一种波浪作用下沙质海岸岸滩演变物理模型试验方法与流程

1.本发明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，属于海岸工程技术领域。


背景技术：

2.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。
3.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。
4.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。
5.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。


技术实现要素：

6.本发明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。
7.为达到上述目的，本发明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：
8.(1)确定模型的试验范围、定床边界位置和动床边界位置；
9.(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；
10.(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；
11.(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；
12.(5)计算模型预估总质量沿岸输沙率；
13.(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；
14.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；
15.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；
16.在造波机两侧设置与造波机垂直的导波板；
17.(7)开展波浪率定工作：首先将试验水池加水到试验水位；
18.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；
19.(8)开展模型验证试验；
20.(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；
21.(10)开展试验要求的岸滩演变试验组次。
22.优先地，确定模型的试验范围，包括以下内容：
23.模型的试验范围包括岸线、岸滩和岸滩外海边界；
24.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；
25.确定定床边界位置和动床边界位置，通过以下步骤实现：
26.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；
27.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。
28.优先地，确定原型海岸的代表波周期，通过以下步骤实现：
29.根据当地波高与波周期关系，确定代表波周期；
30.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：tr为代表波周期；ti为波高大于起动波高的第i级有效波高对应的波周期，hi为波高大于起动波高的第i级有效波高，pi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：αr为代表波向，hr为代表波高；hi为波高大于起动波高的第i级有效波高，pi为波高大于起动波高的第i级有效波高对应的频率，αi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，qm为总质量沿岸输沙率；ρs为泥沙颗粒密度，ρ为水的密度；m为岸滩坡度；ir为波浪破碎因子，其中hb为破波波高，l0为深水波长；ω为泥沙沉速；eb为破碎处的波能，eb＝0.125ρgh
b2
，其中g为重力加速度；c
gb
为破碎处的波群速度；αb为破波波向角；u
mb
为破波底质点最大速度，其中，hb为破波水深；hb采用均方根波高。
[0044]
优先地，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：
[0045]
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λh；当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λh，波长比尺λ
l
和波高比尺λh均等于垂直比尺λh；
[0046]
按下式计算波周期比尺λ
t
：
[0047]
λ
t
＝λ
h1/2
ꢀꢀ
(17)
[0048]
泥沙的起动波高比尺等于模型的垂直比尺；
[0049]
确定泥沙的沉速比尺，通过以下步骤实现：
[0050]
基于悬沙对流输运相似和悬浮相似，确定泥沙的沉速比尺；
[0051]
悬沙对流输运相似对应的沉速比尺为：
[0052]
λ
ω
＝λ
h3/2
/λ
l
ꢀꢀ
(18)
[0053]
式中：λ
ω
为沉速比尺；λh为垂直比尺；λ
l
为平面比尺；
[0054]
悬浮相似对应的沉速比尺为：
[0055]
λ
ω
＝λh/λ
l1/2
ꢀꢀ
(19)
[0056]
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；
[0057]
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；
[0058]
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。
[0059]
优先地，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：
[0060]
步骤4.1：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：
[0061][0062]
式中：δ为相对浮密度，δ＝(ρs/ρ)-1，其中ρs为泥沙颗粒密度，ρ为水的密度；λd为泥沙粒径比尺，d为中值粒径；λh为垂直比尺；为在原型沙中δgd+0.486
×
10-6
/d的值和在模型沙中δgd+0.486
×
10-6
/d的值之比；
[0063]
步骤4.2：选取武汉水利电力学院提出的泥沙沉速公式作为泥沙沉速计算依据，得到模型沙的中值粒径、相对浮密度与垂直比尺的关系：
[0064][0065]
式中：为在原型海岸中的值和模型海岸中的值之比，其中υ为水的运动粘滞系数，λ
ω
为沉速比尺；
[0066]
步骤4.3：若要求淤积部位相似，则分别根据公式(6)、(8)和(9)计算粒径比尺，确定模型沙的中值粒径和模型沙的颗粒密度；
[0067]
若要求悬浮相似，则分别根据公式(7)、(8)和(9)计算粒径比尺，确定模型沙的中值粒径和模型沙的颗粒密度；
[0068]
步骤4.4：根据下式确定模型沙的级配：
[0069][0070]
式中：di表示粒径累计频率等于i时对应的粒径；为在原型沙di/d的值和模型沙中di/d的值之比；
[0071]
模型沙的表观干密度由模型沙干燥后使用环刀称重法测得。
[0072]
优先地，根据公式(4)，计算模型预估总质量沿岸输沙率；
[0073]
在试验水池中，制作定床地形和动床地形，通过以下步骤实现：
[0074]
根据原型海岸实测地形，按照平面比尺和垂直比尺制作定床地形和动床地形；
[0075]
定床地形采用米沙、砖块或石子填充后进行水泥抹面，动床地形采用在以米沙、砖
块或石子衬底上铺模型沙的形式制作，模型沙厚度超过原型海岸历史最大冲刷深度经垂直比尺换算后的模型冲刷深度；
[0076]
在动床地形和定床地形交接处设置过渡带，通过以下步骤实现：
[0077]
过渡带设置在动床地形和定床地形接触处，设置过渡带的方法为使用胶水将一层模型沙黏贴在定床地形表面；
[0078]
若原型海岸上有涉水建筑物，则在试验水池中相应的制作涉水建筑物地形，通过以下步骤实现：
[0079]
涉水建筑物根据垂直比尺和正态模型，采用不易变形材料制作涉水建筑物并进行水泥抹面，建筑物地形边坡坡度大于1:1的部分按1:1制作；
[0080]
动床上游边界设置加沙装置，加沙装置包括pvc圆管、阀门、电磁流量计、水泵、水槽、搅拌器以及连接水管，水槽中存放模型沙与水混合形成的水沙混合液，pvc圆管、阀门、电磁流量计、水泵、水槽、搅拌器以及连接水管水平放置，pvc圆管、阀门、电磁流量计和水泵由连接水管按顺序连通，pvc圆管连通水槽，pvc圆管两端封闭，pvc圆管面向模型中心区域的一面均匀开设若干个圆孔，pvc圆管垂直输沙方向布置；
[0081]
优先地，加沙装置的工作方法，通过以下步骤实现：
[0082]
首先将模型沙和水以一定比例放置在水槽中；
[0083]
通过搅拌器搅拌形成一定浓度的水沙混合液；
[0084]
通过水泵将水槽中的水沙混合液抽至pvc圆管中；
[0085]
水沙混合液通过pvc圆管上的圆孔流进试验水池的动床地形的上游；
[0086]
加沙装置工作时，水槽中水沙混合液中悬沙浓度与水泵抽水流速的关系满足下式：
[0087]
csu
add
＝q
add
ꢀꢀ
(23)
[0088]
式中，c为水槽中水沙混合液的悬沙浓度；s为连接水泵与pvc圆管的连接水管横断面过水面积；u
add
为连接水泵与pvc圆管的连接水管中水流平均流速；q
add
为试验加沙率；
[0089]
动床下游边界设置收沙装置，收沙装置为一封底不封口且具有梯形横断面的槽体，收沙装置埋置在动床输沙方向的末端，收沙装置的封口与动床地形表面齐平。
[0090]
优先地，开展模型验证试验，通过以下步骤实现：
[0091]
步骤8.1：将试验水池加水到设定的试验水位；
[0092]
步骤8.2：待试验水池的水面稳定后，设置造波机造出不使动床泥沙起动的波浪，造波机运行一段时间，直到模型沙密实后关闭造波机；
[0093]
步骤8.3：待试验水池的水面稳定后，按代表波要素设置造波机参数，造波机开始造波；
[0094]
步骤8.4：待造波机造出的波浪稳定后，加沙装置开始加沙，其中初次加沙率取值为模型预估总质量沿岸输沙率；
[0095]
步骤8.5：运行时间tv后，测量模型沿岸输沙率和模型沿岸收沙率，关闭造波机和加沙装置；
[0096]
待试验水池的水面稳定后，排干试验水池中的水，测量动床地形，获得试验结果；
[0097]
试验结果包括模型沿岸输沙率和岸滩冲淤情况，岸滩冲淤情况由开展模型验证试验后的动床地形与开展模型验证试验前动床地形相减得到；
[0098]
检验试验结果是否满足设定的验证要求，恢复初始的涉水建筑物地形、人为地形、动床地形；
[0099]
步骤8.6：若步骤8.5中试验结果未达到验证要求，则通过调节加沙率和代表波要素，重复步骤8.1至步骤8.5，直至试验结果满足验证要求；
[0100]
步骤8.3中按代表波要素设置造波机时，若采用不规则波，则采用适合当地波浪条件的波浪谱，并设置均方根波高等于代表波高，谱峰周期等于代表波周期；
[0101]
步骤8.5中时间tv由公式tv＝t
pv
/λ
t
确定，其中t
pv
为模型验证时间tv对应的原型岸滩演变时间；λ
t
为岸滩冲淤时间比尺；
[0102]
步骤8.5中检验试验结果是否满足验证要求，通过以下步骤实现：
[0103]
(a)对于原型海岸地形稳定的岸滩，验证模型验证试验获得的模型沿岸输沙率是否达到平衡以及岸滩冲淤情况是否稳定，若模型验证试验获得的模型沿岸输沙率达到平衡且岸滩冲淤情况稳定，则认为试验结果满足验证要求；
[0104]
(b)对于原型海岸地形不稳定的岸滩，则验证对应的实际岸滩演变过程，若模型验证试验中岸滩演变与实际岸滩演变过程一致，则认为试验结果满足验证要求。
[0105]
优先地，开展试验要求的岸滩演变试验组次，通过以下步骤实现：
[0106]
步骤10.1，将动床地形设置为试验要求的初始地形；
[0107]
步骤10.2，将试验水池加水到试验要求的水位；
[0108]
待试验水池的水面稳定后，设置造波机造出不使动床泥沙起动的波浪，造波机运行一段时间，直到模型沙密实后关闭造波机；
[0109]
步骤10.3，待试验水池的水面稳定后，按试验波浪要求设置造波机参数，造波机开始造波；
[0110]
待造波机造出的波浪稳定后，加沙装置开始加沙，加沙率取值为模型验证试验中最后实测的模型沿岸输沙率；
[0111]
步骤10.4，运行时间t
t
后，关闭造波机和加沙装置，排干试验水池中的水，测量动床地形；
[0112]
步骤10.5，如试验尚未完成，加水至试验要求水位，重复步骤10.3和步骤10.4直至该组试验完成；
[0113]
步骤10.4中时间t
t
由试验要求的原型岸滩演变典型时间除以岸滩冲淤时间比尺得到。
[0114]
优先地，按如下公式计算岸滩冲淤时间比尺：
[0115][0116]
式中，λ
t
为岸滩冲淤时间比尺，为即原型沙表观干密度与模型沙表观干密度之比；为实际的总质量沿岸输沙率比尺。
[0117]
本发明所达到的有益效果：
[0118]
本发明改进了已有沙质海岸岸滩演变物理模型试验中有关代表波确定、模型沙选取、沿岸输沙率计算、涉水建筑物处理、验证方法、加沙装置及加沙方法方面的不足，本发明
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。本发明方法不仅适用于沙质海岸岸滩在自然状态下的演变过程预测，也适用于人类活动影响下的岸滩演变预测；本发明方法不仅适用于平常浪动力，也适用于极端大浪动力；本发明方法不仅适用于规则波，也适用于不规则波；且具有准确性高、步骤简单、实施方便、节约成本等优点，具备广阔的应用前景。
[0119]
本发明方法与已有沙质海岸岸滩演变物理模型试验方法相比，本发明提出的方法具有更好的适用性和更高的准确性。
附图说明
[0120]
图1为本发明实施例二中物理模型试验范围、平面布置及初始地形示意图；
[0121]
图2为本发明中加沙装置的示意图；
[0122]
图3为本发明实施例二的原型海岸中港口、航道、防浪挡沙堤以及t型防护丁坝建设3年后岸滩地形图；
[0123]
图4为本发明实施例二的原型海岸中港口、航道、防浪挡沙堤以及t型防护丁坝建设9年后岸滩地形图。
[0124]
图中标识：1-拟建港口，2-拟建航道，3-拟建防浪挡沙堤，4-拟建t型防护丁坝，5-动床上边界，6-动床下边界，7-动床外海边界，8-加沙装置，9-收沙装置，10-造波机，11-导波板，12-pvc圆管，13-阀门，14-电磁流量计，15-水泵，16-水槽，17-连接水管，18-搅拌器。
具体实施方式
[0125]
以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
[0126]
需要说明，若本发明实施例中有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后......)，则其仅用于解释在某一特定姿态下各部件之间的相对位置关系和运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
[0127]
实施例一
[0128]
本发明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：
[0129]
波浪作用下沙质海岸岸滩演变物理模型，简称模型；
[0130]
(1)确定模型的试验范围、定床边界位置和动床边界位置；
[0131]
(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；
[0132]
(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；
[0133]
(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；
[0134]
(5)计算模型预估总质量沿岸输沙率；
[0135]
(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；
[0136]
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；
[0137]
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；
[0138]
在造波机两侧设置与造波机垂直的导波板；
[0139]
(7)开展波浪率定工作：首先将试验水池加水到试验水位；
[0140]
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；
[0141]
(8)开展模型验证试验；
[0142]
(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；
[0143]
(10)开展试验要求的岸滩演变试验组次。
[0144]
进一步地，本实施例中确定模型的试验范围，包括以下内容：
[0145]
模型的试验范围包括岸线、岸滩和岸滩外海边界；
[0146]
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；
[0147]
确定定床边界位置和动床边界位置，通过以下步骤实现：
[0148]
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；
[0149]
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。
[0150]
进一步地，本实施例中确定原型海岸的代表波周期，通过以下步骤实现：
[0151]
根据当地波高与波周期关系，确定代表波周期；
[0152]
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：
[0153][0154]
式中：tr为代表波周期；ti为波高大于起动波高的第i级有效波高对应的波周期，hi为波高大于起动波高的第i级有效波高，pi为为波高大于起动波高的第i级有效波高对应的频率；
[0155]
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：
[0156]
当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：
[0157][0158][0159]
式中：αr为代表波向，hr为代表波高；hi为波高大于起动波高的第i级有效波高，pi为波高大于起动波高的第i级有效波高对应的频率，αi为波高大于起动波高的第i级有效波高对应的波向角；
[0160]
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；
[0161]
确定原型海岸总质量沿岸输沙率，通过以下步骤实现：
[0162]
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；
[0163]
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：
[0164][0165]
式中，qm为总质量沿岸输沙率；ρs为泥沙颗粒密度，ρ为水的密度；m为岸滩坡度；ir为波浪破碎因子，其中hb为破波波高，l0为深水波长；ω为泥沙沉速；eb为破碎处的波能，eb＝0.125ρgh
b2
，其中g为重力加速度；c
gb
为破碎处的波群速度；αb为破波波向角；u
mb
为破波底质点最大速度，其中，hb为破波水深；hb采用均方根波高。
[0166]
进一步地，本实施例中确定平面比尺、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：
[0167]
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λh；
[0168]
当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λh，波长比尺λ
l
和波高比尺λh均等于垂直比尺λh；
[0169]
按下式计算波周期比尺λ
t
：
[0170]
λ
t
＝λ
h1/2
ꢀꢀ
(29)
[0171]
泥沙的起动波高比尺等于模型的垂直比尺；
[0172]
确定泥沙的沉速比尺，通过以下步骤实现：
[0173]
基于悬沙对流输运相似和悬浮相似，确定泥沙的沉速比尺；
[0174]
悬沙对流输运相似对应的沉速比尺为：
[0175]
λ
ω
＝λ
h3/2
/λ
l
ꢀꢀ
(30)
[0176]
式中：λ
ω
为沉速比尺；λh为垂直比尺；λ
l
为平面比尺；
[0177]
悬浮相似对应的沉速比尺为：
[0178]
λ
ω
＝λh/λ
l1/2
ꢀꢀ
(31)
[0179]
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；
[0180]
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；
[0181]
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。
[0182]
进一步地，本实施例中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：
[0183]
步骤4.1：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：
[0184][0185]
式中：δ为相对浮密度，δ＝(ρs/ρ)-1，其中ρs为泥沙颗粒密度，ρ为水的密度；λd为泥沙粒径比尺，d为中值粒径；λh为垂直比尺；为在原型沙中δgd+0.486
×
10-6
/d的值和在模型沙中δgd+0.486
×
10-6
/d的值之比；
[0186]
步骤4.2：选取武汉水利电力学院提出的泥沙沉速公式作为泥沙沉速计算依据，得到模型沙的中值粒径、相对浮密度与垂直比尺的关系：
[0187][0188]
式中：为在原型海岸中的值和模型海岸中的值之比，其中υ为水的运动粘滞系数，λ
ω
为沉速比尺；
[0189]
步骤4.3：若要求淤积部位相似，则分别根据公式(6)、(8)和(9)计算粒径比尺，确定模型沙的中值粒径和模型沙的颗粒密度；
[0190]
若要求悬浮相似，则分别根据公式(7)、(8)和(9)计算粒径比尺，确定模型沙的中值粒径和模型沙的颗粒密度；
[0191]
步骤4.4：根据下式确定模型沙的级配：
[0192][0193]
式中：di表示粒径累计频率等于i时对应的粒径；为在原型沙di/d的值和模型沙中di/d的值之比；
[0194]
模型沙的表观干密度由模型沙干燥后使用环刀称重法测得。
[0195]
进一步地，本实施例中根据公式(4)，计算模型预估总质量沿岸输沙率；
[0196]
在试验水池中，制作定床地形和动床地形，通过以下步骤实现：
[0197]
根据原型海岸实测地形，按照平面比尺和垂直比尺制作定床地形和动床地形；
[0198]
定床地形采用米沙、砖块或石子填充后进行水泥抹面，动床地形采用在以米沙、砖块或石子衬底上铺模型沙的形式制作，模型沙厚度超过原型海岸历史最大冲刷深度经垂直比尺换算后的模型冲刷深度；
[0199]
在动床地形和定床地形交接处设置过渡带，通过以下步骤实现：
[0200]
过渡带设置在动床地形和定床地形接触处，设置过渡带的方法为使用胶水将一层模型沙黏贴在定床地形表面；
[0201]
若原型海岸上有涉水建筑物，则在试验水池中相应的制作涉水建筑物地形，通过以下步骤实现：
[0202]
涉水建筑物根据垂直比尺和正态模型，采用不易变形材料制作涉水建筑物并进行水泥抹面，建筑物地形边坡坡度大于1:1的部分按1:1制作；
[0203]
动床上游边界设置加沙装置，加沙装置包括pvc圆管、阀门、电磁流量计、水泵、水槽、搅拌器以及连接水管，水槽中存放模型沙与水混合形成的水沙混合液，pvc圆管、阀门、电磁流量计、水泵、水槽、搅拌器以及连接水管水平放置，pvc圆管、阀门、电磁流量计和水泵由连接水管按顺序连通，pvc圆管连通水槽，pvc圆管两端封闭，pvc圆管面向模型中心区域的一面均匀开设若干个圆孔，pvc圆管垂直输沙方向布置；
[0204]
进一步地，本实施例中加沙装置的工作方法，通过以下步骤实现：
[0205]
首先将模型沙和水以一定比例放置在水槽中；
[0206]
通过搅拌器搅拌形成一定浓度的水沙混合液；
[0207]
通过水泵将水槽中的水沙混合液抽至pvc圆管中；
[0208]
水沙混合液通过pvc圆管上的圆孔流进试验水池的动床地形的上游；
[0209]
加沙装置工作时，水槽中水沙混合液中悬沙浓度与水泵抽水流速的关系满足下式：
[0210]
csu
add
＝q
add
ꢀꢀ
(35)
[0211]
式中，c为水槽中水沙混合液的悬沙浓度；s为连接水泵与pvc圆管的连接水管横断面过水面积；u
add
为连接水泵与pvc圆管的连接水管中水流平均流速；q
add
为试验加沙率；
[0212]
动床下游边界设置收沙装置，收沙装置为一封底不封口且具有梯形横断面的槽体，收沙装置埋置在动床输沙方向的末端，收沙装置的封口与动床地形表面齐平。
[0213]
进一步地，本实施例中开展模型验证试验，通过以下步骤实现：
[0214]
步骤8.1：将试验水池加水到设定的试验水位；
[0215]
步骤8.2：待试验水池的水面稳定后，设置造波机造出不使动床泥沙起动的波浪，造波机运行一段时间，直到模型沙密实后关闭造波机；
[0216]
步骤8.3：待试验水池的水面稳定后，按代表波要素设置造波机参数，造波机开始造波；
[0217]
步骤8.4：待造波机造出的波浪稳定后，加沙装置开始加沙，其中初次加沙率取值为模型预估总质量沿岸输沙率；
[0218]
步骤8.5：运行时间tv后，测量模型沿岸输沙率和模型沿岸收沙率，关闭造波机和加沙装置；
[0219]
待试验水池的水面稳定后，排干试验水池中的水，测量动床地形，获得试验结果；
[0220]
试验结果包括模型沿岸输沙率和岸滩冲淤情况，岸滩冲淤情况由开展模型验证试验后的动床地形与开展模型验证试验前动床地形相减得到；
[0221]
检验试验结果是否满足设定的验证要求，恢复初始的涉水建筑物地形、人为地形、动床地形；
[0222]
步骤8.6：若步骤8.5中试验结果未达到验证要求，则通过调节加沙率和代表波要素，重复步骤8.1至步骤8.5，直至试验结果满足验证要求；
[0223]
步骤8.3中按代表波要素设置造波机时，若采用不规则波，则采用适合当地波浪条件的波浪谱，并设置均方根波高等于代表波高，谱峰周期等于代表波周期；
[0224]
步骤8.5中时间tv由公式tv＝t
pv
/λ
t
确定，其中t
pv
为模型验证时间tv对应的原型岸
滩演变时间；λ
t
为岸滩冲淤时间比尺；
[0225]
步骤8.5中检验试验结果是否满足验证要求，通过以下步骤实现：
[0226]
(a)对于原型海岸地形稳定的岸滩，验证模型验证试验获得的模型沿岸输沙率是否达到平衡以及岸滩冲淤情况是否稳定，若模型验证试验获得的模型沿岸输沙率达到平衡且岸滩冲淤情况稳定，则认为试验结果满足验证要求；
[0227]
(b)对于原型海岸地形不稳定的岸滩，则验证对应的实际岸滩演变过程，若模型验证试验中岸滩演变与实际岸滩演变过程一致，则认为试验结果满足验证要求。
[0228]
进一步地，本实施例中开展试验要求的岸滩演变试验组次，通过以下步骤实现：
[0229]
步骤10.1，将动床地形设置为试验要求的初始地形；
[0230]
步骤10.2，将试验水池加水到试验要求的水位；
[0231]
待试验水池的水面稳定后，设置造波机造出不使动床泥沙起动的波浪，造波机运行一段时间，直到模型沙密实后关闭造波机；
[0232]
步骤10.3，待试验水池的水面稳定后，按试验波浪要求设置造波机参数，造波机开始造波；
[0233]
待造波机造出的波浪稳定后，加沙装置开始加沙，加沙率取值为模型验证试验中最后实测的模型沿岸输沙率；
[0234]
步骤10.4，运行时间t
t
后，关闭造波机和加沙装置，排干试验水池中的水，测量动床地形；
[0235]
步骤10.5，如试验尚未完成，加水至试验要求水位，重复步骤10.3和步骤10.4直至该组试验完成；
[0236]
步骤10.4中时间t
t
由试验要求的原型岸滩演变典型时间除以岸滩冲淤时间比尺得到。
[0237]
进一步地，本实施例中按如下公式计算岸滩冲淤时间比尺：
[0238][0239]
式中，λ
t
为岸滩冲淤时间比尺，为即原型沙表观干密度与模型沙表观干密度之比；为实际的总质量沿岸输沙率比尺。
[0240]
试验要求包括预先设定的波浪要素、波浪方向、模型所需容纳的岸线和岸滩、悬浮相似、初始地形、水位和原型岸滩演变典型时间；人为地形包括航道和挖槽。
[0241]
加沙装置8、收沙装置9、造波机10、导波板11、pvc圆管12、阀门13、电磁流量计14、水泵15、水槽16、连接水管17和搅拌器18上述部件在现有技术中可采用的型号很多，本领域技术人员可根据实际需求选用合适的型号，本实施例不再一一举例。
[0242]
实施例二
[0243]
某沙质海岸面向开敞大西洋，海域波浪强、潮流弱。近岸波浪破碎及其引起的沿岸流较强，是沿岸泥沙运动的主要动力。沿岸泥沙运动以悬移质输运为主，主要发生在在斜向波作用下的波浪破碎带内。在季节性波浪作用下，海滩剖面存在明显的季节性变化。但多年实测资料表明，长期来看，岸滩比较稳定。岸线多年累计进退幅度不足15m。现拟在该海岸段
建设挖入式港池，并采用防浪挡沙堤和t型防护丁坝掩护进出航道。港口、航道、防浪挡沙堤和t型防护丁坝的建设将打破该海域动力泥沙与水下地形的平衡，引起泥沙的冲刷与淤积，致使岸滩地形在年计的时间尺度内发生较大变化，进而可能对港口的营运和周边地区的人民亲水生活及生命安全造成威胁。因此，采用科学的手段预测港口、航道、防浪挡沙堤和t型防护丁坝建设后岸滩的稳定性及泥沙冲淤情况极为必要。
[0244]
下面结合该实施例说明如何利用本发明方法来开展沙质海岸岸滩演变物理模型试验，并预测拟建港口、航道、防浪挡沙堤和t型防护丁坝建设3年和9年后岸滩的稳定性和泥沙冲淤情况。基本实施步骤如下。
[0245]
(1)该实施例旨在研究港口1、航道2、防浪挡沙堤3和t型防护丁坝4建设后岸滩的稳定性及泥沙冲刷和淤积情况。根据邻近工程经验，类似规模的工程引起的泥沙冲淤影响大致在工程上下游各5km范围内。水下地形资料显示，11m水深以浅区域坡度较陡，平均坡度约为1/54，水深11米以外的深水区水下地形坡度大幅减缓，平均坡度仅约1/391。根据当地水文泥沙气象条件分析，原型海岸泥沙起动水深约10.5m～12m，工程海域泥沙运动和岸滩演变主要限于12m水深以浅区域。
[0246]
根据上述分析，确定模型的试验范围为：以拟建港口1为中心，包括港口上下游岸线5.6公里，模型外海边界设置在水深16m附近，平均离岸距离为5.75公里。动床地形范围为：以拟建港口1为中心，动床地形的上游边界5和动床地形的下游边界6分别定在港口上下游5.0公里(对应模型上下游20m)处，动床外海边界7设置在水深12m处。模型试验范围内除去动床的部分即为定床模型范围。定床沿岸上下游边界与动床上下游边界间设置有过渡段，长度大于5倍模型中试验波长。模型试验范围和动床边界位置如图1所示。
[0247]
(2)该研究海域无波浪测站，亦无当地波高与波周期关系。根据研究区域附近的深水波浪后报资料获得海域附近水深100米处的波浪资料。进一步根据公式(1)、(2)和(3)计算深水代表波向、深水代表波高和代表波周期，深水代表波向、深水代表波高和代表波周期分别等于303
°
、2.05m和8.2s。
[0248]
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；研究海域的代表波向为301
°
、代表波高为1.99m、代表波周期为8.2s。
[0249]
根据原型沿岸实测资料，直接获取泥沙中值粒径、粒径级配、泥沙颗粒密度和泥沙表观干密度；
[0250]
具体地，岸滩泥沙中值粒径为0.23mm(即0.0023m)，粒径级配如表1。泥沙颗粒密度为2650kg/m3，泥沙表观干密度为1590kg/m3。总体积沿岸输沙率约为100万方每年，即0.032m3/s，对应的总质量沿岸输沙率为159万t/a，即50.4kg/s。
[0251]
表1原型海岸泥沙粒径级配表
[0252]
粒径累计频率(％)957550255粒径(m)0.000310.000260.000230.000190.00013
[0253]
(3)根据试验场地尺寸(试验港池长45m、宽35m)、模型的试验范围及造波机能力，确定模型的平面比尺λ
l
＝250。试验未要求波浪绕射相似强于波浪折射相似，考虑模型水深不宜过小，取模型变率ξ＝2，垂直比尺λh＝125。
[0254]
波长比尺λ
l
和波高比尺λh均等于垂直比尺λh，即λ
l
＝λh＝125，确定波周期比尺λ
t
＝λ
h1/2
＝11.18。
[0255]
(4)取泥沙起动波高比尺λ
hcr
等于垂直比尺λh，即λ
hcr
＝λh＝125。试验未要求悬浮相似强于淤积部位相似，泥沙沉速比尺根据公式λ
ω
＝λ
h3/2
/λ
l
计算为5.59。
[0256]
拟选择颗粒密度为1270～1400kg/m3的煤粉作为模型沙，若要求淤积部位相似，根据公式(6)、(8)和(9)，计算得到粒径比尺在0.56和1.74之间。若要求悬浮相似，则分别根据根据公式(6)和(9)，计算得到粒径比尺在1.04和1.27之间。进一步考虑模型沙资源，选择粒径比尺为1.17。
[0257]
综上，采用某精制煤粉作为本实施例物理模型试验的模型沙，煤粉颗粒密度为1350kg/m3，中值粒径为0.20mm，对应的泥沙粒径比尺为1.17。进一步根据公式(10)，获得模型沙级配，见表2。
[0258]
表2模型沙粒径级配表
[0259]
粒径累计频率(％)957550255粒径(m)0.000260.000220.00020.000160.00011
[0260]
煤粉表观干密度由干燥后的煤粉使用环刀称重法测得，为870kg/m3。
[0261]
(5)根据公式(4)，预估模型总质量沿岸输沙率q
mm
为0.0061kg/s。
[0262]
(6)在试验水池中，根据实测地形资料按照平面比尺和垂直比尺制作定床地形和动床地形，其中定床地形部分采用砖块或石子填充并进行水泥抹面，动床地形部分采用以砖块衬底上铺模型沙的形式制作。通过胶水将一薄层的模型沙黏贴在连接动床部分的定床表面上作为定动床过渡带，宽度1.5m，大于5倍模型试验中的波长。
[0263]
模型的试验范围和初始动床地形示意图如图1所示。在动床上下游分别设置加沙装置8和收沙装置9，按代表波方向(301
°
)在外海边界处设置不规则造波机10，同时在造波机两侧设置与其垂直的导波板11，以防止波浪能量耗散。
[0264]
收沙装置9为一封底不封口具有梯形横断面的水槽，埋置在动床地形输沙方向的末端，垂直输沙方向布置，上开口与动床表面齐平。
[0265]
加沙装置8如图2所示，由水平放置的pvc圆管12、阀门13、电磁流量计14、水泵15、存放模型沙与水混合浊液的水槽16、连接水管17及搅拌器18组成。其中pvc圆管12、阀门13、电磁流量计14、水泵15由一个连接水管17按顺序连通；另一个连接水管17一端连接pvc圆管12，连接水管17另一端伸入水槽16。pvc圆管12两端封闭，面向模型中心区域的一面均匀布置一系列圆孔，pvc圆管垂直输沙方向布置。
[0266]
(7)开展试验前的波浪率定工作，首先将试验水池加水到试验水位，待水面稳定后，设置不规则造波机参数，采用jonswap谱作为不规则波波浪谱，谱峰升高因子取3.3；当圆频率小于等于谱峰圆频率时，谱峰参数取0.07，当圆频率大于谱峰圆频率时，谱峰参数取0.09；均方根波高取代表波高对应的模型值(0.0164m)；谱峰周期取代表波周期对应的模型值(0.73s)，开启造波机，调试设备使水池中波浪要素满足试验要求。
[0267]
(8)尽管海滩剖面存在明显的季节性变化，但实测资料表明，长期来看，岸滩比较稳定。因此，该实施例中将验证沿岸输沙率。连续2年实测资料显示年平均总体积沿岸输沙率为100万方每年，即0.032m3/s，对应的总质量沿岸输沙率为159万t/a，即50.4kg/s。根据
原型海岸总质量沿岸输沙率和模型预估总质量沿岸输沙率以及公式计算得到模型对应的泥沙冲淤时间比尺为λ
t
＝1728，即模型运行10.14h相当于原型海岸演变2年。实施例中验证试验时长tv取10.14个小时，验证试验按如下程序开展：
[0268]
(a)首先将试验水池加水到试验水位；
[0269]
(b)待水面稳定后，设置造波机造某一不使动床泥沙起动的波浪，运行一段时间使模型沙充分密实后，关闭造波机；
[0270]
(c)待试验水池的水面稳定后，按代表波要素设置造波机参数：
[0271]
采用jonswap谱作为不规则波波浪谱，谱峰升高因子取3.3；当圆频率小于等于谱峰圆频率时，谱峰参数取0.07，当圆频率大于谱峰圆频率时，谱峰参数取0.09；均方根波高取代表波高对应的模型值(0.0164m)；谱峰周期取代表波周期对应的模型值(0.73s)，开启造波机开始造波；
[0272]
(d)待波浪稳定后，启动加沙装置开始加沙，初次加沙率取模型预估总质量沿岸输沙率，即0.0061kg/s；
[0273]
(e)运行时间10.14h后，测量模型沿岸输沙率和模型沿岸收沙率，关闭造波机和加沙装置，待水面平静后，缓慢排干试验水池中的水，测量动床地形，检验岸滩冲淤情况是否稳定，检验模型沿岸输沙率是否平衡，然后恢复初始涉水建筑物地形、人为地形和动床地形；
[0274]
(f)通过调节加沙率和代表波要素，重复过程(a)-(e)，直至当调节均方根波高为0.02m、谱峰周期为0.73s、加沙率为0.0083kg/s时，发现岸滩冲淤情况稳定、模型沿岸输沙率达到平衡，此时验证试验符合要求。
[0275]
试验中加沙装置的工作方法为首先将模型沙和水以一定比例放置在水槽中，通过搅拌器不停搅拌形成一定浓度的水沙混合液，然后通过水泵将水槽中的水沙混合液抽至pvc圆管中，并通过圆管上的小孔流进试验水池的动床上游。水槽中水沙混合液中悬沙浓度与水泵抽水流速的关系应满足下式：
[0276]
csu
add
＝q
add
[0277]
式中：c为水槽中水沙混合液的悬沙浓度；s为连接水泵与pvc圆管的水管横断面过水面积；u
add
为连接水管中水流平均流速；q
add
为试验加沙率。
[0278]
(9)验证试验中最后实测的模型沿岸输沙率为0.0083kg/s，根据公式计算岸滩冲淤时间比尺为2351。
[0279]
(10)在完成验证的基础上，进一步开展试验以预测在与验证资料相同动力条件下拟建港口、航道及防浪挡沙堤建设后3和9年后该段岸滩的稳定性及泥沙冲刷和淤积情况。本实施例中代表波参数同验证试验中最后取的代表波参数，即波向为301
°
、均方根波高为2.0cm、谱峰周期为0.73s。根据岸滩冲淤时间比尺2351，3年和9年对应的模型试验时间分别为11.18h和33.53h。试验程序如下。
[0280]
(a)将动床地形设置为试验需要的初始地形，同时制作港池、航道及防浪挡沙堤，
其中防浪挡沙堤按垂直比尺依照正态模型采用不易变形材料制作并进行表面糙率处理，且坡度大于1:1的地方按1:1制作，按波浪方向(301
°
)在外海边界处设置造波机；
[0281]
(b)将试验水池加水到试验要求水位，待水面稳定后，设置造波机造某一小波浪(不使动床泥沙起动)，运行一段时间待模型沙密实后，关闭造波机；
[0282]
(c)待水面稳定后，设置不规则造波机参数，采用jonswap谱作为不规则波波浪谱，谱峰升高因子取3.3；当圆频率小于等于谱峰圆频率时，谱峰参数取0.07，当圆频率大于谱峰圆频率时，谱峰参数取0.09；均方根波高取0.02m；谱峰周期0.73s；开启造波机开始造波，待波浪稳定后，启动加沙装置开始加沙，加沙率取0.0083kg/s，加沙装置的工作方法同验证试验中的加沙方法；
[0283]
(d)运行时间11.18h后，关闭造波机和加沙装置，排干水池中的水，测量动床地形，该地形即为拟建港口、航道及防浪挡沙堤影响下岸滩演变3年后的预测地形，见图3。运行后的动床地形减去初始地形，即可得到3年后与3年前相比的泥沙冲淤分布。
[0284]
重复(c)和(d，其中(d)中运行时间为22.36h(33.53-11.18＝22.36)。(d)中所测地形即为拟建港口、航道及防浪挡沙堤影响下岸滩演变9年后的预测地形，见图4。该动床地形减去初始地形，即可得到9年后与9年前相比的泥沙冲淤分布。
[0285]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。