【摘要】：沙壩是沙質海灘的重要組成部分之一。在近岸水域內,沙壩的存在會使波浪在離岸較遠的地方發(fā)生破碎,以減少波浪對岸灘侵蝕,對海岸起到了一定的保護作用。但目前為止,沙壩產(chǎn)生的機理和演化規(guī)律仍不清楚。近年來,研究沙壩產(chǎn)生和演化規(guī)律已成為海岸工程的一個重要課題,這對研究海岸的演化、防止海岸的沖刷等都具有重要意義。本文通過一系列的物理模型實驗和數(shù)值模擬對海岸沙壩的產(chǎn)生和運動進行了研究,主要內容包括： (1)進行了海岸沙壩產(chǎn)生和運動的實驗模擬,研究了規(guī)則波、波群和不規(guī)則波作用下近岸沙壩產(chǎn)生和運動的特征。針對沙壩產(chǎn)生的機理和不穩(wěn)定性運動,對不同波浪形態(tài)(規(guī)則波、波群和不規(guī)則波)作用下產(chǎn)生的海岸剖面形態(tài)進行了研究。實驗中發(fā)現(xiàn),在某種波況下,沙壩運動呈向岸、離岸的往復運動,而不是持續(xù)向一個方向的運動。通過對實驗結果的分析,也進一步表明,沙壩運動不是海床對波浪作用的被動響應,而是更接近于一種海床和波浪之間的相互作用。文中還探討了波群調制系數(shù)對沙壩運動的影響,以及不同波況對海岸剖面形態(tài)的影響。通過對沙壩速度的分析,進一步討論了多種波況作用下沙壩的不穩(wěn)定運動。最后,通過對這種不穩(wěn)定運動的分析,并結合線性不穩(wěn)定的理論,給出了一個初步的理論解釋,定性的分析了所觀測到的往復運動是一種海床剖面不穩(wěn)定性導致的運動。 (2)通過對海岸沙壩運動實驗的分析可知,本文實驗所涉及的海岸屬于耗散性海岸,即近岸低頻波的影響不可忽視。在波浪條件下,低頻波浪對近岸泥沙運動的作用是不容忽視的。為了便于研究低頻波浪傳播的特性,并且方便驗證數(shù)學模型中波浪模塊對低頻波浪的模擬結果,我們也進行了一系列的低頻波模型實驗研究。低頻波浪的模型實驗研究包括：實驗模型、儀器布置、雙波群的生成和實驗波況,著重分析了所產(chǎn)生低頻波浪的特征,包括反射低頻波個數(shù),時間尺度和大�。煌茖Я税露�、入射波周期、短波數(shù)和波幅的無因次指標M,用于預測反射低頻波個數(shù)。 (3)在數(shù)值模擬方面,本文中分別采用兩種數(shù)學模型對近岸水動力進行了模擬計算,即波浪平均模型(Wave-averaged model)和短波相位識別模型(Phase-resolving model)。 波浪平均模型的控制方程通過將歐拉方程在短波周期上進行平均得到,然后采用WAF方法進行求解,模擬結果與實驗吻合較好。在破碎區(qū),波浪平均計算模型在短波能量的計算方面存在一些誤差,主要是由于波浪方程中對耗散項的近似表達引起,也可以由此解釋低頻波浪波面升高的誤差由來,即耗散項的近似表達影響了輻射應力的計算精度,因而影響低頻波浪的波面升高。為了更精確的模擬波浪破碎后的低頻波波面升高和能量,除了短波平均模型外,我們還采用了短波相位識別模型,即Boussinesq型模型對低頻波模型實驗進行數(shù)值模擬。模型的控制方程采用簡化的四階弱非線性方程和二階完全非線性方程。 通過與實驗結果的對比,分別驗證兩種模型對低頻波浪的模擬效果及精度。雖然波浪平均模型在精確性上不如短波相位識別模型,但是該模型可以單獨考慮長波對于近岸輸沙的作用,因此,也是本文研究的一個主要內容。而短波相位識別模型的模擬精度更高,且能對短波與低頻波浪相互作用進行模擬,有更廣泛的適用性。 (4)海底形態(tài)的數(shù)值模型包括：計算驅動力的水動力模型、計算輸沙通量的泥沙模型以及地形變化模型之間的耦合。模型主要采用基于能量考慮的BBB輸沙公式及其修正形式；對海岸變形方程的數(shù)值求解采用了由Long推導的Euler-WENO格式。 (5)將波浪平均模型應用于海岸演變的數(shù)值模擬。將其與近岸輸沙和海岸變形方程相耦合,對海岸地形的演變進行了數(shù)值模擬。模擬結果與實驗結果的對比表明：該模型可以模擬出海岸侵蝕,但不能較好的模擬初始直線型斜坡上近岸沙壩的產(chǎn)生過程。模擬內容包括波群及不規(guī)則波作用下的沙壩離岸運動過程,討論了短波、長波和平均水流共同作用及單獨作用下的沙壩運動情況。 (6)將短波相位識別模型應用于海岸演變的數(shù)值模擬。將其與輸沙和海岸變形模型相耦合,對規(guī)則波、波群和不規(guī)則波作用下沙壩的產(chǎn)生和運動進行了數(shù)值模擬,并與實驗結果進行了驗證。結果表明：在不同波浪作用下沙壩的產(chǎn)生位置的計算結果和實驗結果吻合良好；沙壩的產(chǎn)生主要是由于波浪破碎及其所產(chǎn)生的海底回流所引起的,海底回流所導致的輸沙率在空間梯度上的變化是沙壩產(chǎn)生運動的主因。該模型對于預測海岸侵蝕以及沙壩離岸運動能達到很好的結果,并且能夠實現(xiàn)對次級沙壩的模擬。
【學位授予單位】：大連理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2012
【分類號】：P731.22

【參考文獻】

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1 楊秉正 ,楊藝潔;最大熵法海浪譜估計[J];重慶交通學院學報;1986年01期

2 馮硯青,陳子q

本文編號：2754475