极平缓海滩上的波浪浅化

摘要

近岸带浅水海域是人类各种经济活动最活跃的地区(诸如商港和渔港的建设,与海上各种资源开发相关联的海上建筑物的设置,与沿海城市和工业区开发相关联的海堤等设施的建设,沿海电站建设等).在此类地区各种海上建筑物的设计均取当地的极限波高--破碎波高.目前国际上应用较多的是合田良实所提出的方法,我国港口工程现行规范也采用这一方法.该方法是基于海底底坡大于或等于1:50的规则波的研究成果.大体上当底坡为1:50时,极限波高的极值为水深的0.78倍.但是我国许多地区(如环渤海和苏北等地)粉沙质和淤泥质海岸的底坡坡度均在千分之一以下,甚至为万分之一.在这样平缓的海滩上,波浪传播过程中受底部影响损失了大量能量.澳大利亚Nelson研究认为在千分之一坡度的海滩上极限波高最多为水深的0.55倍.美国LeMehaute曾指出在万分之一的海滩上,波浪很可能不再破碎,波浪在传播过程中波高一直衰减以致消失而不会破碎.因而对于极平缓海滩上的波浪浅化就有其特殊性,主要体现在如下两点:一是在极平缓海滩上当波浪破碎时,其极限波高是多少?二是在什么条件下不会出现波浪的破碎现象?这两个问题在波浪浅化理论上尚待研究解决,而在工程应用上则至关重要,对海岸带的工程投资有巨大影响.由于目前国内外对此问题研究很不充分,很不成熟,在工程规范和设计理论上感到缺乏依据.因此无论从理论上或从工程应用上都很有必要对此问题进行深入研究.通过理论计算与实验研究对上述问题做了分析研究.首先通过对极平缓岸坡上波浪底部能量损耗的比较研究,找到可供工程实用的简便计算方法.平缓海滩的床质多为细砂、粉砂或淤泥,其底部能量损耗可以用底摩阻模型或宾汉模型计算.研究证明底摩阻模型计算简便,适用范围较宽,而宾汉模型则适用于淤泥质海岸.通过比较研究提出了淤泥底床上波能损耗可以采用等效摩阻模型计算,关键在于选用恰当的等效摩阻系数.研究结果显示该等效摩阻系数比沙质海滩的摩阻系数增大一个至几个数量级,得出了该等效摩阻系数的大体变动范围,在工程上有很好的应用价值.其次是在1:200底坡上进行规则波与不规则波破碎条件的实验研究,对破碎的特征条件和影响因素做了深入研究,得出可供工程实用的简明破碎指标.在物模实验基础上,又通过边界元方法的数值模拟分析提出了极平缓岸坡上规则波与不规则波的波浪破碎条件.从理论上证明破碎的特征条件是水质点水平速度u达到波速C,并首次提出在平缓海滩上波峰对垂直轴不对称状态对波浪破碎影响的深入分析成果,它乃是国际上合田良实与Nelson在波浪破碎几何指标值争论的基本原因.最后是关于波浪不出现破碎的临界坡度的研究.根据能量守恒准则和波浪破碎条件,通过计算得出在极平缓岸坡上波浪不再破碎的临界岸坡条件.对于规则波,不产生破碎的临界坡度在1:700以下.

目录

文摘

英文文摘

1前言

1.1研究的目的和意义

1.2国内外研究概况-历史与现状

1.2.1关于波浪破碎指标

1.2.2关于底部波能损耗

1.2.3关于波浪浅化波浪在平缓岸坡上的传播\变形及破碎

1.2.4近岸波流场数值计算的几种模型

1.2.5近岸波流场数值计算的几种常用方法

1.3本文的主要工作

2平缓岸坡上波浪破碎的实验研究

2.1波浪破碎指标

2.2实验目的

2.3实验概况

2.4实验成果分析

2.5小结

3极平缓岸坡上的底部波能损耗

3.1理论模型

3.1.1底摩阻模型

3.1.2多孔介质模型

3.1.3沙波床面底阻模型

3.1.4淤泥质底的宾汉模型

3.2计算结果分析

3.3小结

4平缓岸坡上规则波破碎的数值计算

4.1控制方程与定解条件

4.2边界元方程

4.3波面与速度势的时间过程推算

4.4数值消波

4.5数值结果及其与实验结果对比

4.6小结

5考虑底摩阻损耗的波浪传播与衰减

5.1考虑底摩阻损耗的底部边界条件

5.2波浪在水平底床上传播与衰减计算

5.3波浪在极平缓岸坡上传播与衰减计算

5.4小结

6极平缓海滩上波浪传播不再破碎的临界坡度

6.1分区计算方法及公式

6.2数值结果

6.3小结

7结语

参考文献

博士期间发表的论文

博士期间获奖科研项目

创新点摘要

致谢

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