一种波浪作用下沙质海岸岸滩演变物理模型试验方法技术

本发明专利技术公开一种波浪作用下沙质海岸岸滩演变物理模型试验方法，确定模型的试验范围、定床边界位置和动床边界位置；选择模型沙并确定模型沙的中值粒径、模型沙的级配、模型沙的颗粒密度和模型沙的表观干密度；在试验水池中制作定床地形和动床地形；开展波浪率定工作：将试验水池加水到试验水位；待试验水池的水面稳定后，根据代表波要素设置波浪参数，开启造波机造波，调试造波机使试验水池中波浪要素满足试验要求；开展模型验证试验；根据模型验证试验中最后实测的模型沿岸输沙率，计算岸滩冲淤时间比尺；开展试验要求的岸滩演变试验组次。本发明专利技术方法能够更准确地模拟沙质海岸沿岸输沙过程，更合理地反映水沙动力与涉水建筑物的相互作用。的相互作用。的相互作用。

【技术实现步骤摘要】
一种波浪作用下沙质海岸岸滩演变物理模型试验方法


[0001]本专利技术涉及一种波浪作用下沙质海岸岸滩演变物理模型试验方法，属于海岸工程


技术介绍

[0002]沙质海岸具有丰富的自然资源和优美的风光，是人类生产生活和休闲娱乐的主要聚居地之一。沙质海岸泥沙运动可以分为垂直海岸方向的横向(向离岸)运动和平行海岸的沿岸运动。前者控制岸滩的短期(小时
‑
月)演变，后者控制岸滩的长期(年
‑
数百年)演变。海平面上升、波浪作用、风暴、入海泥沙减小、人工采砂以及人类活动则是泥沙运动和岸滩演变的主要驱动因素或作用。沙质海岸岸滩演变，对于保护和合理开发沙质海岸资源、防灾减灾、规划和管理滨海生存空间具有重要影响，因此合理地预测沙质海岸岸滩演变一直是海岸工程界关心的核心问题之一。
[0003]由于近岸波浪浅化、破碎及其引起的波生流和强烈的水体紊动，沙质海岸近岸泥沙运动十分复杂，岸滩演变具有显著的多元性和非线性，准确预测沙质海岸岸滩演变存在极大的困难。目前，预测沙质海岸岸滩演变的方法主要包括经验法则和经验公式、数学模型试验以及物理模型试验。
[0004]经验法则往往仅能提供一些趋势性的判断，无法给出较为详细的演变过程和具体的泥沙冲淤量预测。经验公式往往针对某一具体的案例或某一特定的动力条件和海岸，缺乏通用性和可移植性。数学模型方便易用，近年来发展迅速，深受研究者的欢迎。但受制于目前对近岸泥沙运动机理认识有限，数学模型在反演破波带和冲流带泥沙运动过程等方面仍有较大欠缺，一定程度上影响数学模型预测海岸演变的准确性。此外，数学模型在精细化求解泥沙对流扩散过程时耗时较长，也限制了数学模型在模拟海岸长期演变方面的应用。整体物理模型试验能够比较直观且完整地重现原型海岸岸滩演变过程和变化，在岸滩演变研究中具有得天独厚的优势，因而得到广泛关注和应用。
[0005]受制于比尺效应、参数概化以及近海水动力和泥沙本身具有的复杂性，沙质海岸岸滩演变物理模型试验技术还远不成熟。已有沙质海岸岸滩演变物理模型试验在代表波确定、模型沙选取、沿岸输沙率计算、涉水建筑物处理、验证方法、加沙方法等诸多方面存在不足。这些不足影响物理模型模拟原型海岸水沙物理过程的准确性，进而影响模型预测岸滩演变和泥沙冲淤的可靠程度。

技术实现思路

[0006]本专利技术所要解决的技术问题是克服现有沙质海岸岸滩演变物理模型试验技术的缺陷，提供一种波浪作用下沙质海岸岸滩演变物理模型试验方法。
[0007]为达到上述目的，本专利技术提供一种波浪作用下沙质海岸岸滩演变物理模型试验方法，包括：
[0008](1)确定模型的试验范围、定床边界位置和动床边界位置；
[0009](2)确定原型海岸的代表波向、代表波高、代表波周期、泥沙中值粒径、粒径级配、泥沙颗粒密度、泥沙表观干密度以及总质量沿岸输沙率；
[0010](3)确定模型的平面比尺、垂直比尺、波长比尺、波高比尺、波周期比尺、泥沙起动波高比尺和沉速比尺；
[0011](4)根据泥沙的起动波高比尺和沉速比尺，选择模型沙并确定模型沙的中值粒径、模型沙的级配、模型沙的颗粒密度和模型沙的表观干密度；
[0012](5)计算模型预估总质量沿岸输沙率；
[0013](6)在试验水池中，制作定床地形和动床地形，并在动床地形和定床地形交接处设置过渡带；
[0014]若定床地形或动床地形上有涉水建筑物和人为地形，则在试验水池中相应的制作涉水建筑物地形和人为地形；
[0015]在动床地形的上游边界处设置加沙装置，在动床地形的下游边界处设置收沙装置，并按试验要求的波浪方向在外海边界处设置造波机；
[0016]在造波机两侧设置与造波机垂直的导波板；
[0017](7)开展波浪率定工作：首先将试验水池加水到试验水位；
[0018]待试验水池的水面稳定后，根据代表波要素设置波浪参数，开启造波机造波，调试造波机使试验水池中波浪要素满足试验要求；
[0019](8)开展模型验证试验；
[0020](9)根据模型验证试验中最后实测的模型沿岸输沙率，计算岸滩冲淤时间比尺；
[0021](10)开展试验要求的岸滩演变试验组次。
[0022]优先地，确定模型的试验范围，包括以下内容：
[0023]模型的试验范围包括岸线、岸滩和岸滩外海边界；
[0024]根据试验要求确定模型所需容纳的岸线和岸滩，岸滩外海边界应超出泥沙起动水深；
[0025]确定定床边界位置和动床边界位置，通过以下步骤实现：
[0026]动床范围以预设的研究区域为中心，动床边界设置在研究区域的岸滩演变范围之外，动床外海边界应满足水深大于泥沙起动水深的条件；
[0027]设定物理模型试验范围中除去动床范围的部分为定床范围，定床沿岸上下游边界与动床沿岸上下游边界间设置过渡段，过渡段长度大于5倍模型中试验波长。
[0028]优先地，确定原型海岸的代表波周期，通过以下步骤实现：
[0029]根据当地波高与波周期关系，确定代表波周期；
[0030]若无法获得当地波高与波周期关系，则按下式确定代表波周期：
[0031][0032]式中：T
r
为代表波周期；T
i
为波高大于起动波高的第i级有效波高对应的波周期，H
i
为波高大于起动波高的第i级有效波高，P
i
为为波高大于起动波高的第i级有效波高对应的频率；
[0033]确定原型海岸的代表波向和原型海岸的代表波高，通过以下步骤实现：
[0034]若有原型海岸波浪测站的现场波浪观测资料，则代表波向和代表波高按下式确
定：
[0035][0036][0037]式中：α
r
为代表波向，H
r
为代表波高；H
i
为波高大于起动波高的第i级有效波高，P
i
为波高大于起动波高的第i级有效波高对应的频率，α
i
为波高大于起动波高的第i级有效波高对应的波向角；
[0038]若没有原型海岸波浪测站的现场波浪观测资料，则根据原型海岸波浪测站的深水波浪观测资料或后报的再分析资料，通过公式(2)和(3)分别计算代表波向和代表波高，并根据波浪浅水变形将深水代表波推算至原型海岸近岸浅水区，获得研究区域的代表波向和代表波高；
[0039]确定原型海岸总质量沿岸输沙率，通过以下步骤实现：
[0040]若有原型沿岸输沙率实测资料，则根据原型沿岸输沙率实测资料，确定原型海岸的总质量沿岸输沙率；
[0041]若无原型沿岸输沙率实测资料，则根据下式计算原型海岸的总质量沿岸输沙率：
[0042][0043]式中，Q
m
为总质量沿岸输沙率；ρ
s
为泥沙颗粒密度，ρ为水的密度；m为岸滩坡度；I
r
为波浪破碎因子，其中H
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种波浪作用下沙质海岸岸滩演变物理模型试验方法，其特征在于，包括：(1)确定模型的试验范围、定床边界位置和动床边界位置；(2)确定原型海岸的代表波向、代表波高、代表波周期、泥沙中值粒径、粒径级配、泥沙颗粒密度、泥沙表观干密度以及总质量沿岸输沙率；(3)确定模型的平面比尺、垂直比尺、波长比尺、波高比尺、波周期比尺、泥沙起动波高比尺和沉速比尺；(4)根据泥沙的起动波高比尺和沉速比尺，选择模型沙并确定模型沙的中值粒径、模型沙的级配、模型沙的颗粒密度和模型沙的表观干密度；(5)计算模型预估总质量沿岸输沙率；(6)在试验水池中，制作定床地形和动床地形，并在动床地形和定床地形交接处设置过渡带；若定床地形或动床地形上有涉水建筑物和人为地形，则在试验水池中相应地制作涉水建筑物地形和人为地形；在动床地形的上游边界处设置加沙装置，在动床地形的下游边界处设置收沙装置，并按试验要求的波浪方向在外海边界处设置造波机；在造波机两侧设置与造波机垂直的导波板；(7)开展波浪率定工作：首先将试验水池加水到试验水位；待试验水池的水面稳定后，根据代表波要素设置波浪参数，开启造波机造波，调试造波机使试验水池中波浪要素满足试验要求；(8)开展模型验证试验；(9)根据模型验证试验中最后实测的模型沿岸输沙率，计算岸滩冲淤时间比尺；(10)开展试验要求的岸滩演变试验组次。2.根据权利要求1所述的一种波浪作用下沙质海岸岸滩演变物理模型试验方法，其特征在于，确定模型的试验范围，包括以下内容：模型的试验范围包括岸线、岸滩和岸滩外海边界；根据试验要求确定模型所需容纳的岸线和岸滩，岸滩外海边界应超出泥沙起动水深；确定定床边界位置和动床边界位置，通过以下步骤实现：动床范围以预设的研究区域为中心，动床边界设置在研究区域的岸滩演变范围之外，动床外海边界应满足水深大于泥沙起动水深的条件；设定物理模型试验范围中除去动床范围的部分为定床范围，定床沿岸上下游边界与动床沿岸上下游边界间设置过渡段，过渡段长度大于5倍模型中试验波长。3.根据权利要求1所述的一种波浪作用下沙质海岸岸滩演变物理模型试验方法，其特征在于，确定原型海岸的代表波周期，通过以下步骤实现：根据当地波高与波周期关系，确定代表波周期；若无法获得当地波高与波周期关系，则按下式确定代表波周期：式中：T
r
为代表波周期；T
i
为波高大于起动波高的第i级有效波高对应的波周期，H
i
为波
高大于起动波高的第i级有效波高，P
i
为为波高大于起动波高的第i级有效波高对应的频率；确定原型海岸的代表波向和原型海岸的代表波高，通过以下步骤实现：若有原型海岸波浪测站的现场波浪观测资料，则代表波向和代表波高按下式确定：若有原型海岸波浪测站的现场波浪观测资料，则代表波向和代表波高按下式确定：式中：α
r
为代表波向，H
r
为代表波高；H
i
为波高大于起动波高的第i级有效波高，P
i
为波高大于起动波高的第i级有效波高对应的频率，α
i
为波高大于起动波高的第i级有效波高对应的波向角；若没有原型海岸波浪测站的现场波浪观测资料，则根据原型海岸波浪测站的深水波浪观测资料或后报的再分析资料，通过公式(2)和(3)分别计算代表波向和代表波高，并根据波浪浅水变形将深水代表波推算至原型海岸近岸浅水区，获得研究区域的代表波向和代表波高；确定原型海岸总质量沿岸输沙率，通过以下步骤实现：若有原型沿岸输沙率实测资料，则根据原型沿岸输沙率实测资料，确定原型海岸的总质量沿岸输沙率；若无原型沿岸输沙率实测资料，则根据下式计算原型海岸的总质量沿岸输沙率：式中，Q
m
为总质量沿岸输沙率；ρ
s
为泥沙颗粒密度，ρ为水的密度；m为岸滩坡度；I
r
为波浪破碎因子，其中H
b
为破波波高，L0为深水波长；ω为泥沙沉速；E
b
为破碎处的波能，E
b
＝0.125ρgH
b2
，其中g为重力加速度；C
gb
为破碎处的波群速度；α
b
为破波波向角；u
mb
为破波底质点最大速度，其中，h
b
为破波水深；H
b
采用均方根波高。4.根据权利要求1所述的一种波浪作用下沙质海岸岸滩演变物理模型试验方法，其特征在于，确定平面比尺、垂直比尺、波长比尺、波高比尺和波周期比尺，通过以下步骤实现：基于试验场地尺寸、研究区域范围和造波机造波能力，确定平面比尺λ
l
和垂直比尺λ
h
；若试验要求的波浪绕射相似强于波浪折射相似，则平面比尺λ
l
等于垂直比尺λ
h
，波长比尺λ
L
和波高比尺λ
H
均等于垂直比尺λ
h
；按下式计算波周期比尺λ
T
：λ
T
＝λ
h1/2
ꢀꢀꢀꢀ
(5)泥沙的起动波高比尺等于模型的垂直比尺；确定泥沙的沉速比尺，通过以下步骤实现：基于悬沙对流输运相似和悬浮相似，确定泥沙的沉速比尺；悬沙对流输运相似对应的沉速比尺为：
λ
ω
＝λ
h3/2
/λ
l
ꢀꢀꢀꢀ
(6)式中：λ
ω
为沉速比尺；λ
h
为垂直比尺；λ
l
为平面比尺；悬浮相似对应的沉速比尺为：λ
ω
＝λ
h
/λ
l1/2
ꢀꢀꢀꢀ
(7)若模型为正态模型，则同时满足悬沙对流输运相似和悬浮相似；若模型为变态物理模型且试验要求的悬浮相似强于淤积部位相似，则采用公式(5)确定泥沙的沉速比尺；若模型为变态物理模型且要求淤积部位相似，则采用公式(6)确定泥沙的沉速比尺。5.根据权利要求1所述的一种波浪作用下沙质海岸岸滩演变物理模型试验方法，其特征在于，根据泥沙的起动波高比尺和沉速比尺，选择模型沙并确定模型沙的中值粒径、模型沙的级配、模型沙的颗粒密度和模型沙的表观干密度，通过以下步骤实现：步骤5.1：选取刘家驹提出的波浪作用下的泥沙起动公式作为泥沙起动波高计算依据，得到模型沙的中值粒径、相对浮密度与垂直比尺的关系：式中：Δ为相对浮密度，Δ＝(ρ
s
/ρ)
‑
1，其中ρ
s
为泥沙颗粒密度，ρ为水的密度；λ
d
为泥沙粒径比尺，d为中值粒径；...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙波，王宁舸，唐磊，厉泽逸，郑金海，戴鹏，陈大可，刘均卫，张弛，孙林云，肖凯，钱龙，郭天润，吴炳良，
申请(专利权)人：水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院，
类型：发明
国别省市：