破波作用下粉沙悬移质运动特性的研究

摘要

粉沙质海岸泥沙运动规律与沙质、淤泥质海岸有很大不同。在小风浪作用下,泥沙运动微弱,在大风浪作用下泥沙运动强烈,形成底部高浓度含沙层,水体含沙量急剧增大,并常引起航道的骤淤。研究大风浪作用下悬移质运动对于揭示粉沙质泥沙运动机理、预测航道淤积等有重大意义。本文通过波浪作用下粉沙质海岸粉沙悬移质试验,研究了波浪未破碎及破碎作用下粉沙在水槽中的运动特性,主要内容和结果如下:
　　 (1)利用黄骅港粉沙进行动床水槽试验,测量了沿水槽纵向流速、波高及含沙量的变化,包括波浪未破碎和破碎两种情况；
　　 (2)比较了有限水深条件下波浪未破碎时底摩阻能量损耗和紊动能量损耗,认为两者相当,不能忽略紊动能量损耗对波高的影响,同时考虑波浪破碎引起的能量损耗,推算波高沿水槽纵向的变化,与实测值吻合较好；
　　 (3)分析了泥沙悬浮的能量来源,并基于能量平衡原理,研究了波浪未破碎及破碎情况下断面平均含沙量。结果表明:断面平均含沙量在破波前沿水槽纵向逐渐增大,并在破波点附近达到最大,破浪破碎后沿程逐渐减小；
　　 (4)计算波浪未破碎及破碎情况下泥沙扩散系数,并选择断面上含沙量等于断面平均含沙量的点作为参考点,推求悬沙浓度沿垂线分布。根据计算,波浪未破碎时,参考点位于距底面0.3倍水深处；波浪破碎后,参考点位于距底面0.65倍水深处。波浪破碎前,上下层水体含沙量分布梯度较大,底部存在高浓度含沙层；波浪破碎后,破碎导致强烈的混掺作用使上下层浓度趋于均匀,底部高浓度含沙层消失；
　　 (5)分析了粉沙特有的底部高浓度含沙层,对其高度及上边界浓度进行了探讨。根据实验观测底部高浓度含沙层形成的现象,认为底部高浓度含沙层高度与泥沙交换系数呈正比,以推算出的高度插值计算高浓度层上边界含沙量基本维持在5kg/m3。高浓度层上边界含沙量可用来区分底部高浓度含沙层与上部水体,对于进一步研究底部高浓度含沙层有一定的意义。
　　 (6)收集黄骅港现场实测资料,对本文提出的公式进行验证。结果表明,计算值与实测值吻合较好,能够预测粉沙质海岸悬移质泥沙运动特性。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 研究目的和意义

1.2 粉沙质海岸泥沙特性

1.3 问题的提出

1.4 主要研究内容

第二章 相关研究的发展与现状

2.1 能量损失

2.1.1 波浪紊动耗能

2.1.2 波浪底摩阻损耗

2.1.3 波浪破碎引起的能量损失

2.2 波浪水体悬移质挟沙力

2.3 波浪水体悬移质含沙量沿垂线分布

第三章 试验内容及方法

3.1 试验研究内容

3.2 试验设备和仪器

3.3 试验步骤

3.4 实验组次

第四章 沿程流速及波高变化分析计算

4.1 波浪水质点流速沿程变化分析

4.2 波高沿程变化计算

4.2.1 紊动耗能与底摩阻耗能

4.2.2 波高沿程变化计算

4.2.3 计算值与实测资料验证

第五章 粉沙悬移质运动计算分析

5.1 悬移质挟沙力计算

5.1.1 波浪未破碎时悬移质挟沙力

5.1.2 波浪破碎时悬移质挟沙力

5.2 悬移质沿垂线分布计算

5.2.1 泥沙垂向扩散系数

5.2.2 参考点含沙量

5.2.3 实测各组次悬移质含沙量垂线分布

5.2.4 悬移质含沙量沿垂线分布公式验证

5.3 底部高浓度含沙层厚度及浓度计算

5.3.1 底部高浓度含沙层的高度

5.3.2 底部高浓度含沙层的浓度

5.4 含沙量及波高沿水槽变化

第六章 粉沙质海岸风暴潮期航道骤淤计算与验证

6.1 自然条件简介

6.2 回淤计算

第七章 结论和展望

7.1 主要结论

7.2 研究展望

参考文献

致谢