水底摩擦系数
单沙粒起动受力分析
F D m W F L m tan
um
2
s
gD

4
ta n
3 C D C L ta n
M
c
泥沙活动参数
M
um
2
s


gD
泥沙活动参数临界值
Komar and Miller(1975) 层流边界层
2 Am 0 .2 1 c , D 0 .5 m m D 1 4 2 Am M c 0 .4 6 3 , D 0 .5 m m D M
1 2 c

忽略惯性力，只适用于输沙水流速度相对起动流速不大的情况, 否则结果偏大
(2) 基于能量守恒的推移质输沙模型
水流搬运泥沙所做的功
W b u s m s g ta n q b ta n
移动泥沙质量
水流消耗的能量
W b e bW eb 0 c u C
8

Hr Am
Hr Lr
2 1M
1 .8 5
M
10
0 .3 4 2 0 .3 4
0 .2 5 m 2 .5
计算波浪摩阻系数fw时 ds=2.5D50(沙粒阻力)
注意：计算中采用有效波高H1/3
沙纹尺度
图5-9-沙纹波陡与希尔兹参数的关系

m
0 .3时
5.2.2 推移质输沙率的计算
5.2.1 波浪作用下的泥沙起动
不动—>起动—>沙纹—>层移
泥沙起动的标准
少量动：一些突出于床面的颗粒开始运动 (临界起动) 普遍动：床面上所有泥沙都开始运动
“少量动”-泥沙起动判别标准(推移质)
泥沙起动的研究方法
Bagnold(拜格诺): 将实验水槽底板设计成往复 运动而水体不动的特殊装置来研究 Hallermier:参考单向稳定水流的希尔兹曲线， 在波浪水槽中研究 康德拉耶夫斯基：基于波浪作用下的沙粒受力 状态推算泥沙起动与波浪要素之间的关系√
第六章：沙质岸滩演变 第七章：淤泥质海岸泥沙运动（粘性泥沙）
(1)海岸泥沙的来源
泥沙：岩石的物理和化学风化作用形成的碎屑物
入海河流挟沙 海岸受冲刷侵蚀
海洋生物残骸碎 其它……
(2)波浪水流对泥沙的作用
输移、磨蚀、分选
(3)海岸泥沙的运动方式
推移、悬移
推移质：粒径相对较粗的泥沙颗粒，沿床面滚动、滑动或 作短暂的跃移，运动速度小于流体运动速度 悬移质：粒径相对较细的泥沙颗粒， 由于紊动作用悬浮 于水中，以相同速度与水体一起运动
水 流 强 度 增 大
(5)泥沙运动方式的判别
颗粒大小相同：流速较低时，以推移方式运动；流速较大时， 以悬移方式运动，介于两者之间以跃移为主 颗粒大小不同：较粗颗粒以推移为主，较细颗粒以悬移为主
uw* 1.0, 推移质为主 uw* 1.7, 兼而有之 1.0 uw* 1.7, 悬移质为主
因此用半周期平均输沙率来表示波浪作用下的推移 质运动
(1)基于受力分析的推移质输沙模型
干重输沙率
qb W su s
Ws 单 位 面 积 上 移 动 泥 沙 干 重
F D m W F L m tan
us 泥 沙 平 均 移 动 速 度
ns 单 位 面 积 上 移 动 泥 沙 颗 粒 数
c
3/2
0 .0 5
拜格诺的能量输沙模型适用于计算波流共同作用下的输沙率，尤 其在沿岸输沙方面获得很大成功(适用于水流输沙强度很大的情况)
无限长水平床面上单沙粒 的起动受力分析
无粘性泥沙的起动临界条件
水流作用力>泥沙颗粒抵抗运动的力
无限长水平床面上单沙粒 的起动受力分析
水流拖曳力(水平)
FDm
A m
CD
D
4
2
um
2
2
阻力系数
粘性流体中水流拖曳力包括沙粒表面摩擦阻力和形状阻力两部分， 前者是因为固边界的边界层引起的摩擦阻力，后者是因为物体后部 的流动分离使得物体前面的压力大于后部，产生了压力差
临 界 希 尔 兹 参 数
C w a ve
0 .0 5
C
泥沙流体参数 S * D s 1 g D / 4
s s
泥沙起动之判断算例
5.2.2 推移质特殊现象-沙纹
随着水深变浅，床面附近水质点流速增大，泥沙起动形 成波纹，当床面附近的水质点流速达到一定程度时，发 生层移运动（平整-沙纹-平整）
纵剖面不对称，具有平缓的迎 流坡和相对陡峭的背流坡
流导沙纹
稳定流沙纹和波导沙纹比较
对称外形，沙纹高度和间距 均匀，波峰尖锐，波谷圆滑
波流联合沙纹
波导沙纹
沙纹尺度
沙纹尺度
1981，Nielson 规则波
Lr Am Hr Am
Hr Lr 0 .1 8 2 0 .2 4 5
1 .5 m 2 .5
无限长水平床面上单沙粒 的起动受力分析
惯性力(水平)：F=ma
附加质量系数
FPm
D 1 C m 6
泥沙颗粒质量
3
du D 1 C m d t m ax 6
加速度
3
Am
2
闭着眼睛假想：流体静止，自己在水中游泳，加速运动，不但自 己要动，而且还要带动一部分周围流体(附加质量)加速运动，因 此流体对自己有一个与运动方向相反的作用力

Φ=Φ(ωs,D,t )
s＝
4 3C D

s
经验公式
gD
s =1 0
0 .4 4 7 lo g D 5 0

2
1 .9 6 1 lo g D 5 0 2 .7 3 6
0.06mm<D<6.0mm
5.2.3 推移质输沙率的计算
振荡流输沙率（波浪）：从单向稳定流输沙率 公式经修正得到 简单波浪是周期往复运动，一个周期内正反两 方向的输沙量相等，净输沙为零
3
du d t m ax
1 C m
CD

4
D
6
2
3Am 2Fra bibliotek2D
um
2
1
存在π/2的相位差
0.1 ~ 2m
FD
A
du dt
FP
Am
Um


H 2 sinh( kh)
D 1 ~ 10mm
单沙粒起动受力分析
F D m W F L m tan
波浪摩阻流速 u w * = m
泥沙沉速 s = 3 C D 阻力系数
4
s
gD
(6)沙质海岸泥沙横向运动变化
A. 深水到浅水，近底水质点 流速增大，泥沙起动，作 推移质运动 B. 形成沙纹，附近泥沙悬浮
C. 接近破波点，近底水质点 流速趋近最大，沙纹消失， 泥沙层移运动 D. 波浪破碎后，近底水质点 流速减小，但破碎引起的 紊动使泥沙大量 悬浮(紊 动、沙纹、沿岸流输沙)
1 2
紊流边界层
M M
图5-2
c
Am
Tum 2
um
D
泥沙活动参数临界值
Komar and Miller(1975)
图5-3 图5-2 T=15s
h
um
D
H
um
H
T sinh(kh )
另一泥沙起动判数
M
um
2
s

gD

4
ta n
3 C D C L ta n
无限长水平床面上单沙粒 的起动受力分析
重力(竖向，浮重)
W s g
泥沙密度
D
6
3
无限长水平床面上单沙粒 的起动受力分析
水流拖曳力与惯性力的相对大小
FPm FD m D 1 C m 6 4 1 Cm D 3 C D Am
(4)运动形式随水流强度的变化
① 接触质：泥沙颗粒始终与床面接触，沿床面滑动和滚动， 数量较少 ② 跃移质：泥沙颗粒短时间跃离床面，前进一段距离后落 回床面-推移质运动的主要形式 ③ 层移质：泥沙颗粒成层移动或滚动 ④ 悬移质：水流中紊动较强，充满了大小不同的漩涡，漩 涡尺寸大于泥沙粒径，漩涡向上分速大于泥沙沉速，泥 沙颗粒长时间悬浮于水流中前进，不与床面接触
u s ns
qb
D Ws sg ns 6
3
s
s 1 g D
3
1 0
m

c
1 2 m
0 .7
1 2 c

(1)基于受力分析的推移质输沙模型
qb 1 0
s
s 1 g D
3
m
c
1 2 m
0 .7
第五章
沙质海岸的泥沙运动
5. 本章总纲
5.1 概述 波浪作用下的泥沙起动
5.2 波浪作用下的推移质运动
5.3 波浪作用下的悬移质运动 5.4 波流共同作用下的泥沙运动
5.5 近岸区泥沙运动特点
5.1 概述
1～4章：波浪、近岸流、潮波
本章(5)：沙质海岸泥沙运动（无粘性泥沙）
Hr Lr
C
沙纹波陡较大，接近于常数

m
0 .8
Hr Lr
0
沙纹消失，泥沙层移