关于波浪冲刷作用的下界深度
考虑渗流力的海床临界冲刷机理及计算方法_王虎
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水科学进展
第 25 卷
1 理论推导
1. 1 物理模型 在海洋中，波浪引起的附加应力能够改变海床内部应力场，不同深度海床土之间因不同的孔隙水压力累
积幅值而产生压力梯度，进而诱发渗流。海床表面是自由排水边界，因此压力梯度减小的方向也就是渗流力 的方向总是从海床内部指向床面。渗流力能够显著降低床面泥沙颗粒的临界起动流速［4，7］，促进泥沙颗粒的 起动，渗流力是海洋泥沙起动研究中一个必须要考虑的因素。波浪作用下海床冲刷的物理机制如图 1 所示。 在图 1（ a） 海床表面任意选取一泥沙颗粒 A，其受力情况如图 1（ b） 所示，在传统重力、拖曳力和上举力的基 础上添加了一项渗流力，此力为垂直床面向上的渗流力或斜向渗流力的垂向分量。建立力学平衡方程，可得 泥沙颗粒的临界起动切应力。同时波浪产生一个床面切应力，一旦床面切应力超过泥沙临界起动切应力，则 泥沙起动，冲刷发生。
随着波浪的持续作用，初始床面泥沙颗粒起动，已经起动的泥沙颗粒或推移、跃移或悬浮，脱离床面进 入水体或呈现为流态，可认为水深 h 不断加深，床面泥沙起动不断向下发展。被起动的泥沙如果未发生净输 运，则堆积在床面附近形成一定厚度的高密度振荡流［9-10］，即图 1（ a） 中所示的流化土层，其密度远大于海 水而接近饱和土体密度。随着冲刷不断向下发展，流化土层的厚度 Δh 不断增大，而随着水深增加，床面切 应力不断减小，直至床面切应力与泥沙的临界起动切应力达到平衡，则冲刷停止。最终的流化土层厚度，即 初始海床面与最终冲刷面之间的厚度 Δh，为临界冲刷深度。
比较床面最大切应力 τm 和临界起动切应力 τs，即可判定泥沙颗粒是否起动。不断加大水深 h，τm 不断 减小，直到 τs 首次超过 τm，则冲刷不再发展，得到临界冲刷深度 Δh。床面附近流化层是一种高密度的粘性 流体，参照文献［14］，近似取为饱和土的密度，动力粘滞系数近似为纯水 ν = 0. 01 cm3 / s。
厦门湾潮流波浪作用下的悬沙分布及海床冲淤研究道客巴巴
厦门湾潮流波浪作用下的悬沙分布及海床冲淤研究一、引言悬沙分布及海床冲淤是海洋地质学中的重要研究内容之一。
厦门湾作为中国东南沿海的一个重要海湾，其潮流波浪对海床的冲淤作用具有一定的影响。
本文将对厦门湾潮流波浪作用下的悬沙分布及海床冲淤进行深入探讨。
二、潮流波浪对悬沙分布的影响2.1 潮流对悬沙输运的影响潮流是厦门湾悬沙输运的主要驱动力之一。
根据潮流的流向和流速变化，悬沙在厦门湾内的分布呈现出明显的空间差异。
潮流的流向和流速变化会影响悬沙的输运路径和沉积位置。
2.2 波浪对悬沙悬浮度的影响波浪是厦门湾悬沙悬浮度的重要因素之一。
波浪的作用下，悬沙颗粒会被悬浮在水体中，形成悬浮负荷。
波浪的能量和频率对悬浮度的变化有着显著的影响。
三、悬沙分布及海床冲淤的研究方法3.1 采样和观测方法悬沙分布及海床冲淤的研究需要采用一系列的采样和观测方法。
包括采集沉积物样品、测量悬沙悬浮度、记录潮流和波浪数据等。
这些数据将为研究提供重要的实验依据。
3.2 数值模拟方法数值模拟方法在悬沙分布及海床冲淤研究中起着重要的作用。
通过建立适当的模型，模拟潮流波浪对悬沙输运和沉积过程的影响。
数值模拟可以提供对悬沙分布及海床冲淤的预测和分析。
四、厦门湾悬沙分布的特点4.1 悬沙分布的空间差异厦门湾内悬沙分布呈现出明显的空间差异。
不同地区的悬沙含量和粒径组成存在差异，这与潮流和波浪的作用有关。
4.2 悬沙分布的季节变化厦门湾悬沙分布还存在明显的季节变化。
在不同的季节，悬沙含量和粒径组成会发生变化，这与季节性的潮流和波浪特征有关。
五、海床冲淤的影响因素5.1 潮流和波浪的作用潮流和波浪是厦门湾海床冲淤的重要驱动力。
潮流和波浪的流向、流速和能量会直接影响海床的冲淤过程。
5.2 人类活动的影响人类活动对海床冲淤也有一定的影响。
例如港口的修建、堤防的建设等都会改变潮流和波浪的作用，进而影响海床的冲淤过程。
六、海床冲淤的影响与应对对策6.1 影响海床的冲淤对厦门湾的生态环境和经济发展都会产生一定的影响。
海岸带的地质作用解读
③海蚀穴(洞)：在海蚀崖坡脚处形成的凹槽称海蚀穴 （洞）
2、海积地貌
(1) 泥沙横向运动 所形成的地貌 ①水下堆积阶地 ②海滩与滨岸堤 ③离岸堤与泻湖
凹 入 角 的 堆 积 滩 地
岸外屏障堆积滩地
④水下沙坝
海 岸 角 的 沙 嘴
三、沿岸建筑物的防护措施
护岸和护港的目的：一是防冲刷(scour)；二是防 淤积(alluvial)，防治措施有两大类
1、设置水工建筑
破浪堤：是设置在水下岸坡上、与岸线近于平 行的水下长堤。 丁坝：为垂直边岸的堤坝
•防波堤(breakwaters)： 是一种防淤建筑物，相 当于一条人工的岸线， 利用纵向沉积物流的运 动规律，将泥沙截留在 港湾之外。
2、修建防护工程
• 护岸墙：是用木头、钢板或混凝土等材料构筑的垂直墙 抛石或砌石护岸
6.5
海岸带的地质作用
海岸带Coastal Zones：海洋与陆地的接触带，
自陆向海可分为海岸、潮间带和水下岸坡。
海岸带
• 海岸：是高潮线以上 狭窄的陆上地带。 • 潮间带：是高潮线与 低潮线之间的地带。 • 水下岸坡：是低潮线 以下直至波浪有效作用 于海底的下限地带。
波浪特征Wave Behavior
波浪的侵蚀作用与沉积作用 Wave Erosion and Deposition
侵蚀作用：巨大的海浪对海岸的冲击压力可达 0.6MPa，使岸边岩石破坏。
沉积作用：河流搬运、海洋侵蚀物质及海底火
山喷发物质沉积在海底的作用。距大陆越远，
颗粒越细，远洋为生物或化学物质沉积。
二、海岸地貌
①海蚀崖：波浪打击海岸主要集中在海平面附近,使海 岸形成凹槽,凹槽以上的岩石被悬空,波浪继续作用, 使悬空的岩石崩坠,促使海岸步步后退,形成海蚀崖。 ②海蚀台：在海蚀崖不断后退的同时,其前出现一个不 断展宽、微向海倾斜的平台
冲刷、波浪要素及安全超高计算
1.286883119
2.09629力加速度g
θ
9.81
行近流速U
4.82
54.00
行近水流水深H0
6.47
数据输入区域
k1
k3
0.88
(Um Uc)0.75 gHO
1.03
1.00
0.08
LD H0
1.12
公式 计 算 区
冲刷深度hs
23.78
冲刷深度hs
24.60
40。
1.50
1.75
粘性土当量粒径 （cm) 粘土及重念壤土 1 4
8 10
50。 2.00
6 圆砾 1.2
7 卵石 1.5
8 漂砾
2
粘土及重念壤土 1 4
8 10
轻粘壤土 0.5 2
8 10
黄土 0.5
2
3 6
60。 2.25
70。 2.50
80。 2.75
90。 3.00
冲刷深度计算表
守恒连续方程，公式如下：
v12 ) 2g
； ；
据断面数据，流量，逐 。 公式计算：
； 积，m2;
‰）。
糙率n 比降J
0.045 0.012
起始断面水位~流量关系表
0
0
0
刷深度计算)
计规范》（GB50286-2013）附录D.2.2平行于岸坡水流冲刷经验公式进行计算
1
)7
10 H
00605
d 0.72 50
河 段 的 平 均 局 部 水 头 损失 系 数 ；
L 上 下 游 相 邻 两 端 面 间 距。
已知下游初始断面的流量、水位，根据断面数据，流量 段向上游计算断面水位。
海岸带
海岸带的动力因素
潮汐与潮流 潮汐现象是指海水在天体(主要是月球和太阳)引潮力作用 下所产生的周期性涨退现象，习惯上把海面垂直方向涨落 称为潮汐，而海水在水平方向的流动称为潮流。
海岸带的动力因素
潮汐与潮流 地球上任何地点的水质点所 受月球引力的方向、大小都 不同，但地球上任何地点的 平动离心力都相同。月球引 力和地球平动离心力的合力 就是引潮力(tide producing force)。
联合国海洋法公约对沿岸海域的规定
4．毗连区(contiguous zone) 毗连领海并由沿海国对某些事项行使必要管制的海域为毗 连区。从领海基线起算，毗连区的宽度不得超过24nmile。 沿海国在毗连区享有查禁走私、防止漏税、保障国民健康、 防止非法入境等方面需要而行使检查等必要管制的权利。 所有国家在毗连区都享有航行和飞越自由、铺设海底电缆 和管道的自由。
海岸带的动力因素
深水波浪 水质点运动的圆周轨道在水平方向上，半径都相等，而在 垂直方向上，水质点作圆周运动的半径迅速减小。在海面 下一个波长深处，水质点运动轨迹半径只有表面的1/512。
海岸带的动力因素
浅水波浪 浅水波浪是指水深小于1/2波长的海区的波浪。 波浪进入浅水区后，波浪中水质点的运动受到海底摩擦的 影响，产生大的变化，使浅水区的波浪具有一系列不同于 深水区波浪的性质。波浪进入浅水区后，除了周期保持不 变外，其他的波浪要素几乎都会发生变化。
联合国海洋法公约对沿岸海域的规定
5．专属经济区(exclusive economic zone) 领海基线起向海一侧宽度为200n mile的海域为专属经济区。 专属经济区的地理位置和法律地位都介于领海与公海之间。 沿海国享有对专属经济区水域、海床及其底土以勘探、开 发、养护和管理自然资源为目的的主权权利。以及对人工 岛等设施结构建造使用、海洋研究和环境保护的管辖权。 其他国家在专属经济区享有航行和飞越自由、铺设海底电 缆和管道的自由。
波浪作用下海底管道振动与局部冲刷耦合作用数值研究
波浪作用下海底管道振动与局部冲刷耦合作用数值研究波浪作用下海底管道振动与局部冲刷耦合作用的数值研究是海洋工程领域的一个热门研究方向。
海底管道承载着海底油气资源的开发和传输，在波浪作用下，海底管道受到波浪力、水流力和海底侵蚀等多方面的作用，容易发生振动和局部冲刷。
为了保证海底管道的稳定和安全运行，需要进行深入的研究并提出相应的措施。
首先，波浪作用会产生周期性的水动力作用力，导致海底管道振动。
这种振动会对管道的稳定性和疲劳寿命产生不利影响。
因此，数值模拟分析可以通过求解海底管道的动力学方程，得到管道的位移、应力和振动响应等关键参数，从而评估管道的振动情况。
其次，局部冲刷是一种固体颗粒在水流作用下对管道表面进行冲刷的现象。
局部冲刷会导致管道表面的材料丧失，甚至破坏管道的完整性。
在波浪作用下，海底管道易受到局部冲刷，使得管道的寿命大大降低。
因此，研究局部冲刷对管道的影响，对于管道的设计和材料选择有着重要的实际意义。
为了研究波浪作用下海底管道振动与局部冲刷耦合作用，可以采用数值模拟方法进行分析。
数值模拟方法可以通过建立相应的数学模型，采用计算流体力学（CFD）或其他方法对管道系统进行模拟和仿真。
数值模拟可以考虑波浪力、水流力和局部冲刷等多重物理过程，得到管道的振动响应、应力分布和局部冲刷情况等关键参数。
在进行数值模拟时，需要对波浪力、水流力和局部冲刷等物理过程进行建模。
对于波浪力，可以采用线性波浪理论或非线性波浪理论进行建模。
对于水流力，可以通过求解雷诺平均Navier-Stokes（Reynolds-averaged Navier-Stokes，RANS）方程或湍流模型来分析。
对于局部冲刷，可以采用离散元法（Discrete Element Method，DEM）或颗粒流模型进行建模。
通过数值模拟分析，可以得到海底管道在波浪作用下的振动响应和局部冲刷情况，并评估管道的稳定性和耐久性。
基于数值模拟结果，可以进一步优化管道的设计和材料选择，提出相应的加固措施，以确保管道的安全运行和长期稳定。
海洋地貌及其沉积物
A、深水区水质点运动深水区水质点沿轨道运动一周，波形往前移动一个波长的距离。
同一波峰的平面延伸联线称波峰线，垂直波峰线的方向为波浪运动方向。
C、浅水区波浪波浪进入浅水区，水质点运动与海底摩擦，自海面向海底，水质点运动轨迹的形态发生变化，由圆形渐变为椭圆形，扁度随水深减小而增大，称浅水波。
D、进退流在浅水区（水深小于1/2波长），由于受到底部沉积物阻挡，波浪的外形变得不对称，波浪的前坡变陡，后坡变缓，波峰变窄，波谷拉长产生明显的横向流（进退流）。
此时波浪具有明显的侵蚀和搬运作用，形成各种海岸地貌。
E、波浪折射和沿岸流波浪进入浅水区后，由于波浪前进方向与岸线斜交或海底地形的起伏变化，都会随着水深的减小而使波浪传播速度改变，在一个波峰线上，有些段运动速度快，有些段运动速度慢，波峰线发生弯曲，称为波浪折射。
与此同时，形成平行海岸的波浪流，称为沿岸流。
主要的表层洋流3、海流海流的形成可由风的作用、气压梯度、海水的密度和温度、江河淡水注入以及潮汐等影响所致。
有些海流有定向性，每年大致向一个方向流动，流速和水量没有多大变化。
From Wikipedia17.5万吨重From Wikipedia海滩B、海蚀崖海蚀穴扩大后，致使上面岩石悬空发生崩坠，形成向海呈陡斜或垂直的陡壁。
C、海蚀桥F、海蚀柱D、海蚀柱E. 波切台海蚀崖逐渐后退，波浪不断冲刷磨蚀位于海蚀崖前方的基岩面，形成微微向海倾斜的基岩平台。
基岩海岸海蚀平衡剖面的形成过程E. 沙嘴:在凸形海岸，一端与陆地相连，另一端向海伸出的泥沙堆积体。
在AB段波浪作用方向与岸线夹角为45°(φ)，BC段的夹角小于45°(φ‐π)，当泥沙流进入BC段时，搬运能力降低，在海岸转折处发生堆积并不断向前伸长，便形成沙嘴。
沙嘴的尾端常呈向岸方向弯曲形状，这多是波浪折射或两个方向波浪作用所致，在港湾海岸的沙嘴，由于潮汐作用也可使沙嘴尾端发生弯曲。
F. 连岛沙坝连接岛屿与陆地的沙坝叫连岛沙坝。
海岸地貌
海滩区 海岸区
海 前滨
滨 后滨
（二）海岸带的水动力
波浪、潮汐、海流、河流
其中以波浪作用为主， 潮汐只在有潮汐的海岸对地貌起塑造作用。 海流——由于盛行风及海水温度和盐度等因素影响，
海水因密度差异向一定方向运动形成海流。 河流——只限于河流入海的河口段。
1、波浪作用：
是海岸地貌形成过程中最为活跃的营力之一。
离岸沙堤：它是露出水面以上，大致平行海岸的沙堤。长几 公里～几十公里。沙堤断续连接留下潮流入口，其内 即成泻湖（离岸堤与陆地之间封闭半封闭的浅水水域）。
水下堆积阶地：在水下岸坡的坡脚处，由向海移动的泥沙按 密度、大小分选堆积而成。
（2）沿岸流堆积地形
沙嘴：一端与陆地相连，另一端向海伸出的泥沙堆积 体。如果堆积在湾口，形成拦湾坝。
主要是河口三角洲地貌及堆积物，其次是河口湾及滨海泻湖
（一）河口地貌和堆积物
1．河口区的特征
入海河流与海水相互作用的地区，称为河口区。 河口区作用类型：河流作用、波浪作用、潮汐作用。
几个概念——
潮流界： 涨潮时，海水上溯到潮流速与河流速相抵消处称为潮流界。 潮区界：在潮流界以上，受涨潮流顶托河水位时有升落，即发生潮差，潮差为
形成微微向海倾斜的基岩平台。（波切台）
基岩海岸的平衡剖面及其形成过程
海蚀崖 波切台 海蚀柱
海蚀洞
北戴河鸽子窝海蚀凹 槽及海蚀崖
北戴河老虎石海蚀穴
蜂窝状海蚀穴
2）海积地貌
（1）横向流堆积地貌 海滩（潮间带）——泥、砂、砾被激浪流堆积在岸边而成的向
海微倾斜滩地。 分砾滩、 沙滩、 泥坪。
水下沙堤：它大致与海岸平行分布，在波浪向海传播时，由 于波浪不断发生局部破碎使能量降低，因而发生堆积， 形成一条或数条水下堆积体，称之为水下沙堤。