海啸波作用下泥沙运动-- 建筑物局部冲刷【推荐论文】 .doc

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1、精品论文海啸波作用下泥沙运动:建筑物局部冲刷陈杰，蒋昌波，隆院男，邓斌（长沙理工大学水利工程学院，长沙 410004）5摘要：基于波浪水槽实验，以沿海公路为对象，研究海啸作用下建筑物周围冲刷机理。实验 采用 1/101/20 的组合坡度，选取 N 波作为入射波。实验对波高、波浪的上爬、回落和水跃过程、每个波作用后的地形进行了测量和记录。N 波作用下地形发生了冲淤变化，在回落 水流所形成的螺旋流作用下，路基向海侧形成明显的冲刷坑。结果表明路基所在的位置是最10主要因素，波高是次要因素，路基深度影响较小。路基位于滩肩侵蚀发生处，则最大冲刷深 度相对较大。关键词：海啸；局部冲刷；泥沙运动；实验中图分

2、类号：TV1415Study of sediment transport by tsunami waves: local scour around structureCHEN Jie, JIANG Changbo, LONG Yuannan, DENG Bin(School of Hydraulic Engineering , Changsha University of Science & Technology, Changsha410004)20Abstract: Scouring at coastal structure is the primary damage caused by t

3、sunamis; however, tsunami-induced scouring and beach erosion are less understood compared to tsunami runup and tsunami inundation. A set of 2D laboratory experiments on tsunami scour at a road model situated on a sandy beach were performed to investigate scour around coastal structure. The initial1/

4、10-1/20 combined beach slope mainly composed of sands with median grain diameter25d50=0.318mm was exposed N-waves in three different water depths. The free surface elevations, processes of wave uprush, back wash and run-down jump, the change of cross-shore beach profile were measured and recorded. T

5、he study showed that there were not only the profile changes in the beach due to back sheet flow but also the scour around coastal road due to helical flow. The results show that the location of roadway was a key factor affecting the scour depth at the road. The30incident wave height was secondary f

6、actor. The depth of road embedment had little affect the scour depth in our experiments. The coastal road which located in tsunami beach erosion had potential tsunami damage because of the serious scouring. The information reportedin this study is useful for local authorities to better plan for tsun

7、ami disaster relief.Key words: tsunami; local scour; sediment transport; experiment350引言海啸是最严重的海洋灾害之一，不仅引起剧烈的岸滩侵蚀和淤积变化(蒋昌波,20121-3)， 而且在建筑物周围产生局部冲刷，许多建筑物基础因为海啸强烈冲刷而坍塌或损毁 (Maheshwari(2006)4；Lukkunaprasit (2008)5；Paris(2009)6)。40近岸地区建筑物周围局部冲刷的研究，一直是国内外关注的热点问题，许多学者开展了 大量的研究工作(例如：张新周,20127)。对于这些研究工作总结发现

8、，现阶段对近岸地区建 筑物周围冲刷的研究，主要集中在规则波、不规则波或涌浪、风暴潮作用下，而海啸波作用下的泥沙运动和局部冲刷特性有不同的特点(蒋昌波,20121,2)。基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金(20094316110002); 高等学校博士学科点专项科研基金新教师 类资助课题(20124316120003)作者简介：陈杰（1982-），男，讲师，主要研究方向：河流、海岸动力过程及其模拟技术研究. E-mail:- 6 -现阶段海啸作用下建筑物周围局部冲刷研究，国内尚未见报道，国外仅见Kato(2000)8,9，45Yeh(2001)10，Tonkin(2003)11和Nakam

9、ura(2008,2009)12,13这四位学者分别对海啸波作用下 的圆形和方形墩柱的局部冲刷问题开展研究工作。以上成果有助于理解墩柱周围的局部冲刷 机理，但是近岸地区建筑物形式多样，海啸波作用下建筑物周围的局部冲刷机理有待深入研 究。50图1 海啸对沿海公路的破坏Fig.1 Coast roadway destroyed by tsunami近期的海啸现场调研发现(Maheshwari, 20064; Paris, 20096)，如图1所示，海啸对沿海 公路的破坏不是由于海啸波冲击造成的，而是由于路基冲刷损毁的。目前对海啸波作用下路55基冲刷的研究尚未见报到。虽然许多学者对河弯凹岸路基的冲刷

10、14和沿河路基的冲刷问题15 开展了大量的研究工作，但是海啸波作用与河流作用有着完全不同的特点。进入内陆的海啸， 将会以类似洪水的方式前进，往前推进的距离可达数公里。从海啸进入内陆到海啸消退，这 时间可以长达一小时之久。与洪水不同之处，在于海啸前进时，海啸身部份蕴藏强大的紊流 机制，会将地表的覆盖冲刷，造成道路路基严重流失，其破坏力比洪水更为强大。更严重的60是海啸溯升后还会再度返回大海，这段过程将产生二度冲刷破坏。 综上所述，本研究基于波浪水槽实验，以沿海公路为对象，研究海啸作用下建筑物周围的冲刷机理。1实验概述实验布置、坐标系建立、仪器设备、实验步骤与岸滩演变实验(蒋昌波, 2012 1)

11、和床沙65组成变化实验(蒋昌波, 20122)相同。离岸区、外滩和前滩(x=03m)概化1:10坡度，后滩 (x=37.2m)概化1:20坡度，公路模型设置在后滩上，因而x=3.23.4m为平台。实验工况如表1 所示，入射波均采用N波，进行逐个N波作用实验。公路模型的位置如图2所示，采用混凝土 制作而成，长度为50cm与水槽宽度相同，宽度为10cm，模型深度d分别采用4.0和10.0cm。70图2 实验布置图Fig.2 Experimental setup.75表1 研究工况表Table 1 Research Cases组次水深 h (cm)波高 H (cm)深度 d (cm)组次水深 h (

12、cm)波高 H (cm)深度 d (cm)125.06.794.0430.07.274.0225.06.7310.0530.07.2410.0328.07.414.0630.05.934.0-730.05.084.080859095100实验用水为城市自来水。斜坡用筛分好的无粘性细沙堆成。对沙子进行5次随机采样，010 60筛分实验结果泥沙平均中值粒径为d50=0.318mm，平均不均匀系数(Cu = d60/d10)为2.19，平均 曲率系数(Cc = d3 2/d d )为0.87，该沙子粒径差异较小。泥沙的孔隙率和比重分别为0.41和2.51。2实验结果和分析图3分别给出组次1-4路基冲

13、刷的实验结果。可以看出岸滩发生明显的冲淤变化，在前滩 发生侵蚀，在离岸区发生淤积，在路基向海侧有一个很明显的冲刷坑，这与Maheshwari4、 Paris6等现场调研结果一致。对比图3(a)(c)和(d)可知，不同的水深条件下，冲刷坑的深度、 宽度和形状略微不同。对比组次1图3(a)与组次2图3(b)结果，可知路基深度d对冲刷影响较小。图3 波浪作用下路基冲刷实验结果Fig.3 Experimental result of scour around coastal road.图4给出组次4水深30cm时第2个波作用过程的实验照片，图中网格大小为5cm5cm。 图4(a)黑色区域为模型所在的位

14、置，标记的黑色斜线为初始地形。可以看出第1个波作用之 后地形已经发生了冲淤变化。图4(a)波浪入射时，从水体的浑浊度可以看出，入射时水体清 澈并没有携带泥沙。水体上爬时，此时的底部可以看出有大约0.5cm-1.0cm厚水体开始浑浊， 其他的水体仍然清澈，表明底部有泥沙运动。随后路基前的滩肩处发生冲刷，如图4(b)所示， 此时可以看出模型已经略微高于地面。水体上爬到最高点之后，随即迅速回落，如图4(c)所 示，高速回落的水流在陡坎处形成水跌，在跌水作用下泥沙被不断冲走，形成较深的冲坑。 同时冲坑中的形成螺旋流，加剧冲坑的冲刷，并使其不断扩大，如图4(d)所示，结果造成冲 坑不断变深变大。回落的水

15、流将路基前的泥沙带走，并与N波的小振幅波相遇，在x2.40m 处发生水跃(Run-down jump)，剧烈翻滚的水体十分紊乱(如图4(c)(d)所示)，最大水跃高度约 为8cm，水跃强度减小后，泥沙沉降形成淤积。105110115120125130图4 N波(组次4, 第二个波作用)破碎、上爬、回落及水跃产生过程Fig.4 Second wave breaking, uprush, back wash and run-down jump in Case 4.图5 N波(组次4, 第六个波作用)破碎、上爬、回落及水跃产生过程Fig.5 Sixth wave breaking, uprush,

16、back wash and run-down jump in Case 4.图5给出组次4水深30cm时第6个波作用过程的实验照片。当第6个波入射时，从图5(a) 可以看出在前5个波作用下滩肩处已经发生严重的侵蚀，而泥沙淤积在离岸处形成沙坝。同 时路基向海侧已经出现较大的冲刷坑。从图5(b)可以看出，上爬的水流直接冲击在向岸侧的 路基上，携带走大量的泥沙，剧烈的漩涡进一步加剧了路基的冲刷。水流回落时，与之前相 同，在路基向海侧冲坑上形成水跌，螺旋流将冲刷坑继续加深加大(如图5(c)(d)所示)。蒋昌波(2012)1开展多个 N 波作用下岸滩剖面变化实验，回落水流使得前滩发生侵蚀， 泥沙在离岸区

17、发生淤积，岸滩呈现沙坝型剖面。在地形、入射波高、水深均相同的情况下， 将本文结果与蒋昌波(2012)1实验结果进行对比分析。图 6 分别给出 6 个波作用后 h=25cm和 h=30cm 有无建筑物模型时岸滩剖面变化情况。可以看出建筑物向海侧形成一个明显的冲 刷坑。图 6(a)结果显示，建筑物的存在使其向海测冲刷坑深度增加 36%，同时淤积沙坝高度增加 28%，但是冲刷和淤积的位置及形状基本不变。图 6(b)结果显示，建筑物的存在改变了 原有的岸滩冲刷形态，建筑物阻挡了其向岸侧的冲刷，同时使其向海侧的冲刷坑深度增加109%。淤积沙坝的位置和形状变化不大，仅高度增加 9%。通过分析可以得出，如果

18、在海啸 多发生地区修建沿海公路，应避免修建在滩肩侵蚀发生处。图6 有无路基的实验结果对比Fig.6 Effects of coastal road on beach erosion.图7给出h=30cm不同入射波高情况下6个波作用后的实验结果对比。入射波波高的变化135140145150155160165对建筑物前的冲刷坑影响较小，对淤积沙坝的尺度和位置影响较大。可以看出随着波高的减小，冲刷坑深度略微减小，由于水跃发生的位置向岸移动，淤积沙坝位置也向岸移动，尺度 也随之减小。同时可以看出，波高较大时，建筑物向岸侧也会发生冲刷；波高较小时，建筑 物向岸侧不会发生冲刷。图7 地形变化对比图8 相对

19、冲刷深度Fig.7 Changes of bed profilesFig.8 The normalized scour depth为进一步分析建筑物向海侧最大冲刷深度的变化规律，取建筑物向海侧最大冲刷深度值 除以入射波波高值为相对冲刷深度。图7给出相对冲刷深度随着作用波个数增加的变化情况。 从总体上看，随着作用波个数的增加，相对冲刷深度随之增大，最终向平衡方向发展。从图8可以看出相对冲刷深度的发展呈现2种不同的趋势，趋势(2)比趋势(1)相对冲刷深度发展更 为严重。建筑物没有位于滩肩侵蚀发生处(例如：图6(a)所示工况1)，最大冲刷深度变化显现 趋势(1)，最大冲刷深度相对较小。建筑物位于滩肩

20、侵蚀发生处(例如：图6(b)所示工况4)，最 大冲刷深度变化显现趋势(2)，最大冲刷深度相对较大，相比于建筑物没有位于滩肩侵蚀发 生处，最大冲刷深度极限值约增大1.5倍左右。图8中分别对比工况1和2、工况4和5结果，在 相同入射波高和地形的条件下，模型深度d的变化对冲刷影响不大。3结论(1) 实验结果显示，海啸波在路基向海侧形成明显冲刷坑，与现场调研结果一致。(2) 根据实验记录，在前几个波浪作用下，由于路基向海侧的前滩侵蚀后，冲刷坑是由 回落水流形成的螺旋流造成；随后由于路基向海侧的前滩严重侵蚀，上爬水流直接冲刷路基 以及回落水流形成的螺旋流作用加剧冲刷坑发展。(3) 海啸波对路基冲刷，路基

21、所在位置是最主要因素，波高是次要因素，模型深度影响 较小。路基位于滩肩侵蚀发生处，则最大冲刷深度相对较大，相比于建筑物没有位于滩肩侵 蚀发生处，最大冲刷深度极限值约增大1.5倍左右。(4) 海啸对路基冲刷会造成公路破坏，因此应避免修建在滩肩侵蚀发生处，同时建议在 路基向海侧的岸滩采取一定的保护措施。参考文献 (References)1 蒋昌波 , 陈杰 , 程永舟 , 邓斌 , 隆院男 . 海 啸 波 作 用 下 泥 沙 运 动 - 岸 滩 剖 面 变 化 分 析 . 水 科 学 进 展,2012,23(5):665-672.2 蒋昌波 , 陈杰 , 程 永 舟 , 隆 院 男 , 邓斌 .

22、海 啸 波 作 用 下 泥 沙 运 动 - 床 沙 组 成 变 化 分 析 . 水 科 学 进 展,2012,23(6):802-807.3 蒋昌波, 陈杰, 程永舟, 邓斌, 隆院男. 海啸波作用下泥沙运动- 数学模型的建立与验证. 水科学进 展,2013,24(1):91-97.4 Maheshwari, B. K., M. L. S. M.EERI, and J. P. Narayan, Geotechnical and Structural Damage in Tamil Nadu,170175180185190India, from the December 2004 Indian

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24、tohadi, F. Lavigne, B. Barthomeuf, E. Desgages, D. Grancher, P. Baumert, F.Vautier, D. Brunstein, and C. Gomez, Tsunamis as geomorphic crises: Lessons from the December 26, 2004 tsunami in Lhok Nga, West Banda Aceh (Sumatra, Indonesia)J. Geomorphology, 104, 59-72, 2009.7 张新周,窦希萍,王向明等.感潮河段丁坝局部冲刷三维数值模

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