潮流和波浪作用下悬移质挟沙能力的研究

《潮流和波浪作用下悬移质挟沙能力的研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。

1、潮流和波浪作用下悬移质挟沙能力的研究摘要：本文将湍流猝发理论用于潮流与波浪共同作用下挟沙能力的研究。基于湍流猝发的时空尺度得到波浪和潮流作用下床面泥沙上扬通量，然后根据连续律，建立了平衡近底含沙量的理论表达式。进而根据波浪掀沙和潮流输沙的模式，推导得出了物理概念清晰和充分考虑床面附近泥沙交换力学机理的潮流和波浪共同作用下的挟沙能力公式，经过黄河口实测资料的验证，计算与实测符合良好。关键词：湍流猝发挟沙能力波浪掀沙潮流输沙1前言　　长期以来，人们对床面附近泥沙交换的力学机理的认识并不十分清楚，即使对于较为简单的二维恒定均匀流，国内外学者处理其底部泥沙边界的方法亦有六类之多[1]。

2、相比之下，潮流与波浪共同作用下的床面泥沙运动就更为复杂。正因如此，一般采用经验分析、因次分析、明渠水流挟沙能力公式的移植和能量平衡等方法建立潮流和波浪作用下的挟沙能力公式，以回避床面泥沙交换的微观机理[2]。床面附近的泥沙交换主要表现为重力作用下悬沙的沉积和床面泥沙颗粒在湍流运动作用下的上扬。以往传统的做法是采用扩散理论确定上扬的通量，即单位时间内穿过单位截面的扩散量应与浓度梯度成正比，等于浓度梯度与扩散系数的乘积，扩散系数的大小决定于产生扩散现象的原动力-涡体的脉动。在输沙平衡的情况下，在床面附近单位时间内穿过单位截面的上扬通量和沉降通量相等，则有ωSb+εsdS/dz

3、z=

4、-h=0(1)式中Sb为近底含沙量。　　因此，要使潮流和波浪作用下的水流挟沙能力的研究得到较快发展，突破传统的扩散理论是十分必要的。近些年来，随着对湍流猝发现象研究的深入，加之泥沙起动的间歇性和突然性，使一些学者联系到湍流（或称紊动）猝发现象。自Sutherland[3]提出泥沙起动与湍流猝发有关的论点以来，湍流猝发与泥沙运动相互关系的研究发展迅速[4～12]，主要是通过可视化的试验研究近床区湍流卷挟悬扬泥沙的机理。Jackson[13]通过野外观测分析，认为冲积河流中自由表面经常出现的沸腾状的浑浊水花是紊动猝发卷挟泥沙的具体表现。研究结果表明，床面泥沙的交换主要表现为紊动猝发

5、作用下的泥沙上扬和重力作用下悬沙的沉降。截至目前，紊动猝发理论主要集中于水槽和河流泥沙运动的研究，较少用于河口海岸泥沙运动的研究。事实上，河口海岸地区由于波浪和潮流的作用，近底床面更易发生紊动猝发现象。因此，本文引入紊动猝发理论，研究波浪和潮流作用下床面泥沙上扬通量，然后根据连续律，当悬移质处于不冲不淤的平衡条件下，泥沙上扬与沉降通量相等的条件，建立平衡近底含沙量的理论表达式；进而根据波浪掀沙和潮流输沙的模式，推导得出了物理概念清晰和充分考虑床面附近泥沙交换力学机理的潮流和波浪共同作用下的挟沙能力公式。2平衡近底含沙量的确定2.1泥沙上扬通量　　泥沙上扬通量为单位时间、单位床面

6、面积从床面扬起的泥沙颗粒的总质量。曹志先[14，15]基于湍流猝发的平均时间、空间尺寸构造了可自由冲刷床面泥沙上扬通量函数，即E=ρsπd3/6AN/TB(2)式中E为泥沙上扬通量，kg/m2s；TB为湍流猝发的平均周期，s；A为单位面积内对泥沙颗粒上扬有贡献的湍流猝发的平均面积，无量纲；N为可冲刷床面单位面积内所包含的泥沙颗粒数，N可由下式计算[16]N=6SVm/πd2(3)式中SVm为单位面积床面层的极限体积含沙量。黄河口床面淤积物中值粒径d50基本在0.01～0.05mm之间，本文SVm采用下式计算[17]SVm=0.511+0.0357logd50(4)　　单位面积上

7、使泥沙颗粒上扬的湍流猝发的平均面积A与单位面积上发生猝发的平均面积δ、湍流猝发对床面作用的剪切应力τb和床面泥沙临界扬动剪切力τe有关，则A=δτb/τe(5)　　对于泥沙颗粒比较细的河口地区，泥沙的起动往往是直接的扬动[18]，因此，在这里用临界起动剪切力τk代替临界扬动剪切力τe，故A=δτb/τk(6)　　单位床面上的平均猝发面积由猝发的空间尺度确定。根据已有的单向流大量实测资料表明[19]，猝发的平均流向尺度为40ν/u*(u*为摩阻流速，ν为水的运动粘滞系数），横向尺度为15～20ν/u*，相邻两个猝发带的平均流向间距为500ν/u*，横向间距为100～125ν/u*

8、。考虑到波浪和单向流共同作用较单向流独自作用更易发生湍流猝发现象，故笔者取猝发的横向尺度的上限为20ν/u*，相邻猝发带的横向间距的下限为100ν/u*。因此，单位床面面积内的平均猝发面积为δ=40×20/500×100=0.016(7)　　已有的大量实测资料表明近壁区的低流速带无因次间隔分布大致有相同的数值，即TB+=TBu2*/ν≈100(8)则TB=TB+ν/u2*(9)　　将式（3）、（6）和（9）代入式（2），整理后得床面泥沙上扬通量的计算式E=ρsδ/νTB+dSVmu4*/u2