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《泥沙在波浪作用与波浪和水流共同作用下受力比较》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。
1、http://www.paper.edu.cn泥沙在波浪作用与波浪和水流共同作用下受力比较李增勇河海大学交通学院，南京(210098）E-mail：li-zengyong@163.com摘要：本文从床面附近泥沙颗粒的运动特征出发,详细分析波浪作用下床面泥沙扬起的动力学机制,得到了波浪掀沙计算公式。利用边界层理论,导出了床面剪切力、综合摩阻系数、综合速度和综合摩阻速度。关键词：波流共存，波浪掀沙，床面剪切力，边界层1.波浪掀沙的动力学机理泥沙颗粒的扬动模式：已有的研究表明,床面上的泥沙颗粒在垂直方向上受到
2、大于沙粒水下重力、粒间粘结力和薄膜水附加压力等的上扬动力后,沙粒就会扬起.沙粒从床面跃起时需要一定的初始速度,显然是在较短的时间内通过动量转化而具有的.这种转化可以从以下三种途径获得:(1)沙粒作跃移运动,在获得了水流传给的动量后,在跃落在床面时,与床面发生碰撞,在很短的碰撞瞬间,跃起的沙粒获得了较大的动量.(2)由于床面的不平整,水流发生局部分离,将泥沙卷起,使泥沙在较短时间内获得较大的动量.(3)床面附近的紊动猝发,带动泥沙颗粒,迅速传递给沙粒较大的动量.由此,我们将泥沙颗粒的扬起过程概括为以下三种
3、途径和模式：1）沙粒通过跃移运动获得较大的动量,并在跃移上升的过程中,被大尺度的紊动水团挟带呈悬浮状态.2）对于不平整床面,由于水流在床面附近产生局部分离,将沙粒卷起,沙粒获得充分动量,在卷起的过程中,进一步被主流区的大尺度紊动水团挟带悬浮.3）近壁床面上水流的紊动猝发,被低速水团挟带的泥沙在上升过程中,又不断从主流区的大尺度紊动水团中获取新的动量,从而继续地呈悬浮状态.扬动模式Ⅰ表明泥沙颗粒的跃移运动是泥沙运动的一个重要形式,泥沙颗粒由推移运动转入悬移运动一般都要经过跃移运动这一过程.扬动模式Ⅱ和扬动
4、模式Ⅲ通常可以使床面泥沙不经跃移过程,甚至直接从静止状态转为悬移运动.显然扬动模式Ⅱ特别是扬动模式Ⅲ更易于解释淤泥质河口海岸地区泥沙在波浪的作用下一经起动立即进入悬浮状态的现象.1.1波浪掀沙的动力学分析对于浅水波(h/L<0.15),近底水质点可产生周期性的往复运动，从而可能引起海底泥沙运动.根据线性理论,在有限水深情况下,其水质点波动速度可由下式表示：πHkcosh[(z+h)]uk=−cos(xσt)（1—1）TksinhhπHksinh[(z+h)]vk=−sin(xσt)（1—2）Tksinh
5、h(1)水下颗粒的有效重力-1-http://www.paper.edu.cnWa=γ−()γd（1—3）1sa为沙粒的体积系数.1(2)上举力22u−hFCd=αγ（1—4）LL22g式中,C为上举力系数;α为铅直方向的沙粒面积系数.L2(3）脉动上举力考虑到水流的紊动作用,将水流对泥沙的垂向作用分为两部分,即除了上述上举力外,另一部分为脉动上举力,参照时均上举力的表达式将其表示为:22()v−′hFCd′=αγ（1—5）LL2g式中,v′-h为底部垂向脉动流速.在这里引入刘家驹求得的波动水体的平均垂
6、向脉动速度:11⎛⎞g2b⎛⎞hk2δsinh2(h+k),0vb=+H⎜⎟[1⎜⎟（1—6）2⎝⎠hb⎝⎠gTksinhh式中,b0、b为待定系数;δ为波陡.式表明在波浪的作用下,垂向脉动速度并不服从正态分布,这与明渠水流垂向脉动流速呈正态分布不一样.在床面上,z=-h时1,⎛⎞g2vb=H⎜⎟（1—7）−h⎝⎠h(4)粘结力与薄膜水附加压力细颗粒之间由于粘结力的存在,使颗粒成结合状态.对于由静止起悬的细颗粒,必须克服颗粒间粘结力和薄膜水附加压力,使颗粒松动后才有可能悬浮.也就是说,细颗粒泥沙由静止起
7、悬应同时满足松动条件和悬浮条件.薄膜水附加压力：πN=φγhdδ（1—8）12式中,δ为与沙粒缝隙大小有关的特征厚度;φ为修正系数,φ=1/16颗粒间的粘结力πN=φεd（1—9）222式中,ε为粘结力系数,其因次为[FL/L],εk=ε/ρ.根据交叉石英丝试验成果定为-42δ=0.213×10，ε=2.56cm/s.k综上所述,波浪作用下细颗粒泥沙在床面上由静起悬时的条件应为:-2-http://www.paper.edu.cnF+≥++FWNN′（1—10）LL122.波浪、水流共同作用下的泥沙起动
8、受波浪作用的开敞海岸,当波浪水质点的最大轨道速度umax大于泥的起动流速u时,泥沙bc将被移动和掀扬,由于波浪水质点的轨道速度u几乎是封闭的,故泥沙只好在原地上扬和下沉;而b波浪的传质速度ut、潮流流速ud和风吹流速uw的合成速度vm才起到输沙作用,vm的方向即是泥沙输移的方向.参考文献方法,令d为泥沙粒径;H为水深,则单位时间、单位面积上波动水流的能量为E=γKHiu(1—11)bb当umax>u时,泥沙即能移动.bc2.1波、流共存时的
