海底泥沙運移分析.docVIP

第五章 海底泥沙运移分析 海洋水动力条件尤其是风暴浪作用下，不仅强烈地搬运泥沙造成海底的冲刷和淤积，而且也可能成为某些不利因素发生变化的诱发因子。 本章主要涉及在海洋水动力条件作用下，海底泥沙的运移情况以及可能成为海洋工程构筑物的不利因素进行粗浅评价。拟从两个方面讨论海底泥沙的运移：其一，在不同尺度的波浪作用下海底沙产生净运移的范围；其二，应用中子活化分析方法，判定在水动力综合作用下海底泥沙的运移趋势。 5.1 波浪作用下海底泥沙运移范围 当波浪对海底的作用增强到一定程度时，海底泥沙被掀起从静止状态离开床面转为运动状态，其起始值为泥沙起动的临界值，但被起动的泥沙并不产生净移动，而只有当波浪作用继续增强到某一程度以后，泥沙才沿波浪作用方向产生净移动（搬运），其值即为泥沙运移的临界值，通常用水深表示，故称为泥沙运移的临界水深。其含义是，若某部位的这一临界水深大于该部位的实际水深时，表明该部位的泥沙会产生净运移，反之亦然。波浪作用下海底泥沙的起动和运移的影响因子较多，从大的方面看，对确定的部位则主要取决于波浪参数；对确定的波浪参数则取决于地形（水深）和泥沙条件。 5.1.1 计算式 波浪作用在海底的水质点运动速度和作用力存在着周期性振荡，所以海底泥沙颗粒被掀起后只作来回摆动，只有波动水质点运动速度达到某种程度以后，泥沙颗粒才由来回摆动（运动）转为向波浪作用方向的净运移，也即泥沙随水流搬运。日本佐藤根据试验认为，当波浪水质点水平分速（Um）达到泥沙颗粒起动流速（Uc）的2倍时，泥沙才产生净运移，其表达式为： Um＝2Uc＝πH／Tsinh（2π Dc/L） 式中，H、T和L为波浪的波高、周期和浅水波长，Dc为泥沙产生净运移的临界水深。 该式求得的是泥沙产生净运移的临界值。从式中可以看出当波浪参数确定时，某部位泥沙是否产生净运移取决于Uc，很显然Uc值愈大，Dc值就小，泥沙产生净运移的水深范围变浅；或者若要求某一水深范围内的泥沙产生净运移，就需要大的波浪参数。渤海湾区内海底泥沙多偏细，因此相应的两个问题需考虑，其一，细颗粒泥沙间存在粘结性增强了泥沙的抗剪强度，其起动流速比非粘性泥沙要大得多，因此对未密度泥沙的Uc是从图5.1上取值，代入式中后得到未密度泥沙净运移的临界水深Dc1；其二，与粗颗粒泥沙不同的是细颗粒泥沙堆积于底床后，在外力和重力作用下随时间有一逐渐密实过程，不论其程度如何，要掀起这部分泥沙所需要的作用力或拖拽力都比未密实泥沙要大得多，因此对这部分泥沙的Uc是从图5.2上取值，代入式中得到密实泥沙净运移的临界水深Dc2。 5.1.2 计算参数 波浪：渤海湾区海域内，在通常情况下波浪尺度较小，因此波浪对海底作用产生显著效应的只能是大浪过程。从工程考虑，选用不同的重现期的波浪参数以代表不同尺度的大浪条件。依据选用的平台观测站的位置，将渤海湾区不同重现期的波浪参数值列于表5.1中。 表5.1 不同重现期波浪参数值 水 文 观测站 站 位 （N．E） 参数 波浪重现期（年） 1 10 25 50 100 CFD23 38°24′35″ 118°47′27″ H1／10 T 3.7 6.9 5.6 8.6 5.9 8.8 6.2 9.0 6.5 9.3 CFD5 38°59′05.69″ 118°47′48.31″ H1／10 T 2.5 5.5 4.7 7.8 5.2 8.1 5.5 8.5 5.9 8.8 QK18 38°39′29.792″ 117°57′37.6896″ H1／10 T 2.3 5.4 4.7 7.7 5.3 8.3 5.7 8.5 6.1 8.8 泥沙：在泥沙条件中，粒径是一个重要参数。在同样级配组成的泥沙中，泥沙粒径的不同，直接影响到Uc值，也必然影响到Dc值。现选用粒级组成中频率最多的众值粒级，以代表泥沙中主要组成部分的运移状态。 水深：波浪在传播过程中，随着水深的变化而发生变化，也影响Dc值。因此有必要对不同水深部位分别进行计算 各计算部位的水深及其相应的泥沙粒径参数可参见表5.2和5.3。 5.1.3 计算结果 将不同重现期的参数，不同部位的水深及其泥沙条件分别代入计算式中，得到不同的Dc1和Dc2。对于Dc2只选用25年、50年和100年一遇的波浪条件。 将计算结果，统计和归纳为渤海湾区内未密实泥沙的净运移临界水深（Dc1）（表5.2）和密实泥沙的净运移临界水深（Dc2）（表5.3）。同时，分别绘成相应的泥沙运移临界水深分布图，即图5－3至图5－7（Dc1）和图5－8至图5－10（Dc2）。从图中可直观看出不同重现期的波浪作用下的海底泥沙产生净运移的范围。 表5.2 泥沙移动临界水深（m）（Dc1） 计算水深（m） 粒径（mm） 波浪重现期（年） 1 10