第6-7章 沙质海岸泥沙运动(4版)

单沙粒起动受力分析
FDm Ffm
2 umb 4 tan u* D amb m f , s gD 3 CD CL tan D
泥沙水流强度 参数
泥沙起动临界 水流强度参数
7 5
c
泥沙起动临界水流强度参数
7 9
输移、磨蚀、分选
各海岸动力因素对泥沙运动的影响
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(即起动)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）
沙纹床面
u um cos t
③ 层移质：泥沙颗粒成层移动或滚动
④ 悬移质：水流紊动强，充满漩涡，漩涡尺度大于泥 沙粒径，漩涡向上分速大于泥沙沉速，泥沙颗粒悬 浮水中，不与床面接触
水 流 强 度 增 大
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：较粗颗粒以推移为主，较细颗粒以悬移为主
水平向-底床摩擦力
升力(竖向)
FLm A m CL
D 2 umb 2
4 2
Ffm W FLm tan
浮重力(竖向) 水 底 摩 擦 系数
升力系数
Hale Waihona Puke W s g D3
6
只与时间有关
为什么会产生升力？ p gz 1 u 2 v 2 f (t ) 请见伯努利方程： t 2 压力项 速度项
第7章
沙质海岸泥沙运动
7. 本章总纲
第一节 波浪作用下的泥沙起动
第二节 沙纹和沙纹上的泥沙运动
第三节 波浪作用下的推移质运动
第四节 波浪作用下的悬移质运动
第五节 全沙输沙率
第六节 平衡输沙与不平衡输沙
第七节 沿岸输沙
概述
2～5章：浪、流、潮
本章(7)：沙质海岸泥沙运动(无粘性泥沙)
第二节 沙纹和沙纹上的泥沙运动
一、沙纹的形成和发展
Ripple
沙纹的形成
床面地形不稳定→近底层水流不稳定→沙纹（？ 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
请记下待做的习题
习题7.1
注明班级、学号、姓名 下周四课前，各班学习委员收齐后上交
未特别说明，一律取：泥沙ρs=2650kg/m3；海水ρ=1025kg/m3
第一节 波浪作用下的泥沙起动
第一节 泥沙起动(推移质)
不动—>起动—>沙纹—>层移
泥沙起动的标准
克雷默的定性标准(将推移质运动划分为四个阶段)：P150
(平整-沙纹-平整)
沙纹尺度
沙纹尺度
1981，Nielson 规则波

amb
2.22 0.345 0.34 2 230 0.275 0.022
0.5
(7-14)

amb
156
(7-15)
1.5 0.182 0.245 m 2.5 2 230
D
H
umb
H
T sinh(kh)
另一泥沙起动判数
2 um 4 tan b m s gD 3 CD CL tan
mb
1 2 f w umb 2
uw* = mb
umb uw*
u z 1 z ln uwc* za
m
7 10
层流边界层
2amb c 0.21 D
12
, D 0.5mm
14
紊流边界层
c 0.463
2amb D
, D 0.5mm
c
图7-4
umb amb
umb
D
泥沙起动临界水流强度参数
图7-4 T=15s
h
umb
w wm sin t
(0, t ) H cos( t ) 2
海岸泥沙的运动形式
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 悬浮在上部水体 内，随水流持续 移动 滚动(Rolling)
第八章：沙质海岸形态和变形 第九章：淤泥质海岸泥沙运动及岸滩演变(粘性泥沙)
为什么要研究海岸泥沙运动？ 横向运动
决定海滩剖面变化
沿岸运动
决定岸线长期变化
岸线
横向运动-泥沙的向岸离岸运动
影响海岸地区建筑物 的安全
影响海岸地区水下管 线的安全 影响海滩循环
小小浪花的威力
沿岸运动-泥沙顺着岸线的运动
a
Bed load (推移质，床面层)
Suspended load(悬沙，主流区)
滑动(Sliding)
Bed material(床沙层,底床)
跳跃(Saltating)
运动形式随水流强度的变化
推 移 质
① 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
② 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
uw* 1.0, 推移质为主 uw* = mb uw* 1.7, 兼而有之 P144 1.0 泥沙沉速ω：单颗粒泥沙 在静止的无限大的清水中 uw* 1.7, 悬移质为主 匀速下沉的速度(cm/s)
波浪摩阻流速 经验公式(6-10)：
例7-1 泥沙起动之判断算例
二、泥沙运动界限水深
定义：水深变浅，波高增大，波浪非线性增强，泥沙从深水区域 的无净输移(无海床变形)转变为浅水区域的净输移(有海床变形)， 这一转变过程的临界状态对应的水深即~(闭合水深)
图7-5
二、泥沙运动界限水深
hc H s0 2.28 10.9 , D 0.14 0.42mm 7 12 H s0 Ls 0
u* D amb c f , D
临界希尔兹参数
m c
or m c分别代表？
临界希尔兹参数
图7-3 临 界 希 尔 兹 参 数 C
c wave 0.05
泥沙流体参数 S * D
s 1 gD / 4 s s
(7-16)
计算波浪摩阻系数 fw 时 △=2.5D50(沙粒阻力)
沙纹尺度
1981，Nielson 不规则波 注意：计算中采用有效波高H1/3
8 693 0.37 ln exp 7 1000 0.75 ln amb
(7-17)
决定海岸工程的成败
影响海岸堆积地貌的发育
沧海桑田，海枯石烂
海岸泥沙运动的研究内容
港址选择及工程安全
预测岸滩演变
计算近岸区的输沙率
横向输沙率
沿岸输沙率
海岸泥沙的来源
泥沙：岩石经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 海洋生物残骸碎屑
其它……
波浪水流对泥沙的作用
D 2 umb 2 FDm A m CD 4 2
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
1 2 2 u v 伯努利方程： p gz f (t ) t 2

amb
21 1.85 10
(7-18)
0.25 0.342 0.34 m 2.5
s =10
2 0.447 log D 1.961 log D 2.736 50 50
(0.06mm<D<6.0mm)
沙质海岸泥沙横向运动变化
umb
H T sinh kh
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
mb 1 4 tan f wm 2 2 s gD 3 CD CL tan
希尔兹参数 无因次床面剪切力 底部剪切力≥泥沙稳定力
另一泥沙起动判数
m mb 1 4 tan f wm 2 s gD 3 2 CD CL tan
泥沙颗粒质量
加速度
闭着眼睛假想：将流体视为静止，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
无限长水平床面上无粘性单沙粒的起动受力分析
水流拖曳力与惯性力的相对大小
D 1 ~ 10mm
FPm D du 1 Cm FDm 6 dt max
Wave
umax
u
惯性力FP
升力FL
水流拖曳力
O
FD
床面摩擦力Ff
重力W
无粘性泥沙的起动临界条件 水流施加于泥沙的作用力>泥沙颗粒抵抗运动的稳定力
单沙粒起动受力分析-水平合力平衡
FDm Ffm
无限长水平床面上无粘性单沙粒的起动受力分析
水平向-水流拖曳力
m
1 2 f w umb 2
稳定流沙纹和波导沙纹比较
纵剖面不对称，具有平缓的迎 流坡和相对陡峭的背流坡
流导沙纹
稳定流沙纹和波导沙纹比较
对称外 形，沙 纹高度 和间距 均匀， 波峰尖 锐，波 谷圆滑
波导沙纹
天然细沙海滩的沙纹演变(Dingler and Inman)
① θm<θc：深水区，泥沙未起动，过去较大风浪残留沙纹 ② θc<θm<40 ：水深变浅，水流增强，新月状，波高η和波长λ 增大，但波陡基本不变(≈0.15)，波峰线短，称为漩涡沙纹 ③ 40<θm<240：水深变浅，水流加强，波高η减小，波长λ不变， 沙纹趋于消失，称为过渡沙纹 ④ θm>240：水流足够强，沙纹消失→平坦床面，发生层移运动
压力项 速度项
无限长水平床面上无粘性单沙粒的起动受力分析
水平向-惯性力：F=ma
附加质量系数
ub t umb cos t amb sin t
FPm
3 3 D du D 2 1 Cm 1 C a m mb max 6 dt 6
• 无泥沙运动：泥沙完全静止
• 轻微的泥沙运动：个别可数的细颗粒泥沙运动(临界起动) • 中等强度的泥沙运动：床面各处均有<D50的泥沙在运动
• 普遍的泥沙运动：各种大小的沙粒均已运动，床面急剧变形
无限长水平床面上无粘性单沙粒的起动受力分析
√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（康德拉耶夫斯基）
3
1 Cm
CD 4
D3
6
2
amb 2
2
D umb
2
4 1 Cm D 3 CD amb
1
Am 100 ~ 2000mm
FD ub t
实际上，两者还存在π/2的相位差
dub t FP dt
无限长水平床面上无粘性单沙粒的起动受力分析
D 2 hc H0 2.4 sinh L0 L0 Lc
13
H0 Hc
7 13
Hs0， Ls0 -深水有效波高和波长
Hc， Lc –界限水深处的波高和波长
请记下待做的习题
习题7.3，7.9，7.10，7.14
注明班级、学号、姓名 下周四课前，各班学习委员收齐后上交