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《波浪作用下沙壩剖面形成過程的數(shù)值模擬.pdf》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關內容在應用文檔-天天文庫。
1、第23卷第l期水科學進展Vo1．23．No．12012年1月ADVANCESINWATERSCIENCEJan．，2012DOI：CNKI：32．1309．P．20l20104．2012．010波浪作用下沙壩剖面形成過程的數(shù)值模擬術張弛，鄭金海，王義剛。，(1．河海大學水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，江蘇南京210098；2．河海大學港口海岸與近海3-_程學院，江蘇南京2100983．河海大學海岸災害及防護教育部重點實驗室，江蘇南京210098)摘要：建立了波浪、底部離岸流、泥沙運動和沙灘
2、剖面演變耦合數(shù)學模型，模擬了實驗室中波浪作用下沙壩剖面的形成過程，討論了各個物理參數(shù)對剖面上的水動力和地形變化的影響。通過參數(shù)率定，較好地復演了不規(guī)則波作用下沙灘地形由均勻斜坡向沙壩剖面的演變，波高、底部離岸流、輸沙率和剖面演變的計算結果與實測數(shù)據(jù)吻合良好。采用數(shù)值實驗和誤差分析方法，討論了破碎波水滾傾角、泥沙擴散系數(shù)和床面休止角等物理參數(shù)對計算結果的影響。研究表明，所建立的模型能較好地描述波浪作用下沙壩剖面形成過程中的重要物理機制。關鍵詞：波浪；泥沙運動；沙壩；數(shù)學模型中圖分類號：P753文獻標
3、志碼：A文章編號：1001—6791(2012)01—0104-06在風暴季節(jié)較強波浪的作用下，沙質海岸將遭受顯著的侵蝕，岸灘被沖刷且灘面坡度變緩，大量泥沙被懸浮并向海輸移，最終在破波點附近堆積形成沙壩，構造出典型的沙壩剖面，又稱風暴剖面，現(xiàn)場和實驗室中都能觀測到這一過程H。開展沙壩剖面形成的機理研究和數(shù)值模擬對海岸防護有重要意義。早期研究主要通過一些經(jīng)驗關系式來判斷海灘剖面的類型及其演變趨勢，這些經(jīng)驗關系式基于對實測數(shù)據(jù)的率定，通常與波陡、泥沙粒徑和岸灘坡度等參數(shù)有關?；谖锢磉^程的研究表明，沙
4、壩剖面的形成與底部離岸流、亞重力波和非線性波相互作用等因素有關。其中已得到較廣泛認同的是，強烈的波浪破碎在破波帶內引起較大的水體紊動并懸浮起較多的泥沙，大量懸浮泥沙隨底部離岸流的向海輸運是岸灘侵蝕和沙壩形成的重要動力機制。這個理論也被大多數(shù)基于動力過程的數(shù)學模型所采用?，這些模型的主要區(qū)別在于對海灘剖面上水動力結構的描述。本文基于改進的海灘底部離岸流計算模式，建立了沙灘剖面演變數(shù)學模型，模擬了實驗室中波浪作用下沙壩剖面的形成過程，討論了各個物理參數(shù)對剖面上的水動力和地形變化的影響。1數(shù)學模型所建立
5、的數(shù)學模型耦合了，波浪模型、底部離岸流模型、泥沙運動模型和海床演變模型。使用考慮波面水滾效應的波能守恒方程求解沙灘剖面上的波要素分布。波浪能量和水滾能量守恒方程可分別寫為：．．．一D(1)～．．．(2)收稿日期：2010-05—05；網(wǎng)絡出版時間：2012一O1—04網(wǎng)絡出版地址：http：／／www．cnki．net／kcms／detail／32．1309．P．20120104．2012．010．html基金項目：國家重點基礎研究發(fā)展計劃(973)資助項目(2010CB429002)；河海大學水
6、文水資源與水利工程科學國家重點實驗室專項經(jīng)費資助項目(2009585812)作者簡介張弛(1985一)，男，福建莆田人，講師，博士，主要從事海岸泥沙與地貌形態(tài)、動力學研究。E—mail：czhanghhu@hotmail．eom—通信作者鄭金海，E—mail：jhzheng@hhu．edu．cn第1期張弛，等：波浪作用下沙壩剖面形成過程的數(shù)值模擬105式中E為波浪的能量密度，N／m；E為水滾的能量密度，N／m；c為波速，m／s；c為波群速度，m／s；D為波浪破碎損失的能量，N／m；D為底部摩擦損失
7、的能量，N／m；D為水滾損失的能量，N／m；為水平方向上的坐標，1TI。波浪破碎損失的能量D由Janssen和Battjes¨隨機波破碎公式計算得到。D和D的表達式為2gErsinfl(3)D：u3D：_，2√1T式中P為流體密度，kg／m；fw為波浪摩阻系數(shù)；為波浪近底最大振蕩速度，m／s；JB為水滾的傾角；g為重力加速度，m／s。?？紤]一個封閉的海岸剖面，令6為邊界層厚度，m；h為波谷面距底床的高程，m。底部離岸流在中間層和邊界層內的動量方程和水深積分的質量守恒方程可整理為¨+)(，一音)=O
8、U(6≤≤(4)亍一(亍一+)(一云)+(·一詈)=p。c?！堋躢5(h,Udz+一Ew+堡：0(6)Jopcpc式中U為底部離岸流速度，m／s；亍和亍分別為時均波谷面剪切應力和時均床面剪切應力，m／s；為紊動渦粘系數(shù)，m／s；為距離底床的高程，m。邊界層厚度的計算表達式為6=0．09(A／k)，式中A為波浪近底水質點振幅，in；k為床面粗糙高度，ITI，取為2．5倍的泥沙中值粒徑(2．5d。)。在破波帶內，假設紊動渦粘系數(shù)與破碎能量損失有關且在垂向上呈線性分布，可寫為Vt=2fv
