波浪渗流力对泥沙起动的影响_程永舟

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1、波浪渗流力对泥沙起动的影响_程永舟DOI:10.14042/j.cnki.32.1309.2012.02.012DOI：CNKI：32.1309.P.20120224.2002.006波浪渗流力对泥沙起动的影响1，22程永舟，蒋昌波，潘22昀，李青峰（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.长沙理工大学水利工程学院，湖南长沙410004）摘要：海岸泥沙起动的力学机理十分复杂。首先理论分析了波浪作用下床面泥沙颗粒所受的主要作用力，然后将上举力和有效重力分别与渗流力进行比较分析。计算结果

2、表明渗流力随着波高的变化其方向也发生向上或向下的变化，渗流力与上举力和有效重力之间存在着相位差，不同粒径的泥沙在一个周期内均有一时段渗流力远大于上举力；对于渗透系数小的细颗粒泥沙，渗流力远大于泥沙颗粒的上举力和有效重力。进一步通过水槽试验分析了不同波浪参数作用下孔隙水压力梯度对泥沙起动的影响，试验结果表明波浪渗流力对海床细颗粒泥沙的起动有着重要作用，特别是在分析长周期波浪作用下细颗粒泥沙起动规律时，需考虑波浪引起的渗流力影响。关键词：波浪；泥沙起动；孔隙水压力；渗流力中图分类号：TV142；文献标志码：A6791（201

3、2）02-0256-07文章编号：1001-［1］波浪作用下的泥沙起动是海洋资源开发利用和海岸工程中———————————————————————————————————————————————十分关注的问题。窦国仁等曹文洪等［3］、赵子丹［2］、均从力学机理上对波浪作用下床面泥沙起动进行了研究。当波浪在沙质海床上传播时，海床土体会受到波浪产生的循环荷载作用，这种波浪压力传到海床中时会存在时间和空间上的差异，即存在压力梯度，以致孔隙水和泥沙颗粒之间存在有明显的相对运动，从而在海床中产生渗流。孔隙水流动过程中受到泥沙颗粒的

4、阻力作用，反过来泥沙颗粒也会受到渗透水流施加给它的作用力，这个力就是渗流力，也就是孔隙水压力。波动水压力引发海床土体内孔隙水压力变化可导致海床液化，引致海岸结构物倾斜、沉陷或破坏等。Foda等［4］研究发现，当淤泥海床由于波浪作用产生液化反应时，海床上方的悬沙活动也较没有液化时［5］显著，认为悬沙运动与海床不稳定现象息息相关。Tzang通过试验量测波浪作用下不同粒径组成的沙质海床底床内孔隙水压分布情形，并将波浪对海床的影响分为3类，即非液化、起始液化、连续液化等反应。Tzang等［6］利用两种中值粒径（d50=0.134

5、mm和d50=0.092mm）进行了规则波作用下海床液化的试验研究，发现海床发生液化时悬沙浓度明显增加。Sumer等析了底沙的输移和海床液化特性。Zhou等［8］［7］研究了行波荷载作用下粉质海床的波浪响应特点，并分［9］水槽实验结果表明海床发生液化时管道附近的冲刷深度明显增和李寿千等［10］大。这些研究证明了海床上的泥沙运动与其孔隙水压力响应具有密切的关系。陆彦等———————————————————————————————————————————————流力的影响。对河流中渗流对泥沙起动和输移进行了研究，然而现有成果

6、在分析波浪作用下泥沙起动的力学机理时很少考虑渗由于波浪作用下床面附近的泥沙起动十分复杂，该问题一直没能彻底解决。本研究针对波浪作用下泥沙起动规律在力学机理层面进行深入探讨，考虑波浪诱发的海床渗流力对泥沙起动的影响，有助于加深对波浪掀沙机理的认识。03-27；网络出版时间：2012-02-24收稿日期：2011-网络出版地址：http：//www.cnki.net/kcms/detail/32.1309.P.20120224.2002.006.html基金项目：水文水资源与水利工程科学国家重点实验室开放研究基金资助项目（2

7、008490911）；国家自然科学基金资助项目（50909009）作者简介：程永舟（1974－），男，湖北广水人，教授，博士，主要从事河流海岸动力学及泥沙运动方面研究。E-mail：chengyongzhou@163.com第2期程永舟，等：波浪渗流力对泥沙起动的影响2571波浪作用下床面泥沙受力分析［1］根据窦国仁等图1所示。（1）推力、赵子丹［2］、曹文洪等［3］的研究成果，波浪作用下床面泥沙颗粒所受的主要作用力如波浪对海底泥沙颗粒的推力Fx——————————————————————————————————————

8、—————————可表述为1π2Fx=λxd50ρwu2b24（1）式中λx为波浪推力的阻力系数，其值是糙率高度与波长的比值的函数；d50为中值粒径；ρw为水的密度；ub为讨论时刻作用（2）图1海床表层泥沙颗粒受力示意图于海底表层颗粒的波浪轨迹质点速度，其值为ub=u0cos（kx－wt）式中u0为海底最大轨迹质点速