高祥宇,高正榮,竇希萍

(南京水利科學(xué)研究院 水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室,江蘇 南京 210029)

破碎波作用下淤泥含沙量分布試驗研究

高祥宇,高正榮,竇希萍

(南京水利科學(xué)研究院 水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室,江蘇 南京 210029)

淤泥質(zhì)海岸是我國海岸重要組成部分,其泥沙運動主要是“波浪掀沙,潮流輸沙”,在大風(fēng)天破碎波作用下,水體含沙量劇增,對港口航道泥沙回淤會產(chǎn)生嚴(yán)重影響。以往研究沙和粉砂在破碎波作用下含沙量分布特征的較多。本次試驗采用自來水和徐圩航道試挖槽內(nèi)原狀泥調(diào)配得到的試驗淤泥,通過室內(nèi)1∶200緩坡長水槽試驗,分析研究崩破波作用下淤泥密度分別為1.35,1.40和1.45 kg/L的水體含沙量分布特征及掀沙機理。分析研究結(jié)果表明:破碎波掀沙能力與床面淤泥密度有較強的非線性關(guān)系。淤泥密度小于1.45 kg/L時,在破波點之前,底部就開始形成高含沙區(qū),在破波點附近達到最大,在破波點后一定距離,水體明顯出現(xiàn)泥沙分層現(xiàn)象。底部含沙量較大時,破碎波作用下淤泥與粉砂含沙量垂線分布特征相似都不均勻。

淤泥質(zhì)海岸;含沙量分布;破碎波;淤泥密度

淤泥質(zhì)海岸是我國大陸海岸的重要組成部分,長度超過4 000 km,約占大陸海岸的22%[1]。淤泥質(zhì)海岸主要由極細的泥沙顆粒(粒徑小于0.05 mm)組成。此類海岸岸線較平直,海灘寬廣、岸坡極緩,一般約為1/2 000～1/500,位于高潮位與低潮位之間的潮間帶灘地寬廣[2]。在淤泥質(zhì)海岸建港時,深水航道和泊位都是在大范圍淺灘上開挖而成的。海岸的泥沙運動以懸移質(zhì)輸送為主,潮流和波浪是驅(qū)使泥沙運動的主要動力,故而呈現(xiàn)出“波浪掀沙、潮流輸沙”的規(guī)律。通常天氣條件下,海域含沙量較低,但大風(fēng)浪期間,波浪破碎會對床面泥沙產(chǎn)生強烈擾動,造成水體高含沙量,極易導(dǎo)致航道和泊位區(qū)的泥沙驟淤。以往試驗研究破碎波作用下含沙量分布多數(shù)是針對沙和粉砂[3-11],研究發(fā)現(xiàn)破碎波作用下水體含沙量較非破波作用的明顯增大,水體有分層現(xiàn)象,進而提出了一些泥沙濃度垂線分布公式。但對于破波作用下淤泥含沙量分布研究較少。淤泥與沙、粉砂特性有顯著的區(qū)別,沙和粉砂的研究成果并不能適應(yīng)淤泥研究。因此,研究淤泥在破碎波作用下含沙量分布特征不僅能豐富海岸泥沙運動規(guī)律的認(rèn)識,且對于淤泥質(zhì)海岸港口航道的設(shè)計、建設(shè)和維護均具有重要意義。

1 水槽試驗

1.1 試驗設(shè)備

試驗在南京水利科學(xué)研究院(簡稱“南科院”)波浪水槽中進行,水槽尺寸為175 m×1.2 m×1.6 m。試驗地形為緩斜坡,距離造波板30 m處開始砌斜坡,前10 m斜坡坡度為3∶200,后40 m斜坡坡度為1∶200。在1∶200緩斜坡前5 m處預(yù)留長25 m、深10 cm淤泥槽。

波高采集采用南科院自行研制的CBY-Ⅱ型波高儀系統(tǒng),試驗布置了10根波高傳感器,其中1根傳感器布置于平底水槽中造波板前25 m處,確定入射波高。虹吸采沙裝置收集含沙水體,虹吸管為內(nèi)徑5 mm的紫銅管。根據(jù)波浪破碎預(yù)備試驗的結(jié)果,分別在波浪破碎處及其前、后布置了3條采沙和測流垂線,即垂線(S2,V2)位于波浪破碎核心區(qū),垂線(S1,V1)和(S3,V3)分別在垂線(S2,V2)前后各3 m處。垂線方向上距離底部1,5,10和20 cm分別布置4根采沙管,管口與波浪方向垂直。圖1為斜坡及測點布置示意圖。

圖1 試驗水槽內(nèi)斜坡及測點布置Fig.1 Experimental slope and measuring points

1.2 試驗過程

試驗輸入波采用規(guī)則波,水深分別為45,50和55 cm。破碎波類型根據(jù)Battjes引入的無因次參量ξ= tanβ/(H/L0)1/2判斷,本次破碎波試驗海側(cè)參量范圍為0.021～0.031(＜0.5),為崩破波[12]。

試驗采用連云港徐圩港航道試挖槽內(nèi)的淤泥。原狀淤泥密度為1.65～1.82 kg/L,泥沙中值粒徑d50= 0.007 mm?？紤]到天津新港和連云港淤泥質(zhì)海岸淺灘表層取樣的密度均在1.35～1.40 kg/L,本次試驗分別采用1.35,1.40和1.45 kg/L共3種,通過淡水和原狀泥調(diào)配得到。由于原狀淤泥黏性度高,采用大功率電機攪拌器攪拌,反復(fù)調(diào)配并攪勻后放入沉泥桶中;試驗時再次攪動使淤泥密度滿足試驗要求,然后鋪入斜坡預(yù)留槽中,人工抹平。試驗時緩慢放水,確保泥槽中的淤泥不受水流的影響。

含沙水體采用同步采集的方法,具體采集時間為破碎波開始起1,3和6 min,隨后再間隔3 min采集1次(1,3,6,9,12,15,……,依次下去,直至每一組次試驗結(jié)束),每次采集時間長度為10 s。通過對含沙水體進行過濾、烘干、稱重最后得到含沙量。本次試驗共進行了16組試驗,具體試驗組次見表1。

表1 破碎波作用下淤泥質(zhì)含沙量分布試驗組次Tab.1 Experimental sets of sediment concentration distribution under breaking waves action

2 試驗現(xiàn)象

在破碎波作用下,隨著波動水質(zhì)點的往復(fù)運動淤泥面各處呈“冒煙”狀,使得整個床面像云霧覆蓋一樣,且向上擴散,很快在床面上形成渾水層。含沙量由表層至底層逐步增大,床面以上約4 cm范圍內(nèi)含沙量較大,底部存在高濃度含沙水層且濃度增加很快,而上部水體含沙量的增加則相對緩慢,破碎波作用后,泥面不會形成沙波形態(tài)。當(dāng)對淤泥密度為1.35 kg/L的泥樣進行試驗時,破碎波作用時間較短,水體渾濁度很大,破碎點附近大量淤泥開始向波浪傳播方向推移,波高衰減很快,波浪破碎點前移。淤泥密度1.40 kg/L時,含沙量和波高的衰減都小于淤泥密度為1.35 kg/L的情況。這兩種淤泥密度的泥面在破波點位置有沖刷坑形成。淤泥密度為1.45 kg/L時,水體渾濁度最小,波高衰減不明顯,床面泥面光滑。試驗發(fā)現(xiàn)隨著波浪作用時間的增加,水體渾濁度先增大后減小。

在同一水深條件下,輸入波浪周期相同,輸入波高大引起的水體含沙量也大,含沙量沿程分布與破波位置有關(guān)。試驗觀測到,在破波點之前,底部就開始形成高含沙區(qū),在破波點附近達到最大,在破波點后一定距離,隨著波高的減小,水體明顯出現(xiàn)泥沙分層現(xiàn)象。

3 試驗結(jié)果分析

第2,6和16組含沙量分布的試驗結(jié)果見圖2。波浪破碎前后都顯示底部含沙量大,在距離床面5 cm以上的水體中,含沙量梯度變化較小。泥沙密度為1.45 kg/L時,上下水體含沙量基本均勻。

圖2 含沙量垂線分布Fig.2 Vertical distribution of sediment concentration

淤泥密度為1.35 kg/L時,破碎波引起的水體含沙量最大,其次為1.40 kg/L,而1.45 kg/L水體含沙量變化很小。不同密度的淤泥在破碎波作用下都會達到某一最大含沙量,相同水深和相同波浪條件時,泥沙重度小,底部含沙量大;同一密度淤泥,相同水深和周期時,波浪破碎強度大的水體含沙量大。在同一垂線上,淤泥密度為1.35和1.40 kg/L時,近底層水體含沙量是表層和中間層水體含沙量的幾倍,水體存在分層現(xiàn)象;淤泥密度為1.45 kg/L時,近底層水體含沙量開始略有增大,幾分鐘后,垂線上水體含沙量基本一致。

在破碎波浪作用下,淤泥密度為1.35 kg/L時,距離床面1 cm處可形成超過30 kg/m3的含沙量,距離床面5 cm處的也可形成約10 kg/m3的含沙量;淤泥密度為1.40 kg/L時,距離床面1 cm處可形成約10 kg/m3左右含沙量,距離床面5 cm處的也可形成約5 kg/m3的含沙量;淤泥密度為1.45 kg/L時,距離床面1和5 cm處只能形成約2 kg/m3含沙量。

水體含沙量垂線分布試驗其實質(zhì)主要表現(xiàn)為:①床面泥沙起動,有泥沙進入水體;②水體紊動和水質(zhì)點的凈輸移使泥沙在水體中摻混和輸運。

對于黏性泥沙而言,起動切應(yīng)力一般表達式為:

式中:k為待定系數(shù),隨泥沙類型和物化特性而變;c為淤積物濃度;n為常數(shù),n=2.0～2.68。式(1)表明黏性泥沙的起動切應(yīng)力主要取決于泥沙類型和淤積物濃度,與淤積物濃度是非線性關(guān)系,與無黏性泥沙有著根本的區(qū)別。

竇國仁等[13]通過考慮慣性力推導(dǎo)出用波浪底部最大軌跡質(zhì)點速度或波高表示波浪作用下的泥沙起動公式。對比式(1)可見,淤泥起動時波浪底部最大軌跡質(zhì)點速度或波高與淤泥密度存在非線性關(guān)系。

在波浪沿斜坡傳播過程中,水質(zhì)點速度逐步增大,并在波浪破碎點附近達到最大,波浪破碎后,能量發(fā)生衰減,流速減小[11,14];波浪破碎前水質(zhì)點正方向(波浪傳播方向)最大流速略大于反方向最大流速,波浪破碎處水質(zhì)點正方向最大流速約為反方向最大流速的兩倍多,波浪破碎后水質(zhì)點正方向最大流速與反方向最大流速大小關(guān)系在破碎前和破碎處之間,如水深45 cm,輸入波高為13.75 cm,波浪周期為1.4 s時,垂線S1, S2和S3在距底0.2 cm處正向最大流速分別為35.20,43.77和39.92 cm/s;反向最大流速分別為-19.24, -15.26和-21.08 cm/s[14]。從水體紊動角度看,波浪在破碎前,隨著水深不斷減小,能量越來越集中,造成水體自身的紊動增強,破碎后也會產(chǎn)生較強紊動。

試驗結(jié)果表明,所采用的波浪條件能夠使3種不同密度的淤泥起動,相比較而言,密度為1.45 kg/L的淤泥黏結(jié)力大,起動量較少,水體含沙量較小。當(dāng)淤泥起動后進入水體,受到水體紊動和水質(zhì)點凈輸運作用,泥沙向上層水體擴散和波浪傳播方向輸運。在波浪破碎處和破碎后水體中的泥沙有部分是當(dāng)?shù)仄饎拥哪嗌?有部分是輸運過來的泥沙。當(dāng)水體底部含沙量小時,受到波浪紊動擴散作用,水體垂線分布較均勻。當(dāng)水體底部含沙量較大時,對波浪制紊能力較大,垂線分布很難趨于均勻,底部含沙量是表層含沙量的好幾倍,這種情況含沙量垂線分布特征與破碎波作用下的粉砂含沙量垂線分布特征相似[9,11]。

4 結(jié) 語

在緩斜坡(1∶200)上對3種不同密度淤泥進行了崩破波作用下的垂線含沙量分布試驗,結(jié)果表明:

(1)波浪傳播過程中引起的水體含沙量與床面淤泥密度關(guān)系密切,具有較強的非線性,破碎波掀沙和輸沙能力強于非破碎波。

(2)淤泥密度小于1.45 kg/L時,在破波點前底部就開始形成高含沙量區(qū),在破波點附近含沙量達到最大;離破波點一定距離后,隨著波高的減小,水體紊動減弱,出現(xiàn)明顯泥沙分層現(xiàn)象。波浪破碎位置處,泥沙床面形成沖刷坑。

(3)當(dāng)水體底部含沙量小時,水體垂線分布較均勻。當(dāng)水體底部含沙量較大時,垂線分布很難趨于均勻,底部含沙量是表層含沙量的好幾倍。

(4)破碎波作用淤泥引起的含沙量垂線分布特征與粉砂的情況相似,但床面不會出現(xiàn)沙波。

參 考 文 獻:

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Experimental studies on sediment concentration distribution under breaking waves action along muddy coast

GAO Xiang-yu,GAO Zheng-rong,DOU Xi-ping
(State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering,Nanjing Hydraulic Research Institute,Nanjing 210029,China)

The muddy coast is an important part of China′s coast,and the wave-lifted sand and tide-transported sand are the main forms of sediment movement along the muddy coast.The sediment concentration is rapidly going up during heavy storm waves.The high sediment concentration can cause terrible sediment back-silting within the ports and waterways.In the past,the experimental studies mainly focused on sand and silt concentration under breaking waves.In this study,wave-current flume test studies are carried out for the distribution characteristics of the sediment concentration and mechanism of lifted sand under spilling waves action,in which the gentle slope(1∶200)is set up for testing wave movement.The distribution characteristics of the mud concentration having mud density of 1.35,1.40,1.45 kg/L and mechanism of the wave-lifted sand by the action of the spilling waves have been analyzed respectively through the flume tests.The mud for model tests is taken from the trial excavating channel for the Xuwei waterway.Research results show that the capacity of the breaking wave-lifted sand and the mud density have the strong nonlinear relationships.And the bottom becomes a high sediment concentration area beyond the wave breaking point,the sediment concentration is up to the maximum around the wave breaking point, and there is water stratification behind a certain distance when mud density is less than 1.45 kg/L.When there is a greater sediment concentration in the bottom,the vertical distribution characteristics of both mud and silt concentration are nonuniform under the breaking waves action.

muddy coast;sediment concentration distribution;breaking waves action;mud density

TV148.5

A

1009-640X(2014)04-0038-06

2014-01-23

國家高新技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)資助項目(2012AA112509);交通運輸部建設(shè)科技資助項目(2012-329

-A06-040);南京水利科學(xué)研究院基本科研業(yè)務(wù)費專項資金資助(重點項目)(Y209005)

高祥宇(1975-),男,山西臨縣人,高級工程師,主要從事水動力學(xué)及泥沙運動模擬研究。

E-mail:xygao@nhri.cn