海啸波作用下岸滩剖面演变规律研究

摘要

海啸在近岸地区会引起剧烈的泥沙运动和岸滩演变。
　　 本文基于波浪水槽实验对海啸波作用下岸滩削面和床沙组成变化开展研究。实验采用1/10和1/20的组合坡度,斜坡分别采用两种和三种粒径泥沙堆砌而成,并采用三种不同的水深,选取N波来模拟海啸波,同时进行了规则波和不规则波作用下的对比实验。实验对波浪的破碎、上爬、回落和水跃过程,每个波作用后的地形变化以及初始和最终的泥沙粒径组成进行了测量和记录。
　　 实验结果表明N波作用下岸滩发生了明显的冲刷和淤积,呈沙坝剖面,回落的水流使得前滩和滩肩发生冲刷,泥沙在离岸区域水跃发生处淤积,研究结果与其他学者的实验结果一致。当水深足够大时,N波几乎不会引起地形变化,这一实验结论与现场观测得到的结果一致,表明海啸中淤积的泥沙主要来源于近岸地区,而非深海。
　　 实验研究考虑床沙级配变化和岸滩坡度的影响,对海啸波作用下岸滩剖面变化和床沙组成变化规律进行深入分析。通过泥沙采样分析发现,淤积沙坝泥沙粒径呈粗化趋势,研究结果与海啸现场观测结果一致,实验首次揭示了海啸作用下非均匀输沙、粗化等独特现象。同时发现N波作用后得到的岸滩剖面的形状与部分规则波和非规则波作用后的实验结果相同,均为离岸淤积沙坝剖面,但是泥沙粒径变化结果却相反,而这些结果并不矛盾,均遵循Celikoglu(2006)提出的泥沙运动的基本原则,细颗粒泥沙会在强烈的紊动作用下从床面中被筛选出来,并被搬运到低紊动地区,此过程造成了剧烈紊动区泥沙的粗化。
　　 在实验研究的基础上,本文基于Boussinesq方程耦合泥沙运动和地形演变模型,同对考虑了床沙组成变化计算,建立了海啸作用下岸滩和床沙级配变化平面二维数学模型。模型考虑波浪破碎和底部摩擦的作用,采用Wei(1999)原函数造波的方法,动边界处理采用线性外插法,地形演变方程采用WENO格式进行离散求解。
　　 通过一系列的验证和实验数据的比较,证明本文建立的数学模型能很好的模拟海啸波的传播、破碎、上爬和回落过程,能较好的模拟岸滩的冲淤变化过程,同时能较好的模拟床沙的组成变化过程,并对Engelund(1972)、Ackers(1973)和Van Rijn(1984)全沙俞沙率经验公式进行对比研究。
　　 最后利用建立的数学模型分析了海啸波作用下岸滩和床沙级配变化特点,进一步获寻了海啸波作用下岸滩剖面变化和床沙组成变化规律。