波浪作用下的泥沙起动规律解析

2023-06-22 理论教育版权反馈

【摘要】：对于临界条件则有10.1.2.2起动公式对粗颗粒泥沙，粘结力和附加静水压力远远小于重力，起动后仍在床面附近运动。在研究波浪作用下的泥沙起动问题时，通常只使用两种起动状态，即少量动和普遍动，国外以采用普遍动者居多。

10.1.2.1　泥沙颗粒受力分析

海底泥沙颗粒所受的力可分成两大类，即促使颗粒起动的力和保持颗粒稳定的力。在波浪作用下，促使颗粒起动的力有推力、上举力和惯性力，保持颗粒稳定的力有颗粒在水中的自重、粘结力和附加静水压力。

波浪对海底泥沙颗粒的推力Fx和上举力Fy可分别表述为

式中:λx和λy分别为波浪推力和上举力的阻力系数，其值是糙率高度与波长之比值的函数，并应有一最小极限值。

现取

式中:λx和λy分别为波浪推力和上举力的阻力系数，其值是糙率高度与波长之比值的函数，并应有一最小极限值。

现取

式中:αx和αy为常值系数;L 为波长;Δ 为糙率高度，其值为

ub为讨论时刻作用于海底表层颗粒的波浪轨迹质点速度，其值为

式中:u0为海底最大轨迹质点速度。

u0与波高H、波周期T 和水深h 的关系为:

式中:u0为海底最大轨迹质点速度。

u0与波高H、波周期T 和水深h 的关系为:

波浪对泥沙颗粒的惯性力Fi可表示为

式中:λi为惯性力系数，其值为下述无尺度数的函数，即

其中，第一个无尺度数为底部质点振幅与粒径周长之比值，即Kc数;第二个无尺度数为糙率高度与粒径之比值，反映粒径很小时作用水体不再随粒径体积线性减小。现取

式中:αi为系数，其余符号同前。

对式(10-20)取导数并代入式(10-22)，可以写出:

式中:αi为系数，其余符号同前。

对式(10-20)取导数并代入式(10-22)，可以写出:

泥沙颗粒的起动可按滚动条件考虑，即促使泥沙滚动的力矩大于保持稳定的力矩时，泥沙才能起动。由于推力和上举力最大时，惯性力为零，而惯性力最大时，推力和上举力又为零，故当三力矩之和为最大值时，泥沙最先失稳而起动。如令此三力的力臂分别为α1d、α2d 和α3d，则出现三力矩之和为最大值的条件应为

由此条件得

将式(10-20)代入式(10-16)、式(10-17)并考虑式(10-26)，得到泥沙处于

将式(10-25)代入式(10-24)后可得惯性力的力矩为

由此得促使泥沙颗粒起动的总力矩为

在保持床面泥沙颗粒稳定的三个力中，泥沙颗粒在水中的重力为

粘结力表述式与式(10-6)相同，为

附加静水压力的表述式与式(10-7)相同，为

式(10-6)和式(10-7)中的系数αc和αδ，在水流作用下为常值，但在波浪作用下由于波浪的振动，使细颗粒泥沙间发生松动，从而减小了粘结力和附加静水压力。试验表明，在波浪作用下式(10-31)和式(10-32)中的系数分别为

式中:α′c和α′δ为常值系数，d1=0.15mm，当d＞0.15mm 时，βw=1。

如令α4d、α5d 和α6d 分别为重力、粘结力和附加静水压力的力臂，并将式 (10-33)代入，则保持颗粒稳定的力矩之和为

式中:α′c和α′δ为常值系数，d1=0.15mm，当d＞0.15mm 时，βw=1。

如令α4d、α5d 和α6d 分别为重力、粘结力和附加静水压力的力臂，并将式 (10-33)代入，则保持颗粒稳定的力矩之和为

10.1.2.2　起动公式

对粗颗粒泥沙，粘结力和附加静水压力远远小于重力，起动后仍在床面附近运动。对于细颗粒泥沙，粘结力和附加静水压力远远超过重力，起动后因突然失去粘结力和附加静水压力而悬浮。因而对细颗粒泥沙而言，起动流速也即是扬动流速，或称悬浮流速。不论泥沙颗粒粗细，其起动条件均为促使颗粒失去稳定的力矩之和等于或大于保持颗粒稳定的力矩之和。对于临界条件则有

10.1.2.2　起动公式

将式(10-29)和式(10-34)代入上式后，得

依据波浪作用下的起动试验资料，可求出a和b 值，其中b=0.03，a值与起动状态有关。

在研究波浪作用下的泥沙起动问题时，通常只使用两种起动状态，即少量动和普遍动，国外以采用普遍动者居多。当少量动时a=0.051，普遍动时a=0.079。在上述起动公式中，粘结力参数ε0与颗粒材料有关，对于天然沙ε0=1.75cm3/s2，电木粉ε0=0.15cm3/s2，塑料沙ε0=0.10cm3/s2;薄膜水厚度参数对各种颗粒均保持不变，即δ=2.31×10-5cm;βw由式(10-33)确定，Δ 由式(10-19)确定。依据试验资料，β可由下式确定

依据波浪作用下的起动试验资料，可求出a和b 值，其中b=0.03，a值与起动状态有关。

式中:ρ0 和ρ0*为泥沙的干密度和稳定干密度;ρ′和ρ′*为泥沙的湿密度和稳定湿密度。

天然泥沙的稳定干、湿密度为

式中:ρ0 和ρ0*为泥沙的干密度和稳定干密度;ρ′和ρ′*为泥沙的湿密度和稳定湿密度。

天然泥沙的稳定干、湿密度为

式中:d 为中值粒径;d0=1mm;d25为泥沙级配中有25%的颗粒小于此粒径。

由于波长取决于波周期和水深并存在下述关系因此，在给定的波周期和水深条件下即可按上述起动公式求得各种泥沙包括轻质沙在内的起动质点速度或起动波高。

波浪作用下的泥沙起动规律解析

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