波浪引起的滲透力對泥沙起動(dòng)的影響.pdf

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1、第14卷第2期中國水運(yùn)No．22014住2月ChinaWaterTransport2014波浪引起的滲透力對泥沙起動(dòng)的影響夏令(寧波市交通Z-程質(zhì)量安全監(jiān)督站，浙江寧波315000)摘要：波浪在泥沙顆粒起動(dòng)中的作用主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是波浪邊界層的形成和發(fā)展；二是振蕩波壓力在海床中引起的滲流導(dǎo)致的滲透力。目前泥沙研究主要著力于第一點(diǎn)，而第二點(diǎn)尚未引起廣大研究者的關(guān)注。本文基于Mei和Foda(1981)提出的邊界層理論，討論了波浪滲流引起的滲透力在底沙起動(dòng)中的作用。典型海洋波浪條件下的計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)海床飽和度低于1時(shí)，滲透力的影響將非常顯著，甚至在數(shù)

2、量級上超過上舉力。由于實(shí)際海床不飽和的情況普遍存在，因此在分析波浪作用下的泥沙起動(dòng)時(shí)，必須考慮滲透力的作用。關(guān)鍵詞：波浪；泥沙；起動(dòng)；海床邊界層；滲透力中圖分類號：IV142文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1006—7973(2014)02—0273—04一、引言由，導(dǎo)致孔隙水和土骨架之間有一定的相對運(yùn)動(dòng)，但是，在泥沙的起動(dòng)是指泥沙顆粒在一定的水動(dòng)力條件下，由靜海床面以下一定深度位置，孔隙水的流動(dòng)已經(jīng)相當(dāng)緩慢，一止轉(zhuǎn)變?yōu)檫\(yùn)動(dòng)的臨界狀態(tài)。對此，國內(nèi)已有很多學(xué)者進(jìn)行了般可以忽略它與土骨架之問的相對運(yùn)動(dòng)?；谶@樣的思想，大量的研究，從他們的研究成果中，可以發(fā)現(xiàn)，獲得波

3、浪作Mei和FodaI(1981)提出可以將海床分為兩個(gè)區(qū)域進(jìn)行用下泥沙起動(dòng)公式，一般通過以下三種方法：(1)分析單個(gè)研究，即海床表面附近的邊界層和邊界層以外的區(qū)域(圖1)。泥沙顆粒進(jìn)行受力情況，建立力平衡方程，求解得到。(2)將單向水流條件下得到的Shields曲線推廣到波浪作用情況。(3)基于大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立泥沙起動(dòng)經(jīng)驗(yàn)公式。波浪作用下泥沙顆粒的受力情況非常復(fù)雜，影響因素眾多，目前研究中往往缺少對其受力的全面考慮，使得第一類公式存在一些缺陷；而第二、第三類方法通常又帶有較強(qiáng)的經(jīng)驗(yàn)性。所以，對于波浪作用下泥沙起動(dòng)，現(xiàn)階段還沒有一個(gè)普遍適用的公式。波

4、浪研究中，一般假設(shè)水體無粘性，但是當(dāng)波浪進(jìn)入淺水區(qū)后，由于水面的擾動(dòng)所引起的水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)開始達(dá)到海床”E表面，即所謂的波浪開始“觸底”，此時(shí)底邊界會(huì)對近底波浪圖1邊界層示意圖水流產(chǎn)生一定的影響，在床面附近的一個(gè)薄層內(nèi)，必須考慮邊界層理論大大簡化了波浪作用下海床動(dòng)力響應(yīng)問題的水體的粘性，也就是說在海床面上存在一個(gè)邊界層，底床泥求解，其基本假設(shè)如下：①孔隙水和土骨架各向同性、均質(zhì)；沙運(yùn)動(dòng)通常限于這個(gè)邊界層內(nèi)，邊界層的形成和發(fā)展對底沙②孔隙水可壓縮，土顆粒不可壓縮(注意土骨架是可壓縮的)；的運(yùn)動(dòng)有著重要的影響。③土骨架的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系服從廣義胡克定律；④孔隙水滲流

5、我國泥沙界主要著力于波浪邊界層對泥沙起動(dòng)影響方面服從Darcy定律。的研究，錢寧先生_l】在他的泥沙運(yùn)動(dòng)力學(xué)>)中討論了波浪求解思路為：首先將海床中的孔隙水和土骨架作為一個(gè)掀沙的機(jī)理，竇國仁【2】、趙子丹_3等也先后有相關(guān)的成果發(fā)表。整體，求出海床的波浪響應(yīng)；然后考慮孑L隙水和土骨架相對這些成果對于波浪作用下泥沙起動(dòng)的研究起到了積極的推動(dòng)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)一步求出海床邊界層內(nèi)的修正值。把兩個(gè)解相加就作用。但波浪對海床泥沙的作用除了波浪邊界層的形成和發(fā)構(gòu)成了完整的海床波浪響應(yīng)解。如果以()。表示孔隙水和展外，還包括周期性振蕩的波壓力在海床中引起的滲流導(dǎo)致土骨架作為一

6、個(gè)整體同步運(yùn)動(dòng)時(shí)的解，以()表示孔隙水和的滲透力對海床表層泥沙起動(dòng)的影響，而這一點(diǎn)卻尚未引起土骨架之間存在速度差時(shí)的解(即邊界層內(nèi)修正項(xiàng))，那么邊廣大泥沙研究者的關(guān)注，本文基于Mei和Foda(1981)_4界層內(nèi)的完整解就是()。+()。提出的海床邊界層理論，從微觀上對泥沙顆粒起動(dòng)時(shí)的受力三、滲透力對底沙起動(dòng)的影響特性進(jìn)行研究，以期能從理論上完善波浪作用下的泥沙起動(dòng)邊界層理論在透水邊界問題上的應(yīng)用是合理的，且簡單問題?？尚小?】，因此本文借助該理論分析海床表層的泥沙起動(dòng)。Mei二、海床邊界層理論和Foda[】根據(jù)動(dòng)量守恒，得到海床內(nèi)孔隙水和土骨架的動(dòng)量

7、由于邊界透水，孔隙水在海床表面的滲入與滲出比較自方程分別為：收稿日期：2013—11—30作者簡介：夏令(1981一)，男，碩士，寧波市交通工程質(zhì)量安全監(jiān)督站工程師，從事水運(yùn)工程質(zhì)量監(jiān)督。274中國水運(yùn)第14卷對于海床表層泥沙，z=0，于是(7)式簡化為：m1魯一，z考一(1)，+署j(8)根據(jù)滲流力學(xué)，單位滲透力是滲透水流施加在單位土體內(nèi)土粒上的拖曳力。若假設(shè)泥沙顆粒為球形，中值粒徑為dso，(1．警=_(1考+(2)則其體積=吉石3。，那么，土體體積。二笮，所以，滲透力F為：1F=f．v-1nmm1盟2coshkh8n?4。是土的有效應(yīng)力；p是孔隙水

8、壓力；t是時(shí)間；憊，一+6()j／(9，)，一對大小相等、方向相反的力的作用，即