基于局部拟合法的低能沙质海岸比尺设计.pdf

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1、第4期水利水运工程学报No.42017年8月HYDRO-SCIENCEANDENGINEERINGAug.2017DOI：10.16198／j.cnki.1009-640X.2017.04.007尹硕，潘毅，陈永平.基于局部拟合法的低能沙质海岸比尺设计[J].水利水运工程学报，2017（4）：43-51.（YINShuo，PANYi，CHENYongping.Scaledesignbasedonlocalcurvefittingmethodforlow-energysandybeach[J].Hydro-ScienceandE

2、ngineering，2017（4）：43-51.（inChinese））基于局部拟合法的低能沙质海岸比尺设计1，21，21，2尹硕，潘毅，陈永平（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工程学院，江苏南京210098）摘要：在波浪作用下的泥沙运动过程中，由于泥沙粒径的大小会影响到波浪边界层的紊动状态，以及泥沙沉降时绕流的紊动状态，进而影响其沉降和起动的规律，故波浪作用下的沙质海岸动床物理模型的比尺向来是一个复杂问题，其设计需要对各种因素进行衡量与取舍。而对于我国渤海

3、、黄海沿岸常见的沙质海岸，其粒径范围决定了沉降时的绕流处于层流、紊流的过渡状态，沉降规律更为复杂，使其比尺设计更加困难。针对我国黄、渤海沿岸常见的低能沙质海岸波浪动床试验的泥沙比尺设计问题，探讨了适用于低能沙质海岸的比尺准则，剖析了比尺设计的难点，并提出了适用于一定泥沙粒径范围内比尺设计的局部拟合法。基于局部拟合法，针对低能沙质海岸剖面波浪动床试验，提出了相应的泥沙起动、沉速比尺关系式。关键词：局部拟合法；比尺设计；低能沙质海岸；波浪动床试验；海岸剖面中图分类号：TV148文献标志码：A文章编号：1009-640X（2017）

4、04-0043-09我国黄、渤海沿岸分布着很多沙质海岸，中值粒径D普遍为0.1～0.5mm。由于特殊的地理环境，受到50宽广的大陆架影响，波高常年较小，受风暴潮影响不大，破波带很窄且靠近岸线，破波带内无剧烈的泥沙输[1]运，岸滩长期演变需考虑非破碎波的影响，可以称这部分海岸为低能沙质海岸。这些低能沙质海岸中不乏有旅游胜地，如北戴河、青岛、烟台等地的旅游海滩，有着重要的经济和社会价值。因此，研究低能沙质海岸地貌动力，对于认识沙质海岸动力过程和黄、渤海沿岸旅游海滩的保护有重要意义。采用物理试验方法研究沙质海岸动力过程可以直观地反映

5、特定自然条件下的地貌变化，是研究海岸演变和海岸剖面变化的重要手段。其中对试验比尺的推导是波浪泥沙试验的重要基础，比尺效应更是试验中不可忽视的影响因素。对于海岸演变的问题，开展物理模型试验所遇到的比尺效应主要是由所选取的模型[2]沙不能满足泥沙运动相似，特别是泥沙起动、沉降相似所引起的比尺效应，能否克服泥沙运动不相似带来[3]的比尺效应直接关系到试验结果准确性的高低。对于波浪泥沙试验来讲，泥沙起动和沉降过程是试验关注的两个主要过程，其比尺推导的控制参数分别为希尔兹数和泥沙沉速。这两个参数的经典表达式均为分段式，如希尔兹曲线在光滑

6、层流区、紊动光滑区（过渡区）、紊动粗糙区有不同的表达式，泥沙沉速在滞性状态、过渡状态、紊动状态也有着不同的表达式。这两个参数均存在“两边简，中间繁”的特点，光滑端和紊动端均有简单的规律，但在中间的过渡区表达式非[4-5]常复杂，无法直接推导比尺关系。因此，在经典的泥沙试验理论中，通常只给出光滑端和紊动端的比尺关系，而过渡段往往要具体问题具体分析，例如文献[6-7]中对于沉速比尺和起动比尺的处理。特别是当限收稿日期：2016-08-16基金项目：国家自然科学基金青年科学基金资助项目（51309092）；河海大学中央高校基本科研业

7、务费———青年教师科研创新能力培养项目（2015B16014）作者简介：尹硕（1993—），男，江苏徐州人，硕士研究生，主要从事海岸工程研究。E-mail：359697334＠qq.com通信作者：潘毅（E-mail：panyi21hhu＠gmail.com）44水利水运工程学报2017年8月于试验条件，泥沙粒径的几何比尺无法满足而必须选用轻质模型沙时（按照模型几何比尺推算后，模型沙粒径过小引起泥沙性质的改变），比尺的推算更为复杂。对于低能沙质海滩，在岸线到闭合水深（或称界限水深，指存在剖面演变的水深范围）范围内，非破碎波引起

8、的泥沙输运占主导地位，其泥沙起动和沉降的水流状态基本处于过渡状态；而在实验室研究选用轻质模型沙时，过渡状态的起动和沉降过程给比尺的推导带来了一系列麻烦。为了解决试验比尺设计困难的问题，本文针对低能沙质海岸剖面变化规律的波浪动床模型，提出了一种局部拟合方法，在现有的对泥沙运动过