波浪作用下沙坝剖面形成过程的数值模拟.pdf

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1、第23卷第l期水科学进展Vo1．23．No．12012年1月ADVANCESINWATERSCIENCEJan．，2012DOI：CNKI：32．1309．P．20l20104．2012．010波浪作用下沙坝剖面形成过程的数值模拟术张弛，郑金海，王义刚。，(1．河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏南京210098；2．河海大学港口海岸与近海3-_程学院，江苏南京2100983．河海大学海岸灾害及防护教育部重点实验室，江苏南京210098)摘要：建立了波浪、底部离岸流、泥沙运动和沙滩

2、剖面演变耦合数学模型，模拟了实验室中波浪作用下沙坝剖面的形成过程，讨论了各个物理参数对剖面上的水动力和地形变化的影响。通过参数率定，较好地复演了不规则波作用下沙滩地形由均匀斜坡向沙坝剖面的演变，波高、底部离岸流、输沙率和剖面演变的计算结果与实测数据吻合良好。采用数值实验和误差分析方法，讨论了破碎波水滚倾角、泥沙扩散系数和床面休止角等物理参数对计算结果的影响。研究表明，所建立的模型能较好地描述波浪作用下沙坝剖面形成过程中的重要物理机制。关键词：波浪；泥沙运动；沙坝；数学模型中图分类号：P753文献标

3、志码：A文章编号：1001—6791(2012)01—0104-06在风暴季节较强波浪的作用下，沙质海岸将遭受显著的侵蚀，岸滩被冲刷且滩面坡度变缓，大量泥沙被悬浮并向海输移，最终在破波点附近堆积形成沙坝，构造出典型的沙坝剖面，又称风暴剖面，现场和实验室中都能观测到这一过程H。开展沙坝剖面形成的机理研究和数值模拟对海岸防护有重要意义。早期研究主要通过一些经验关系式来判断海滩剖面的类型及其演变趋势，这些经验关系式基于对实测数据的率定，通常与波陡、泥沙粒径和岸滩坡度等参数有关。基于物理过程的研究表明，沙

4、坝剖面的形成与底部离岸流、亚重力波和非线性波相互作用等因素有关。其中已得到较广泛认同的是，强烈的波浪破碎在破波带内引起较大的水体紊动并悬浮起较多的泥沙，大量悬浮泥沙随底部离岸流的向海输运是岸滩侵蚀和沙坝形成的重要动力机制。这个理论也被大多数基于动力过程的数学模型所采用⋯，这些模型的主要区别在于对海滩剖面上水动力结构的描述。本文基于改进的海滩底部离岸流计算模式，建立了沙滩剖面演变数学模型，模拟了实验室中波浪作用下沙坝剖面的形成过程，讨论了各个物理参数对剖面上的水动力和地形变化的影响。1数学模型所建立

5、的数学模型耦合了，波浪模型、底部离岸流模型、泥沙运动模型和海床演变模型。使用考虑波面水滚效应的波能守恒方程求解沙滩剖面上的波要素分布。波浪能量和水滚能量守恒方程可分别写为：．．．一D(1)～．．．(2)收稿日期：2010-05—05；网络出版时间：2012一O1—04网络出版地址：http：／／www．cnki．net／kcms／detail／32．1309．P．20120104．2012．010．html基金项目：国家重点基础研究发展计划(973)资助项目(2010CB429002)；河海大学水

6、文水资源与水利工程科学国家重点实验室专项经费资助项目(2009585812)作者简介张弛(1985一)，男，福建莆田人，讲师，博士，主要从事海岸泥沙与地貌形态、动力学研究。E—mail：czhanghhu@hotmail．eom—通信作者郑金海，E—mail：jhzheng@hhu．edu．cn第1期张弛，等：波浪作用下沙坝剖面形成过程的数值模拟105式中E为波浪的能量密度，N／m；E为水滚的能量密度，N／m；c为波速，m／s；c为波群速度，m／s；D为波浪破碎损失的能量，N／m；D为底部摩擦损失

7、的能量，N／m；D为水滚损失的能量，N／m；为水平方向上的坐标，1TI。波浪破碎损失的能量D由Janssen和Battjes¨随机波破碎公式计算得到。D和D的表达式为2gErsinfl(3)D：u3D：_，2√1T式中P为流体密度，kg／m；fw为波浪摩阻系数；为波浪近底最大振荡速度，m／s；JB为水滚的倾角；g为重力加速度，m／s。。考虑一个封闭的海岸剖面，令6为边界层厚度，m；h为波谷面距底床的高程，m。底部离岸流在中间层和边界层内的动量方程和水深积分的质量守恒方程可整理为¨+)(，一音)=O

8、U(6≤≤(4)亍一(亍一+)(一云)+(·一詈)=p。c。≤≤c5(h,Udz+一Ew+堡：0(6)Jopcpc式中U为底部离岸流速度，m／s；亍和亍分别为时均波谷面剪切应力和时均床面剪切应力，m／s；为紊动涡粘系数，m／s；为距离底床的高程，m。边界层厚度的计算表达式为6=0．09(A／k)，式中A为波浪近底水质点振幅，in；k为床面粗糙高度，ITI，取为2．5倍的泥沙中值粒径(2．5d。)。在破波带内，假设紊动涡粘系数与破碎能量损失有关且在垂向上呈线性分布，可写为Vt=2fv