对床面的切应力也越来越越来越大，对床面的切应力也越来越越来越大，对床面的切应力也越来越大，开始发生运动的水深就是界限水大，开始发生运动的水深就是界限水大，开始发生运动的水深就是界限水大，开始发生运动的水深就是界限水深深深深不同粒径泥沙在不同波高时的泥沙移动不同粒径泥沙在不同波高时的泥沙移动不同粒径泥沙在不同波高时的泥沙移动不同粒径泥沙在不同波高时的泥沙移动界限水深界限水深界限水深界限水深h h h hr r r r：第二节 波浪作用下的推移质运动判数2：无因次床面剪切力表示的希尔兹参数稳定希尔兹曲线和振荡流实验结果的比较波浪中水质点速度随时间变化，波浪中水质点速度随时间变化，因而对泥沙起动起控制作用的因而对泥沙起动起控制作用的是其床面是其床面切应力的最大值切应力的最大值m=m=m m/(/(s s-)gD)gD =fw =fw u um m2 2/(/(s s-)gD)gD =f =fw wM/2M/2临界值：临界值：c=f(c=f(u uw w*D/*D/)mcmc=f(S=f(S*)mcmc 泥沙运动泥沙运动 mc mc 泥沙静止泥沙静止第二节 波浪作用下的推移质运动二、推移质输沙率(如何从稳定流公式中获得振荡流输沙公式如何从稳定流公式中获得振荡流输沙公式)爱因斯坦爱因斯坦布朗公式的推广布朗公式的推广爱因斯坦假定爱因斯坦假定建立无因次输沙率建立无因次输沙率与希尔兹参数与希尔兹参数的关系的关系准稳定流模型准稳定流模型仅考虑沙粒阻力仅考虑沙粒阻力引起表面沙粒运动推移的主要因素引起表面沙粒运动推移的主要因素实质：假定推移质泥沙运动与瞬时振荡流条件同步，忽略实质：假定推移质泥沙运动与瞬时振荡流条件同步，忽略泥沙惯性力泥沙惯性力拜格诺能量输沙模型拜格诺能量输沙模型第二节 波浪作用下的推移质运动二、推移质输沙率(如何从稳定流公式中获得振荡流输沙公式如何从稳定流公式中获得振荡流输沙公式)第二节 波浪作用下的推移质运动三.沙纹形成及尺度英曼沙纹分区1.1.残留沙纹（残留沙纹（M MMcMc）的深水区，结构残缺不全；）的深水区，结构残缺不全；2.2.漩涡沙纹（漩涡沙纹（0 0M M 4040），沙纹发展主要阶段，沙纹高度），沙纹发展主要阶段，沙纹高度和波长和波长均均增大，陡度（增大，陡度（/0.150.15 ）保持常数；）保持常数；3.3.过度沙纹（过度沙纹（4040M M 240240），沙纹逐渐消失，波长不变；），沙纹逐渐消失，波长不变；4.4.沙纹消失（沙纹消失（M M240240），泥沙过渡到平坦床面，作层移运动），泥沙过渡到平坦床面，作层移运动第二节 波浪作用下的推移质运动沙纹尺度的试验曲线a)a)沙纹的相对波长沙纹的相对波长/D/D与相对位移振幅的关系曲线与相对位移振幅的关系曲线b)b)沙纹相对高度沙纹相对高度/D/D与相对位移真服的关系曲线与相对位移真服的关系曲线(Morgridge&Kamphais)(Morgridge&Kamphais)第二节 波浪作用下的推移质运动沙纹阻力 沙纹对水流的影响通常反映在粗糙度中沙纹对水流的影响通常反映在粗糙度中粗糙度计算：粗糙度计算：r=25Hr=25Hr r2 2/L/Lr Swartr Swart仅在沙纹陡度为最大（仅在沙纹陡度为最大（/=0.15=0.15 ）时，粗糙度）时，粗糙度r r才等于沙纹高度的才等于沙纹高度的4 4倍，沙倍，沙纹陡度较小时，粗糙度小于纹陡度较小时，粗糙度小于4 4床面对水流的阻力组成：床面对水流的阻力组成：沙粒阻力：水流过泥沙颗粒时形成；沙粒阻力：水流过泥沙颗粒时形成；沙纹阻力沙纹阻力：水流越过沙纹顶峰，水流与床面分离，形成漩涡产生对水流的：水流越过沙纹顶峰，水流与床面分离，形成漩涡产生对水流的附加阻力附加阻力第三节 波浪作用下的悬移质运动一.沙纹床面上的悬沙运动t=90t=90o o，流速转向；流速转向；t=0t=0o o 和和180180o o，流速最大值流速最大值沙纹峰顶位置上含沙量峰值沙纹峰顶位置上含沙量峰值出现在出现在-9090o o和和+90+90o;o;两相位之间较小的沙峰数量两相位之间较小的沙峰数量取决于水质点取决于水质点轨迹直径轨迹直径d d0 0与沙纹与沙纹波长波长L Lr r.第三节 波浪作用下的悬移质运动二.波浪作用下悬沙浓度分布引起泥沙悬浮的引起泥沙悬浮的动力是水流的紊动动力是水流的紊动；波浪水体内紊动的波浪水体内紊动的两个来源两个来源：表面波的破碎、近底波浪水流在沙纹：表面波的破碎、近底波浪水流在沙纹背后形成的漩涡以及其跃起与分解背后形成的漩涡以及其跃起与分解垂直向上的泥沙通量是由垂向紊动扩散作用引起；垂直向上的泥沙通量是由垂向紊动扩散作用引起；只要泥沙浓度随着离床面距离的增加而减小，存在浓度梯度只要泥沙浓度随着离床面距离的增加而减小，存在浓度梯度dS/dz,dS/dz,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含沙量：单位水体内含有的悬浮泥沙的质量，含沙量：单位水体内含有的悬浮泥沙的质量，km/mkm/m3 3第三节 波浪作用下的悬移质运动二.波浪作用下悬沙浓度分布均匀稳定流条件下，泥沙连续方程简化成扩散方程：均匀稳定流条件下，泥沙连续方程简化成扩散方程：进行波周期平均：进行波周期平均：适于破波带内泥沙悬浮适于破波带内泥沙悬浮修正改造：修正改造：确定泥沙分布的关键：参考浓度确定泥沙分布的关键：参考浓度 、泥沙扩散系数、泥沙扩散系数 尼尔森，尼尔森，19901990 第三节 波浪作用下的悬移质运动二.波浪作用下悬沙浓度分布尼尔森，1984；Fairchild，1977第四节 波流共同作用下的泥沙运动一.波流共同作用下的床面摩阻力一般情况：波浪掀沙，水流搬运泥沙，但挡水流较强时，需考虑波浪与水流一般情况：波浪掀沙，水流搬运泥沙，但挡水流较强时，需考虑波浪与水流共同掀沙作用；共同掀沙作用；一般输沙率公式：输沙率一般输沙率公式：输沙率=“载沙量载沙量”c c水水流流向向平平均均底底部部剪切应力：剪切应力：11时：时：波流方向一致时波流方向一致时，摩阻系数，摩阻系数fwcfwc：波流夹角为波流夹角为时时边界层顶部瞬时流速：边界层顶部瞬时流速：瞬时床面剪切应力：瞬时床面剪切应力：X X方向瞬时床面剪切应力：方向瞬时床面剪切应力：X X方向平均剪切应力：方向平均剪切应力：k k1 1很小时很小时第四节 波流共同作用下的泥沙运动一.波流共同作用下的床面摩阻力波流共同作用下的床面剪切应力计算模型（贝克尔，波流共同作用下的床面剪切应力计算模型（贝克尔，波流共同作用下的床面剪切应力计算模型（贝克尔，波流共同作用下的床面剪切应力计算模型（贝克尔，1967196719671967）载沙量中切应力：载沙量中切应力：波浪瞬时剪切应力波浪瞬时剪切应力w(t)w(t)、摩阻流速、摩阻流速u uw*w*(t)(t)波流夹角波流夹角时：时：基于普罗特混合长度理论的贝克尔模型：基于普罗特混合长度理论的贝克尔模型：第四节 波流共同作用下的泥沙运动一.波流共同作用下的床面摩阻力推移质单宽输沙率：推移质单宽输沙率：悬移质输沙率：悬移质输沙率：全沙输沙率：全沙输沙率：第四节 波流共同作用下的泥沙运动二、波流共同作用时的输沙率第四节 波流共同作用下的泥沙运动二、波流共同作用时的输沙率A值的计算图第五节 近岸区泥沙运动特点及沿岸输沙率一、泥沙的向岸-离岸运动泥沙近岸运动泥沙近岸运动横向运动：波浪水质点运动引起横向运动：波浪水质点运动引起沿岸运动：取决于波导沿岸流沿岸运动：取决于波导沿岸流横向方向决定了海滩剖面变化趋势横向方向决定了海滩剖面变化趋势d d0 0(3(3(3-5-5)沙纹尺度小，漩涡强度弱；沙纹尺度小，漩涡强度弱；沙云沿沙云沿向岸向岸方向搬运沉积。方向搬运沉积。推移质推移质悬移质悬移质第五节 近岸区泥沙运动特点及沿岸输沙率一、泥沙的向岸-离岸运动控制横向净输沙的大小和方向的主要因素：控制横向净输沙的大小和方向的主要因素：水深变浅引起的波浪不对称；水深变浅引起的波浪不对称；沙纹尺度和沙纹形状不对称；沙纹尺度和沙纹形状不对称；局部底坡局部底坡 厄塞尔数定义厄塞尔数定义近岸区向岸近岸区向岸离岸方向净输沙率公式离岸方向净输沙率公式第五节 近岸区泥沙运动特点及沿岸输沙率一、泥沙的向岸-离岸运动横向净输沙方向与Ur和M的关系一、沿岸输沙率第五节 近岸区泥沙运动特点及沿岸输沙率主要计算方法：波能流法主要计算方法：波能流法CERCCERC公式：公式：I Il l=0.77P=0.77Pl l一、沿岸输沙率第五节 近岸区泥沙运动特点及沿岸输沙率我国我国海港水文规范海港水文规范Kamphuis,1986Kamphuis,1986拜格诺能量模型拜格诺能量模型海滩横截面沿岸输沙率海滩横截面沿岸输沙率床面波浪应力、沿岸流和沿岸输沙率的横向分布