海滩上的混合沙在波浪作用下的分选机理研究

Beach nourishment is widely conducted in the recent 20 years in China. According to the practice, too large borrowed filling sands may affect people’s leisure comfort, while too small borrowed filling sands could not protect the beach and reduce the economic loss. Therefore it is important to select borrowed filling sands with suitable grain size, as it is a major factor to affect the success of beach nourishment project. The selection of the grain size of borrowed filling sands is connected to the sorting mechanics of mixed-grain-size sands (non-uniform sediments) under wave effects. The correlation of phase lag between the uniform sands with different grain size and linear and nonlinear waves will be revealed through the physical experiments and the numerical simulations based on a 3D move bed model established by using the Lattice Boltzmann Method (LBM). On the above basis, the sediment movement of mixed-grain-size sands with different gradation under both linear and nonlinear waves will be carried out. The sediment movement of entrainment, saltation, and sheetflow will be observed, layer thickness and the position of gravity center of coarse, middle and fine sands in the mixed sands will be measured, so as to reveal the key influent factor for sheltering and exposure effects of mixed sands under unbroken wave effect. Meanwhile, the effect of the strong turbulence caused by wave breaking on sediment sorting is considered. With the combination of the above results, the relationship between the selection of borrowed filling sands and wave elements are finally deduced. Results of this application can be used to update the parameter for the particles size selection of borrowed filling sands in beach nourishment projects and enrich the content of sediment movement mechanics.

人工养滩工程近二十年来在国内得到了广泛的应用。实践表明，过粗的补沙会影响人们休闲娱乐的舒适度，过细的补沙起不到保护沙滩和降低经济损失的目的，故选择适宜的补沙粒径是影响人工养滩工程成败的重要因素。补沙粒径的选择与混合沙(非均匀沙)在波浪作用下的分选机理有关。本项目拟通过物理实验和基于LBM的3D动床数学模型揭示不同粒径的均匀沙与线性波和非线性波间相位滞后的相关关系；在此基础上，分别开展不同级配的混合沙在未破碎波作用下的泥沙运动，观察泥沙颗粒的起动、跃移、层移现象，分析混合沙中粗沙、中沙和细沙的层厚、重心位置等参数，从而揭示混合沙在未破碎波作用下的隐暴关键影响因子；同时考虑波浪破碎引起的强烈水体紊动对泥沙分选的影响；并综合上述结果，最终推求补沙粒径的选择与波浪要素间的相关关系。本项目的研究成果能更新人工养滩工程中补沙粒径的选择参数，丰富泥沙运动力学的内容。

人工养滩工程近二十年来在国内得到了广泛的应用。实践表明，选择适宜的补沙粒径是影响人工养滩工程成败的重要因素。补沙粒径与原沙粒径的比值、粗颗粒泥沙对细颗粒泥沙的保护作用形成所需的关键因素、泥沙颗粒间相互作用、泥沙颗粒与波浪的相互作用并无相关深入的研究。因此，开展混合沙在波浪作用下的垂向分选机理的研究是有其现实意义和科学价值的。本项目结合物理实验和基于LBM的数学模型，展开了不同粒径的均匀沙在水流作用下的运动、混合沙在线性波作用下的运动及混合沙在非线性波作用下的运动这三部分主要工作来分析沙滩上混合沙在波浪作用下的相位滞后、遮蔽效应等现象。.结果表明，对均匀沙，当希尔兹数较小时，泥沙颗粒运动以滑动、滚动为主，床面伴有小跃移，其三维螺旋运动轨迹运动很小。随着希尔兹数的增大，泥沙颗粒移动速度加快，跃移幅度增大，甚至出现层移现象。泥沙颗粒的水平速度分布表明，顶部推移质层的水平速度并非单调增加，而是呈复杂的分布，且存在多个拐点。泥沙颗粒垂直存在P.D.F分布是不对称的，其峰值宽度随希尔兹数的增大而增大，峰值位置随希尔兹数的增加而降低，但当希尔兹数大于0.2时几乎不变。.对混合沙，同一周期下，泥沙颗粒越粗，相位滞后现象越显著；希尔兹数越大，混合沙的垂直分选现象越早出现，且垂向分选越明显。从波周期上来看，对同一泥沙粒径，波周期越小，相位滞后现象越显著；当周期增加到两倍时，垂向分选开始得更早，但1.5个周期后，遮蔽效应失效。随着沙滩坡度的增加，粒径较大的泥沙颗粒在下坡流中的移动速度要快得多。当沙滩厚度增加到原来的两倍时，遮蔽效应较早发生。考虑非线性波，泥沙运动的相位变化滞后于波浪水质点的相位变化这一现象更为明显。在非线性波的作用下，混合沙的垂向分选始于第一个波峰经过后，并在一个完整的波周期内充分发展。在2个波周期内，向陆侧的粒径较大的泥沙颗粒的浓度质心比向海侧的大粒径泥沙颗粒的浓度质心要高。