CN114674526B - 波浪作用下细粉沙层移运动临界条件确定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及波浪作用下细粉沙层移运动临界条件确定方法，构建水槽实验，通过虹吸装置、OBS浊度仪和电导率浓度计测量含沙量剖面数据；基于不同波高试验组次的含沙量剖面数据，以体积含沙量达到8%作为层移发生的判别条件，根据含沙量分布特征获得临界流速；基于不同中值粒径细粉沙及对应的临界流速计算泥沙可移动数，并建立波浪作用下泥沙可移动数与使用泥沙中值粒径表征的水体中泥沙雷诺数的拟合模型，使用所述拟合模型反推临界流速，从而获取细粉沙发生层移运动的临界流速计算式。本发明的方法可应用于实际涉水工程的骤冲骤淤模拟计算中，为保障风暴潮来袭时港口、航道、取排水口等水工建筑物的正常运行提供理论依据。
Description
技术领域
本发明属于泥沙运动分析技术领域，具体涉及波浪作用下细粉沙层移运动临界条件确定方法。
背景技术
河口海岸地区长期以来是人类活动和社会发展的重要区域。我国海岸线约3.2万km，分布有大量的粉沙淤泥质海岸，床面泥沙运动和冲淤变化直接关系到港口、航道、取排水口等正常运行，并对码头、桥梁等建筑物的稳定产生影响。在一般动力条件下，床面出现沙波，而在较强动力(尤其是风暴潮)条件下，底部沙波被冲蚀，出现动平整床面，其疑似层移(sheet flow)的高含沙运动现象时有发生，高强度输沙对海区演变起到重要作用。层移层含沙量大，输沙强，且紧临床面，很容易造成床面冲淤变化，因此，层移质运动的研究一直是国内外海岸工程界长期关注的热点和难点问题。
早在上世纪50年代，Bagnold提出了层移运动(sheet flow)的概念：泥沙以固液混合高含沙形式存在，颗粒间的碰撞在动量交换中起到重要作用，属于推移质。这种流动中颗粒的有效重力不是由紊动扩散，而是由颗粒间相互碰撞产生的离散力支持，这是与悬沙运动的本质区别。目前对于粉沙大多基于高含沙层现象或者悬浮机制开展研究，而对其是否存在类似沙质泥沙的层移运动尚无定论。已有对细粉沙底部高含沙层的研究主要是根据悬沙扩散方程研究扩散系数得到含沙量分布，而对底部不动床面到悬沙高含沙层之间的过渡区运动过程未见详细分析，而该区域正是泥沙运动的动力机制所在。
发明内容
本发明的目的在于提供波浪作用下细粉沙层移运动临界条件确定方法，可应用于实际涉水工程的骤冲骤淤模拟计算中，为保障风暴潮来袭时港口、航道、取排水口等水工建筑物的正常运行提供理论依据。
本发明的目的通过以下技术方案实现。
波浪作用下细粉沙层移运动临界条件确定方法，包括：
1)建立水槽实验，在水槽中段铺细粉沙，水槽一侧设置造波装置用于造波，细粉沙段处设置波高仪、ADV流速仪、虹吸装置、OBS浊度仪和电导率浓度计以测量实验参数；
2)设置不同波高的试验组次，对每一试验组次，使用虹吸装置测量细粉沙表面以上至水面的悬沙层含沙量，OBS浊度仪测量细粉沙表面以上的高含沙层含沙量，电导率浓度计测量细粉沙表面以下不同泥层的含沙量，当测杆到达泥沙不动层时停止测量；
基于上述测量结果获取含沙量剖面数据；
3)获取不同波高试验组次的含沙量剖面数据，以体积含沙量达到8％作为层移发生的判别条件，根据含沙量分布特征获得层移运动刚好发生时的流速，即临界流速；
4)对不同中值粒径细粉沙采用1)-3)所示水槽实验获取其对应的临界流速，基于不同实验组的细粉沙中值粒径值、临界流速值数据计算波浪作用下泥沙可移动数，并建立波浪作用下泥沙可移动数与使用泥沙中值粒径表征的水体中泥沙雷诺数的拟合模型，最后使用所述拟合模型反推临界流速，从而获取细粉沙发生层移运动的临界流速计算式。
作为一种优选的实施方式，所述电导率浓度计的测杆固定于升降装置上，使测杆到达不同深度泥层。
作为一种优选的实施方式，所述1)中，虹吸装置由七根紫铜管纵向并排布置，紫铜管的布置间距根据距离泥面高度变化。
作为一种优选的实施方式，所述1)中，电导率浓度计的测杆、OBS浊度仪的探头及虹吸装置布置于同一个横截面处，保证测量到的含沙量数据为同一个断面的数据。
作为一种优选的实施方式，所述2)中，根据水槽能够产生的最大波高及水深条件设置不同波高的试验组次。
作为一种优选的实施方式，在建立波浪作用下泥沙可移动数与使用泥沙中值粒径表征的水体中泥沙雷诺数的拟合模型时，在模型中引入密实度系数后进行拟合。
作为一种优选的实施方式，所述拟合模型的形式如下：
式中，Ψ为波浪作用下泥沙可移动数，a、b、c为拟合系数，βc为密实度系数，Red*为水体中泥沙雷诺数。
作为一种优选的实施方式，所述4)包括：基于不同实验组的细粉沙中值粒径值、临界流速值数据，通过下式计算波浪作用下泥沙可移动数：
Ψ＝U0 2/[(s-1)gd50]
式中Ψ为波浪作用下泥沙可移动数，U0为临界流速，s为泥沙密度，d50为泥沙中值粒径；
基于上式获取的Ψ数值，与d50表征的水体中泥沙雷诺数建立拟合模型，利用拟合模型作为Ψ的估算模型，并代入上式反推临界流速U0的计算式。
作为一种优选的实施方式，所述4)还包括，根据微幅波理论，结合临界流速的计算式获取不同波高和波浪周期下发生层移的临界水深h：
式中，U0为临界流速，H为波高，k为波数，T为波浪周期。
所述电导率浓度计的测量精度为0.1mm。
通过精细测量得到从不动床面到悬沙层的水沙数据，引入层移概念，明晰近底床面的泥沙运动特征，判断在较强的波流动力条件下细粉沙床面是否存在层移质运动，若发生层移质运动，则解析其发生临界条件、层移层厚度等特征参数，得到粉沙-沙宽级配的层移质运动特征。本发明一方面拓展了层移质理论，另一方面为揭示细粉沙底部运动机制奠定了基础，并有望进一步用于阐述涉水工程的骤冲骤淤机理
本发明具有如下有益效果：
(1)普通测沙方法无法获得细粉沙高含沙层至不动床面的含沙量垂线分布，采用本发明采用的细粉波致沙层移运动高精度测量方法可以精确获得(精度达到0.1mm)从不动床面到高含沙层顶部整个垂线剖面的的含沙量时间过程，从而明晰细粉沙层移运动规律。
(2)细颗粒泥沙形成沙纹较小，无法通过肉眼准确判断沙纹刚好消失而发生层移运动的临界状况。通过本发明中给出的细粉沙层移运动特征结合含沙量垂线分布规律可以准确判断层移运动是否发生。同时，根据本发明提供的层移临界条件计算公式，可以在已知泥沙粒径、水深的情形下计算出发生层移的临界波高、周期或临界流速，或者在已知泥沙粒径、以及波高和周期的情形下计算出发生层移的临界水深。
(3)补充了细粉沙在动平整床面运动规律研究的短板，明晰了近底床面的泥沙运动特征，可应用于实际涉水工程的骤冲骤淤模拟计算中，为保障风暴潮来袭时港口、航道、取排水口等水工建筑物的正常运行提供理论依据。
附图说明
图1是试验水槽纵剖面示布置意图。
图2是含沙量测量断面布置示意图(断面位于CCM测针处，如图1虚线处所示)。
图3是CCM电导率浓度计结构，其中A为位表盘，B为测针，C为升降装置。
图4是细粉沙在波浪作用下的形成的沙波。
图5是细粉沙在波浪作用下发生层移运动。
图6是不同波高下细粉沙含沙量剖面曲线，其中A：波高H＝6.88cm，B：波高H＝15.55cm，B中虚线方框内为发生层移运动的范围。
图7是细粉沙层移运动发生临界条件计算公式的拟合结果。
图8是层移临界条件下βc系数拟合结果。
图9是不同波高、周期下临界水深对比计算。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体的实施例，对本发明作详细描述。
实施例中的电导率浓度计选用Deltares公司的CCM(Conductivity typeConcentration Meter)电导率浓度计。
实施例1
本实施例具体说明本发明方法使用的装置结构。
首先进行试验水槽的布置，如图1所示，本实施例中水槽长175m、宽1.2m、高1.6m，水槽中设有造波机，使其水槽可产生波高0.03～0.25m、周期0.8～2.0s的波浪。
试验水槽纵剖面布置如图2所示，试验段布置在水槽中段，铺沙长度设置为15m，铺沙厚度为15cm，本实施例针对中值粒径d50为0.024mm的天然细粉沙开展试验研究，泥沙粒径采用马尔文激光粒度仪进行测定，本次试验所用泥沙中黏土含量为9.56％，粉沙的含量为86.74％，沙的含量为3.7％，细粉沙为其主体成分。
细粉沙床面两侧布置混凝土，用于固定细粉沙不被水流冲散。水槽左侧入口处设置造波机，用于产生不同波高的波浪。水槽左侧下方布置抽水机，用于控制水槽中水深。为避免波浪反射及传播过程中的突变影响，水槽两侧设置有消波斜坡，床面上分别布置有两支波高仪、ADV流速仪、CCM电导率浓度计、OBS浊度仪及虹吸装置等。为了能精确测量含沙量(泥沙重量/水沙总体积)垂线分布，将CCM电导率浓度计的测杆、OBS浊度仪的探头及虹吸装置布置在一个横截面上(图2)，其中CCM电导率浓度计的测杆固定在电动升降仪上，可通过电脑控制其上下移动，且测量数据实时记录，移动精度为0.1mm，测量频率为10Hz。OBS浊度仪的探头固定在水槽玻璃上，可通过试验需求改变其测量高度。虹吸装置则是由七根紫铜管纵向并排布置，考虑到底层含沙量浓度较大，且变化较为剧烈，因此将其布置距离设置为距泥面(即细粉沙表面)1cm、3cm、5cm、7cm、10cm、15cm和20cm。
CCM电导率浓度计可精确获取高含沙浓度的含沙量过程，主要用于泥面以下不同泥层高度的含沙量测量。所述OBS浊度仪用于获取泥面以上高含沙层(一般在泥面以上1cm～5cm)含沙量过程。所述虹吸装置可以获取泥面以上至水面的悬沙层含沙量垂线剖面。将获取的数据相结合，可得到从清水层到高含沙层到震荡层(层移层)的全范围垂线含沙量(图6)。
CCM电导率浓度计可测量出由水和固体组成的泥浆的电导率，低浓度时导电率高(对于给定流体)，高浓度时导电率低。CCM含沙量测量方法如下：
式中cM为有固体时浓度(g/L)；Kw无固体流体(通常为水)的电导率；KM含固体流体(通常为泥浆)的电导率；b是比例因子，取决于悬浮固体的比重。显然，如果流体的导电性发生变化，C读数就会发生变化。因此Kw是在每次泥浆试验前进行率定。
CCM电导率浓度计的测杆固定在电动升降仪上(见图3)，可用电脑控制其升降，其测量精度为0.1mm，采集频率为10Hz。具体操作为：当CCM测针头部触碰水面时，代表其位置零点，则当给定位置为500mm时，测针头部到达初始泥面。仪器移动过程中其实时位置及测量值均自动记录，随着测针的下移，可以看到测量界面上含沙量数值的变化，当含沙量到达最大值(1775kg/m3)后表示已经到达泥沙不动层，则停止测量。
所述OBS浊度仪可测得水体不同时刻的浊度值NTU，根据浊度值与含沙量c的关系计算得到含沙量：
c＝0.0074NTU-0.1771 (1)
所述浊度值与含沙量计算关系式由已知含沙量水体对应浊度测量值拟合而得。
所述虹吸装置测量时首先抽吸出固定体积的含沙水体，然后将水体烘干后得到泥沙重量，泥沙重量除以含沙水体体积即为含沙量。
实施例2
本实施例说明利用测得的数据判断细粉沙是否发生层移运动及层移运动临界条件的判断方法。
(1)判断细粉沙的层移运动是否发生；
采用规则波进行波浪作用下细粉沙的层移运动试验，主要针对不同水深不同波高条件下层移运动的特性而开展。根据水槽能够产生的最大波高及水深条件，设置试验组次，即水深0.5m(细粉沙段)，波高从0.02m逐渐增大至0.2m。在较小的波浪条件下，不同的试验组次中都可以观察到水槽中泥面上出现沙纹(图4)，随着波高的增大，沙纹逐渐消失，观察到几乎平坦的床面(flat bed)(图5)，且床面出现左右震荡，由此可判断层移运动发生。
(2)细粉沙层移运动发生临界条件的确定；
由于细粉沙形成的沙纹高度较小，无法通过肉眼准确判断沙纹刚好消失而发生层移运动的临界状态。本发明提供一种通过含沙量垂线剖面特征判断细粉沙层移运动是否发生的方法。具体的，试验中采用CCM进行底部含沙量剖面的测量，可以根据体积含沙量(泥沙体积/水沙总体积)达到8％以上的含沙量剖面变化特征作为层移发生的判别条件。例如，图6为波高为6.88cm时，底部含沙量垂线分布，当波高较小时，含沙量剖面进入泥面后迅速增大至泥沙不动层，表明泥沙不动层以下的泥沙并未发生层移运动。而随着波高的逐渐增大(H＝15.55cm)，泥面以下床沙体积含沙量出现缓慢增加的趋势(图6中虚线框)，即随着床面以下高度的增加，体积含沙量也逐渐增大，直至体积含沙量达到67％代表床沙不动层，由此可判断层移运动已经发生。试验中通过不断增加波高，同时测量含沙量垂线分布，则可根据含沙量分布特征获得层移运动刚好发生时的波高和流速，即为层移运动发生临界条件。
通过层移运动试验得到不同泥沙中值粒径d50下层移发生的临界波高H及临界流速U0。从而求得波浪作用下泥沙可移动数：
Ψ＝U0 2/[(s-1)gd50] (2)
根据试验结果拟合Ψ与粒径关系(图7)：
Ψ＝226.21Red* -0.274，
式中Red*为水体中泥沙雷诺数，s为泥沙密度，g为重力加速度，ds0为泥沙中值粒径，v为运动粘滞系数。
考虑到细粉沙具有一定的粘性，其层移临界条件与容重大小有关，随着容重的减小，波浪下泥沙可移动数也随之减少。因此，引入密实度系数βc，其中βc计算公式采用公式：
式中，ρ0和
分别是泥沙干容重和稳定干容重，/>
n＝0.08+0.014(d50/d25)为系数；d0为0.001m；d25为体积百分比为25％的较细的泥沙所对应的粒径大小。对于不同密实度的细颗粒泥沙层移临界条件，引入密实度系数后根据试验数据对βc进行拟合，结果如图8所示。则加入密实度系数后的层移临界条件下移动数计算公式为：
在实际工程应用中，通常需要确定不同波高下发生层移的水深范围，即确定临界水深值。则根据公式(5)及公式(2)可以计算不同粒径不同容重泥沙发生层移运动时的临界流速，根据微幅波理论可得出不同波高及H不同波浪周期T下发生层移的临界水深h(图9)。具体方法为：
其中，k为波数，
L为波长。
在已知临界流速，波高，波浪周期，波长的情形下，根据微幅波公式可以计算得到临界水深，即可判断在水深小于临界水深的海域将发生层移运动，对于涉水设施的安全以及周边海域的侵蚀危害可以提前预警，从而及时采取必要的防护措施。
由图可见，层移发生的临界水深受周期影响相对较大，而受泥沙粒径影响较小。对比粒径为0.2mm和0.5mm的泥沙，在波周期为10s，波高相等的条件下，粒径为0.5mm的泥沙临界水深较小，说明随着泥沙粒径的增大，其发生层移的临界水深减小，即更难发生层移。而对于公式计算的粒径为0.02mm的泥沙，在相同波浪条件下，其临界水深大于粒径为0.2mm的泥沙，符合细颗粒泥沙更易发生层移的规律。此外，相同泥沙粒径条件下，波浪周期越大，所需临界水深值越大，说明周期越大，发生层移所需临界波高越小，即越容易发生层移。
Claims (10)
1.波浪作用下细粉沙层移运动临界条件确定方法，其特征在于，包括：
1)建立水槽实验，在水槽中段铺细粉沙，水槽一侧设置造波装置用于造波，细粉沙段处设置波高仪、ADV流速仪、虹吸装置、OBS浊度仪和电导率浓度计以测量实验参数；
2)设置不同波高的试验组次，对每一试验组次，使用虹吸装置测量细粉沙表面以上至水面的悬沙层含沙量，OBS浊度仪测量细粉沙表面以上的高含沙层含沙量，电导率浓度计测量细粉沙表面以下不同泥层的含沙量，当测杆到达泥沙不动层时停止测量；
基于上述测量结果获取含沙量剖面数据；
3)获取不同波高试验组次的含沙量剖面数据，以体积含沙量达到8％作为层移发生的判别条件，根据含沙量分布特征获得层移运动刚好发生时的流速，即临界流速；
4)对不同中值粒径细粉沙采用1)-3)所示水槽实验获取其对应的临界流速，基于不同实验组的细粉沙中值粒径值、临界流速值数据计算波浪作用下泥沙可移动数，并建立波浪作用下泥沙可移动数与使用泥沙中值粒径表征的水体中泥沙雷诺数的拟合模型，最后使用所述拟合模型反推临界流速，从而获取细粉沙发生层移运动的临界流速计算式。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电导率浓度计的测杆固定于升降装置上，使测杆到达不同深度泥层。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述1)中，虹吸装置由七根紫铜管纵向并排布置，紫铜管的布置间距根据距离泥面高度变化。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述1)中，电导率浓度计的测杆、OBS浊度仪的探头及虹吸装置布置于同一个横截面处。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述2)中，根据水槽能够产生的最大波高及水深条件设置不同波高的试验组次。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在建立波浪作用下泥沙可移动数与使用泥沙中值粒径表征的泥沙雷诺数的拟合模型时，在模型中引入密实度系数后进行拟合。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述拟合模型的形式如下：
式中，Ψ为波浪作用下泥沙可移动数，a、b、c为拟合系数，βc为密实度系数，Red*为水体中泥沙雷诺数。
8.根据权利要求1或6所述的方法，其特征在于，所述4)包括：基于不同实验组的细粉沙中值粒径值、临界流速值数据，通过下式计算波浪作用下泥沙可移动数：
Ψ＝U0 2/[(s-1)gd50]
式中Ψ为波浪作用下泥沙可移动数，U0为临界流速，s为泥沙密度，d50为泥沙中值粒径；
基于上式获取的Ψ数值，与d50表征的水体中泥沙雷诺数建立拟合模型，利用拟合模型作为Ψ的估算模型，并代入上式反推临界流速U0的计算式。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述4)还包括，根据微幅波理论，结合临界流速的计算式获取不同波高和波浪周期下发生层移的临界水深h：
式中，U0为临界流速，H为波高，k为波数，T为波浪周期。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电导率浓度计的测量精度为0.1mm。
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