波浪边界层下的泥沙起动

本文正是在这种背景下，通过对Ｍａｄ”ｎ和ＧｒｍｌＬ７１研究方法的回顾和讨论，提出波浪边界层泥沙起 动概念，然后借助于水流泥沙起动研究方法，对不同波浪边界层的泥沙起动分别进行讨论，最终获得一 条以ｓｈｉｅｌｄｓ参数表示的波浪泥沙起动曲线。
２ Ｍａｄｓｅｎ和Ｇｒａｎｔ方法的回顾
Ｍａｄｓｅｎ和Ｇｍｎｔ总结前人的研究成果，将单向水流ｓｈｉｅｌｄｓ泥沙起动标准曲线引入到波浪条件。提
由于ｓｈｉｅｌｄｓ起动曲线是建立在边界层理论基础上的，因此，在将紊流条件下得到的ｓｈｉｅｌｄｓ曲线引 入到波浪泥沙起动状况时，必然造成层流区和层流一粗紊过渡区的不一致。由图ｌ可见，床面泥沙颗粒 粒径较粗而处于阻力平方区时，数据点与ｓｈｉｅｌｄｓ曲线吻合得较好，表明其起动规律与单向水流情况下 基本一致；而在其他两区时，数据点与曲线的偏差较大，而且具有系统性。由此，下文将按不同的波浪边 界层引入相应的水流起动标准曲线，以得到符合实际的完整的波浪泥沙起动曲线。 ４．１波浪层流区起动曲线
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因此，在波浪紊流区，可以取水流作用下泥沙起动切应力带的平均值，即尘。＝Ｏ．０５，可得波浪作用
下粗糙紊流区泥沙起动切应力关系，即
百÷；厨２ ｏ·０５
（２４）
４．３波浪层流一粗糙紊流过渡区起动曲线 对于层流一紊流过渡区，由于天然状况下单向水流泥沙起动一般不会发生在该区，因此这方面的研
究基本没有开展。在本文将通过波浪和水流摩擦阻力系数的线型分析比较，推出该区的起动曲线的线 型，并以此将层流区和紊流区得到的起动曲线串联起来，得到一条完整的波浪泥沙起动曲线。
泥沙研究 JOURNAL OF SEDIMENT RESEARCH 2004，(1) 2次
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２００４年２月
泥沙研究
Ｊｏｕｍａｌ ｏｆ Ｓｅｄｉｍｅｎｔ ＲｅｓｅａＩｃｈ
第１期
波浪边界层下的泥沙起动
周益人１’２，尹畅安３
（１河海大学交通与海洋工程学院．江苏南京２１００９８
２南京水利科学研究院河港研究所，江苏南京２ｌ删
３＇Ｅ海恒祥滩涂开发管理有限公司，上海２００１２２）
摘要：首先对波浪作用下泥沙起动研究进行了回顾，通过分析，认为同样边界层下单向水流泥沙起动标准可以
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圈２水流作用下泥沙起动条件（ｓｌｌｉｅｌｄｓ曲线殛其修正）
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（１９）
根据ＤｉｎｇＩｅｒ”“和Ｍａｎｏｈａ，“的试验结果，给出ｏ，ｄ的范围２０００＞ｎ，ｄ＞１０。则将其代人式（１９），算得＾，
再代入式（１６），即可得
篆＿０００９ ｎ０９
（２０）
其比值依然很小。由此，可以认为在紊流边界层，就波浪作用下泥沙起动而论，体积力的影响仍然 是可以忽略的。
赢＝，（孕） ｓｈｉｅｌｄｓ从作用在床面泥沙颗粒上的力的平衡出发，推导出无粘性均匀沙粒的起动剪应力公式 （…２１７） （Ｐ．一ｐ）ｇｄ—ｏ＼＂』
式中函数，的形式需要通过试验确定。削２为ｓｈｉｅｌｄｓ利用四种不同比重的泥沙所得到的试验结果，以 及其他一些学者和研究机构的资料“５“７１得出的起动曲线。
ｓｈｉｅｌｄｓ认为在同一水流条件下，若泥沙较细，则可能受到层流边界层的隐蔽作用，此时就需更大的 剪应力才能使之起动，当ｎ．ｄ，”小于２以后，曲线成为一条４５。的直线，这时，起动条件与粒径无关。应 该指出的是，ｓｈｉｅｌｄｓ虽然断言在沙粒雷诺数小于２以后，咿，与雷诺数的关系成为一条４５。的直线，但实 际上在这一范围内并没有实验数据。ｓｈｉｅｌｄｓ只是从泥沙沉降时阻力系数与雷诺数之间的关系相类比出 发，推断出沙粒雷诺数小到一定程度以后，口．与沙粒雷诺数之间应该有一个反变关系。从图２中 ｗｈｉＬｅ”“和Ｍａｎｔｚ““的粉沙实验资料来看，这一推论与事实不符，在这一雷诺数范围内，职与沙粒雷诺 数的０．３次方成反比。由此可见，ｓｈｉｅｌｄｓ虽然为研究泥沙起动规律奠定了基础，但其光滑紊流区的起动 曲线即使对单向水流泥沙起动也不符合，而将其引入波浪层流区更是不恰当的。
综上所述，就波浪作用下的泥沙起动而言，颗粒所承受的力主要是拖曳力，因此，可以将单向水流作 用下的泥沙起动标准引入波浪条件，但必须注意的是：引入时，其边界层一定要一一对应。
４波浪泥沙起动曲线的推证
由上节的讨论可知，对波浪作用下泥沙起动可以引入单向水流泥沙起动标准，而在第２节的分析中 发现，当我们将单向水流ｓｈｉｅｌｄｓ曲线引入到波浪泥沙起动研究时，却与实测资料发生系统偏差，对于这 个问题首先必须从“引进”的前提条件人手，即：彼此边界层必须一一对应。众所周知，ｓｈｉｅｌｄｓ单向水流 条件下泥沙起动曲线是在紊流试验条件下得到的，其剪应力公式的全部理论推导和试验结果，是建立在 不同水流条件及床沙条件下的，河床表面因粒径与层流边界层厚度之比ｄ，ａ的不同，而存在着紊流光 滑区、过渡区和粗糙区。另一方面，按Ｊｏｎｓ”ｎ的图解，建立在不同波浪条件和床沙条件下的各家试验资 料表明：泥沙起动存在于层流区、层流一粗糙紊流过渡区和粗糙紊流区。与单向水流ｓｈｉｅｌｄｓ起动曲线 相比，除粗糙紊流区相一致外，其他两区不尽相同
李保如…’曾对单向水流作用下的泥沙起动进行研究。其观点与ｓｈｉｅｌｄｓ类似，即认为当泥沙粒径大 于边界层厚度很多时，可以忽略后者的影响；当泥沙粒径与边界层厚度相近时，水流处于过渡区内；当粒
万ｉ茬祈２烈ｍ√引Ｒ）～ 径小于边界层厚度很多时，水流处于光滑区。并由起动曲线推导出计算公式
（２５）
式中 “为水流平均流速；Ｒ为水力半径。 由此对单向水流起动曲线的形状进行了分析，认为图２的ｓｈｉｅｌｄｓ线形是不难理解的。式（２５）左端
１９
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波浪边界层下的泥沙起动
作者： 作者单位：
刊名： 英文刊名： 年，卷(期)： 引用次数：
周益人， 尹畅安 周益人(河海大学,交通与海洋工程学院,江苏,南京,210098;南京水利科学研究院,河港研究 所,江苏,南京,210024)， 尹畅安(上海恒祥滩涂开发管理有限公司,上海,200122)
出采用Ｊｏｎｓｓｏｎ…的波浪摩擦系数研究成果，计算振荡流作用下床面切应力，ｓｈｉｅｌｄｓ参数可由下式算得
峨＝丽ｉ‰
（１）
收稿日期：２００３。０ｌ－１３ 作者筒介：周益人，（１９“一），男，浙江宁波人，高级工程师，博士生，主要从事海洋工程研究。
１５
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（２）紊流边界层 在紊流边界层，＾是ａ，ｄ的函数，其值可由Ｊｏｎｓｓｏｎ”１的研究成果算得。ｓｗａｒｔ“４将其改写成显函数 形式，即
来说，由于存在近壁层流层，边壁附近的流态与层流比较接近，这两部分点群就聚合在一起，以
石三两。０肿ｅ＊“３
（２２）
为其渐近线。 因此，在波浪层流区可引入Ｙａｌｉｎ和ＫａｍｈａＩｌ（１９７４）的层流起动曲线。
４．２波浪粗糙紊流区起动曲线
图２的ｓｈｉｅｌｄｓ曲线中，当肫，大于ｌＯ以后，随着粒径的加大，沙粒的重量也增大，从而加强了沙粒 的稳定性，使其起动剪应力也相应增大。当＆，大于１ ０００以后，曲线就成为一条水平线，这一区域称 为粗糙紊流区，此时
１ 引言
海洋环境中，对航道设计、岸滩稳定计算及岸滩演变等问题进行研究时，都要求有比较准确的泥沙 起动公式。到目前为止，各国学者所做的试验研究已经相当多，并由此产生了一系列的泥沙起动经验公 式。Ｂａｇｎｏｌｄ…及Ｍａｎｏｈａｒ”’在水槽内用振荡底板进行泥沙起动试验；Ｒａｎｃｅ和ｗａｒｒｅｎ”１用振荡管对粒径 ｄ＝４．８ｃｍ的粗沙进行了起动试验，进而获得处于紊流边界层的粗沙起动经验关系。Ｂ％ｎｏｌｄ和Ｍａｎｏｈａｒ 研究中所采用的振荡底板或Ｒａｎｅｅ和ｗａｒｒｅｎ所采用的振荡管的优点是，可以获得原型量级的周期、振幅 和速度，而在一般的波浪水槽中，周期通常局限于２～３ｓ以下。ｖｉｎｃｅｎｔＬ４１及Ｈｏｉｋａｗａ和ｗａｌａｎａｂｅ”１用波 浪水槽进行泥沙起动试验，得出波浪作用下的泥沙起动标准。由于影响泥沙起动的因素十分复杂，实验 数据存在着一定的离散性，所得的经验关系差别较大，在某些条件下各家公式的计算值可相差几倍，甚
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Ｙａｈｎ和Ｋａｍｈａｎ“８１用甘油溶液专门研究了层流条件下的泥沙起动（见图２）。由图可见，层流中的泥 沙起动规律和紊流条件下的泥沙起动是不一样的，前者要求的剪应力一般较后者为大。对光滑紊流区
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用于波浪条件，在此基础上，对不同边界层单向水流和波浪作用下起动曲线进行对比论证，由此得到波浪作用
下泥沙起动标准曲线并给出相应的计算公式，大量试验资料表明，该曲线与实验值有着良好的一致性。
关键词：波浪；泥沙起动；边界层
中图分类号：Ｔｖｌ４２
文献标识码：Ａ
文章编号：０４６８—１５５ｘ（２００４Ｊ叭一００１５—０８
至十几倍。ｓｉｌｖｅｓｔｅｒ和Ｍ唰ｄｇｅ”ｏ曾对１３个这样的经验公式进行比较，也清楚地表明了这一点。由此可
见，对于波浪泥沙起动问题，试验资料所覆盖的范围已相当大，在没有发现更先进的试验方法前，对该问 题似乎没有必要再做更多的重复性试验，提出更多的经验公式，而是要求对这一问题的性质有更全面的 了解并求得合理的解答。同时，随着人们对渡流共同作用下泥沙起动研究的深入，由于作用于泥沙的动 力更趋复杂，按上述波浪泥沙起动研究思路所得的经验公式表现出更大的不确定性，这也使得人们回过 头来重新研究波浪泥沙起动问题，试图对其性质和机理作进一步的分析和了解。
尘ｃ ２丽毒厨。０脚
（２３）
式（２３）表示起动切力和沙粒粒径成正比例，而和沙粒雷诺数无关。继ｓｈｉｅｌｄｓ之后，有不少科研工作者 做过泥沙起动研究””，当沙粒雷诺数很大时，试验数据的总体趋势基本为一条水平带，ｓｈｉｅｌｄＢ的哆＝
０．０６这个数值可以作为上限，下限约为０．０４左右，大部分实验点据都落在该范围内。