海岸泥沙起動的力學機理

海岸泥沙起動的力學機理

波浪下的泥沙泵是開發(fā)和海防工程中的一個重要問題。竇國仁等、趙子丹、曹文洪等均從力學機理上對波浪作用下床面泥沙起動進行了研究。當波浪在沙質(zhì)海床上傳播時,海床土體會受到波浪產(chǎn)生的循環(huán)荷載作用,這種波浪壓力傳到海床中時會存在時間和空間上的差異,即存在壓力梯度,以致孔隙水和泥沙顆粒之間存在有明顯的相對運動,從而在海床中產(chǎn)生滲流?？紫端鲃舆^程中受到泥沙顆粒的阻力作用,反過來泥沙顆粒也會受到滲透水流施加給它的作用力,這個力就是滲流力,也就是孔隙水壓力。波動水壓力引發(fā)海床土體內(nèi)孔隙水壓力變化可導致海床液化,引致海岸結(jié)構(gòu)物傾斜、沉陷或破壞等。Foda等研究發(fā)現(xiàn),當淤泥海床由于波浪作用產(chǎn)生液化反應(yīng)時,海床上方的懸沙活動也較沒有液化時顯著,認為懸沙運動與海床不穩(wěn)定現(xiàn)象息息相關(guān)。Tzang通過試驗量測波浪作用下不同粒徑組成的沙質(zhì)海床底床內(nèi)孔隙水壓分布情形,并將波浪對海床的影響分為3類,即非液化、起始液化、連續(xù)液化等反應(yīng)。Tzang等利用兩種中值粒徑(d50=0.134mm和d50=0.092mm)進行了規(guī)則波作用下海床液化的試驗研究,發(fā)現(xiàn)海床發(fā)生液化時懸沙濃度明顯增加。Sumer等研究了行波荷載作用下粉質(zhì)海床的波浪響應(yīng)特點,并分析了底沙的輸移和海床液化特性。Zhou等水槽實驗結(jié)果表明海床發(fā)生液化時管道附近的沖刷深度明顯增大。這些研究證明了海床上的泥沙運動與其孔隙水壓力響應(yīng)具有密切的關(guān)系。陸彥等和李壽千等對河流中滲流對泥沙起動和輸移進行了研究,然而現(xiàn)有成果在分析波浪作用下泥沙起動的力學機理時很少考慮滲流力的影響。由于波浪作用下床面附近的泥沙起動十分復雜,該問題一直沒能徹底解決。本研究針對波浪作用下泥沙起動規(guī)律在力學機理層面進行深入探討,考慮波浪誘發(fā)的海床滲流力對泥沙起動的影響,有助于加深對波浪掀沙機理的認識。1海底泥沙顆粒的定量和動態(tài)其根據(jù)竇國仁等、趙子丹、曹文洪等的研究成果,波浪作用下床面泥沙顆粒所受的主要作用力如圖1所示。(1)推力波浪對海底泥沙顆粒的推力Fx可表述為式中λx為波浪推力的阻力系數(shù),其值是糙率高度與波長的比值的函數(shù);d50為中值粒徑;ρw為水的密度;ub為討論時刻作用于海底表層顆粒的波浪軌跡質(zhì)點速度,其值為式中u0為海底最大軌跡質(zhì)點速度,根據(jù)線性波理論,其值為式中H為波高;T為波周期;h為水深;k為波數(shù);ω為角頻率;ρs為土的密度。(2)上舉力波浪對海底泥沙顆粒上舉力Fy可表述為式中λy為波浪上舉力的阻力系數(shù),由試驗確定。曹文洪等采用Bagnold水槽實測資料得到上舉力系數(shù)λy為上舉力公式可寫為(3)慣性力波浪對泥沙顆粒的慣性力Fi,可表示為式中λi為慣性力系數(shù),其余同上。(4)滲流力夏令根據(jù)Mei等的海床邊界層理論得到滲流力的公式為(5)泥沙顆粒在水中的重力扣除浮力后的泥沙重力(浮重)為(6)體積力FV包括由水流壓力梯度的存在而引起的分量FP和顆粒的附加動水質(zhì)量引起的力FH。波浪作用下的泥沙顆粒上的體積力可忽略不計。(7)粘結(jié)力與薄膜水附加壓力細顆粒之間由于粘結(jié)力的存在,使顆粒成結(jié)合狀態(tài)。對于由靜止起懸的細顆粒,必須克服顆粒間粘結(jié)力和薄膜水附加壓力,使顆粒松動后才有可能懸浮。竇國仁導出了粘結(jié)力、薄膜水附加壓力的表述公式。2流量影響分析2.1泥沙粒徑對滲流力的影響選取中值粒徑d50為0.01mm、0.5mm、2.0mm的3種粒徑泥沙分別代表粉沙、細沙、中沙,利用式(4)和式(8)分別計算在一個波浪周期中的上舉力和滲流力,并將不同泥沙的滲流力與上舉力的計算結(jié)果進行比較分析。計算參數(shù)為:h=20m,H=2m,T=10s,n=0.4,v=0.33,β=1.0×107N/m2,ρs=2650kg/m3,ρw=1000kg/m3,d50為0.01mm、0.5mm、2.0mm,對應(yīng)的滲透系數(shù)ks分別為1.0×10-8m/s、5.0×10-4m/s、1.0×10-2m/s,對應(yīng)的剪切模量G分別為5.0×106N/m2、1.0×107N/m2、5.0×107N/m2。圖2為不同粒徑泥沙的滲透力和上舉力在一個波浪周期內(nèi)的變化情況。從圖2可以看出,上舉力的方向一直是垂直向上,滲流力隨著波高的變化其方向也發(fā)生向上或向下的變化,滲流力與上舉力之間存在著相位差,不是同時達到最大值。圖2(a)是粒徑極細的粉沙情況,可以看出滲流力的最大值大于上舉力的最大值。在粒徑較大的細沙和中沙情況(圖2(b)和圖2(c)),滲流力的最大值小于上舉力的最大值。將一個周期內(nèi)的滲流力與上舉力進行對比得到圖3。圖3表明在一個波浪周期內(nèi),3種粒徑的泥沙均有一段時間內(nèi)滲流力大于上舉力,中值粒徑d50為0.01mm、0.5mm、2.0mm時滲流力與上舉力的最大比值分別為250、70、80。雖然在粒徑較大情況下滲流力的最大值小于上舉力的最大值,但由于它們之間存在的相位差,使得在一個周期內(nèi)有一時段滲流力遠大于上舉力。滲流力方向向上時,泥沙向上的作用力增大,特別是滲流力遠大于上舉力時段,滲流力的作用表現(xiàn)得更為突出,泥沙更容易起動。上述結(jié)果表明海床中波浪引起的滲流力在泥沙可以從床面起動的過程中起著重要的作用,滲流力是海床泥沙起動的主要因素之一,對于粉沙起動顯得更為突出。2.2細顆粒泥沙的擊穿規(guī)律利用式(9)計算泥沙顆粒的有效重力,并與計算得到的滲流力進行比較分析得到圖4。從圖4可以看出,粒徑極細的粉沙情況(d50=0.01mm),滲流力遠大于泥沙顆粒的有效重力;粒徑較細的泥沙情況(d50=0.5mm),滲流力約為泥沙顆粒的有效重力的0.12,粒徑較粗的泥沙情況(d50=2.0mm),滲流力約為泥沙顆粒的有效重力的0.04。因此,滲流力對細顆粒泥沙的起動起著重要作用,在分析波浪作用下細顆粒泥沙起動規(guī)律時,需考慮波浪引起的滲流力的影響。無粘性的大顆粒泥沙受到向上的作用力超過顆粒自重就能起動,但細顆粒泥沙由于顆粒之間的粘結(jié)力影響,向上的作用力超過顆粒自重不一定能起動。3間隙水壓力對沉積物波動的影響3.1試驗方法和數(shù)據(jù)采集滲透力與孔隙水壓力兩者是等價的,但滲透力是體積力、矢量,孔隙水壓力是面力、標量。為了計算分析方便,通過試驗測量孔隙水壓力來分析滲流力對泥沙起動的影響。試驗在長沙理工大學港航中心實驗室的波浪水槽進行,水槽兩側(cè)為透明玻璃,總長60m,寬1.5m,高1.8m。水槽后部一段長度用玻璃隔板等分成3部分,各為0.5m寬,水槽末端設(shè)有消浪裝置。試驗水槽的造波機采用大連理工大學研制的造波控制系統(tǒng),可以生成多種波浪,孔隙水壓力和波高的量測采用天津水運工程科學研究所研制的SG2000型水工試驗數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng),這兩套系統(tǒng)均由計算機控制并進行數(shù)據(jù)采集。在水槽分隔段布置了海床模型,海床模型長3.0m,寬0.5m,深0.2m,左側(cè)放置中值粒徑為0.44mm的沙子,滲透系數(shù)為0.041cm/s,孔隙率為0.389,右側(cè)放置中值粒徑為0.21mm的沙子,滲透系數(shù)為0.018cm/s,孔隙率為0.473。在沙床中間選取兩個斷面,自床面沿深度向下每隔5cm布置一個孔隙水壓力傳感器,每個斷面布置4個,量測其孔隙水壓力值。在壓力傳感器對應(yīng)斷面布置浪高儀。試驗中采用可以較好反應(yīng)近岸淺水波浪特性的橢圓余弦波,水深為30cm,波高為8~16cm,周期為1.6~2.4s。每組試驗重復做3~4次,每次試驗結(jié)束后,待波面平靜后再進行下一次試驗。試驗中波高和孔隙水壓力的數(shù)據(jù)采集均以0.02s為時間間隔,造波機剛開始生成的波浪不穩(wěn)定,當3~4個周期的波浪通過床面達到穩(wěn)定后開始采集數(shù)據(jù),每個測點采集1024個數(shù)據(jù)。試驗剛開始時,粗粒徑海床表層有少量的泥沙起動,細粒徑海床的床面上大量泥沙起動并躍起懸浮在水中,慢慢使整個水體混濁。床面上的泥沙顆粒在波浪作用下往復運動。經(jīng)過一段時間的波浪作用后,床面上形成了沙紋。沙紋長度在3~5cm范圍內(nèi),在波浪作用下不斷向前推移發(fā)展。3.2孔隙水壓力響應(yīng)(1)孔隙水壓力響應(yīng)歷時曲線圖5為橢圓余弦波作用下波面與對應(yīng)的沙床孔隙水壓力歷時曲線,圖中No.17表示17號浪高儀,No.21~No.25和圖6中No.47~No.50表示不同位置處壓力傳感器編號。從圖5可以看出,橢圓余弦波作用下,孔隙水壓力歷時曲線呈現(xiàn)出橢圓余弦波的形狀特征,孔隙水壓力歷時曲線與波面歷時曲線形狀相似。不同深度的孔隙水壓力隨著波面的變化而變化,波峰時刻可明顯看出它們的相位略有滯后,深度越大滯后越明顯。正向孔隙水壓力的幅值大于負向孔隙水壓力的幅值。圖6和圖7分別給出了橢圓余弦波作用下,細質(zhì)沙床和粗質(zhì)沙床各斷面中不同測點的孔隙水壓力響應(yīng)歷時曲線,兩種沙床情況下采用的波浪參數(shù)為水深h=30cm,波周期T=2.0s,波高H=14cm。在波浪要素和沙床介質(zhì)相同條件下,同一斷面中各測點孔隙水壓力響應(yīng)曲線形狀相似,孔隙水壓力值沿沙床深度方向逐漸減小且趨于穩(wěn)定?？紫端畨毫憫?yīng)曲線存在相位角滯后現(xiàn)象,從沙床表面到沙床底部,相位滯后程度越來越小。與粗質(zhì)沙床相比,細質(zhì)沙床孔隙水壓力衰減較快,相位角滯后大。沿沙床深度方向的孔隙水壓力衰減和相位角滯后,導致海床內(nèi)存在垂向孔隙水壓力梯度,泥沙會受到這種向上或向下的滲流力作用。對比圖6和圖7中的孔隙水壓力值可知,細沙海床中壓力變化較粗沙海床大,這表明細沙海床中泥沙受到的滲流力較粗沙海床大。(2)波高變化對孔隙水壓力響應(yīng)的影響在海床介質(zhì)參數(shù)和其它波浪參數(shù)相同的情況下,分別采用3種不同波高的波浪,得到波高變化對海床孔隙水壓力幅值變化的影響。由圖8可知,橢圓余弦波作用下海床中孔隙水壓力受波高影響較小,沙床上部孔隙水壓力衰減較快,5cm以下孔隙水壓力衰減變得緩慢。這表明波高變化對海床泥沙中的孔隙水壓梯度影響不大,即滲流力的大小隨著波高變化不大。(3)周期變化對孔隙水壓力響應(yīng)的影響海床介質(zhì)參數(shù)相同,其它波浪參數(shù)也相同,分別采用4種不同周期的波浪,得到周期變化對孔隙水壓力的影響。由圖9可知,當橢圓余弦波作用時,在沙床0~5cm范圍內(nèi)孔隙水壓力幅值受波周期影響較大,且衰減迅速,在沙床5cm以下,幾種波況下的孔隙水壓力幅值衰減趨勢一致且變得緩慢。這表明表層海床泥沙中的孔隙水壓梯度較大,并且隨著周期的增大而增大,即滲