【摘 要】
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海岸泥沙运动的突出特征是受破碎波浪影响。波浪破碎使得水底泥沙悬移或层移形成高浓度含沙量并产生地形变化,因此研究破碎波作用下的泥沙运动规律对于准确预报海岸地貌特征具有重要价值。本文通过大尺度水槽动床物理模型实验研究了不同波浪形态情况(规则波、波群和不规则波)悬沙浓度空间分布和时间变化特征,讨论了水底泥沙悬移对波浪时间序列中波高强弱变化的响应以及对波群长度变化的响应。利用实验结果提出了计算近底悬沙浓度
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海岸泥沙运动的突出特征是受破碎波浪影响。波浪破碎使得水底泥沙悬移或层移形成高浓度含沙量并产生地形变化,因此研究破碎波作用下的泥沙运动规律对于准确预报海岸地貌特征具有重要价值。本文通过大尺度水槽动床物理模型实验研究了不同波浪形态情况(规则波、波群和不规则波)悬沙浓度空间分布和时间变化特征,讨论了水底泥沙悬移对波浪时间序列中波高强弱变化的响应以及对波群长度变化的响应。利用实验结果提出了计算近底悬沙浓度Ca(即参考浓度)和悬沙垂向混合系数m新表达式,新表达式考虑了破碎波产生的湍流的影响。利用上述新表达式建立了悬沙载沙量v(x)和时均悬移质输沙率qsc新表达式。提出了短波时均的短波相关悬移质输沙率的新表达式。并通过对推移质进行受力分析建立了推移质输沙率qb及其短波时均值新表达式,其可以考虑水流、短波、长波、水质点加速度和水底坡度的影响。并利用实验和数值模型研究了水滚对沙坝运动的影响。结果表明:(1)规则波情况,在爬坡区和沙坝坝峰处近底悬沙浓度和湍动能的短波分量峰值出现时刻基本与波面η(或流速u)峰值时刻一致,而在η(或u)波谷(离岸峰值)时刻没有产生较大峰值。这表明对爬坡区和沙坝坝峰处,产生近底悬沙浓度峰值的主要原因是波浪破碎产生的湍流而不是水底流速(摩擦力)。但这一特征在内破波区和沙坝凹槽并不明显。波群情况,波群调制系数δ影响近底悬沙浓度和湍动能时间变化强弱,δ越大则这些量随时间变化越显著且与波群具有同样变化周期。波群周期TG不同会影响凹槽位置短波时均近底悬沙浓度峰值出现时刻相对于短波时均近底湍动能峰值出现时刻时间滞后。不规则波情况,短波时均近底悬沙浓度和湍动能对波浪的响应与波群情况一致,即二者的波动幅值和周期依赖于波列时间序列中大波的幅值和出现的时间间隔。(2)参考浓度Ca和悬移质垂向混合系数m新表达式对于规则波、波群和不规则波情况均具有良好适用性。由于破波带内悬沙浓度与破碎波产生的湍动能具有显著相关性,因而上述新公式预报悬沙浓度比目前通常使用的基于流速的方法更准确。利用新公式建立的悬沙载沙量v(x)和时均悬移质输沙率qsc表达式也能给出良好的预报结果。(3)短波时均的短波相关悬移质输沙率新表达式给出预报结果与实测结果符合较好,并且比Bailard公式更加准确。通过对推移质进行受力分析建立的推移质输沙率新表达式给出的预报结果与实测结果基本符合,并且比Meyer-Peter和Muller公式、Bailard公式、Nielsen修正公式和增强Bailard公式更加准确。上述两个输沙率新表达式的适用性对于规则波、波群和不规则波均成立。(4)实验和数值模拟结果均指出水滚对沙坝运动的重要影响:入射波浪波高较小时,则沙坝峰位置水滚能量较弱,从而离岸方向的水流相关悬移质输沙率qsc数值小于向岸方向的加速度相关推移质输沙率qba,其使得沙坝向岸运动。入射波浪波高较大时,则沙坝峰位置水滚能量较强,从而离岸方向的qsc数值大于向岸方向的qba,其使得沙坝离岸运动。
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