本發(fā)明涉及一種用于臺(tái)風(fēng)天氣強(qiáng)波浪作用下的沙灘侵蝕量的預(yù)測(cè)方法。

背景技術(shù)：

我國東南沿海每年都遭受幾次強(qiáng)臺(tái)風(fēng)的影響，臺(tái)風(fēng)引起的強(qiáng)波浪對(duì)海灘砂土影響較大，波浪導(dǎo)致沙灘砂粒懸浮，在波浪動(dòng)力作用下被帶到更深的水深處，造成海灘砂土嚴(yán)重侵蝕。以2016年“莫拉蒂”臺(tái)風(fēng)為例，該臺(tái)風(fēng)引起的波浪造成了廈門沙灘的嚴(yán)重侵蝕，據(jù)調(diào)查，海滄吳冠沙灘侵蝕量達(dá)到10～15cm高度，同安后田社區(qū)一帶人造沙灘侵蝕量達(dá)到23～54cm高度。對(duì)于沙灘的侵蝕量，除了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查外，采用理論模型進(jìn)行預(yù)測(cè)是一種較好的方法，目前的預(yù)測(cè)方法大都基于泥砂的輸運(yùn)模型、泥砂來源和波流特點(diǎn)建立的，這些方法大都比較復(fù)雜，某些參數(shù)難以確定，不便于工程師掌握使用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的主要目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的上述缺陷，提出一種基于波流侵蝕力和砂土抗剪強(qiáng)度模型的沙灘侵蝕量預(yù)測(cè)方法，具有使用簡(jiǎn)單、結(jié)果可靠的優(yōu)點(diǎn)，旨在為沙灘減災(zāi)和防護(hù)提供理論指導(dǎo)。

本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種沙灘侵蝕量預(yù)測(cè)方法，包括如下步驟：

1)計(jì)算破碎波波高H_b，H_b＝0.39g^0.2(TH₀²)^0.4，g為重力加速度，H₀為深水波波高，T為波浪周期，T₀為波浪持續(xù)時(shí)間，h為沙灘增水深度；

2)計(jì)算沙灘處波浪速度u₀：

3)計(jì)算不同波高對(duì)應(yīng)的波浪數(shù)目N_i；

4)計(jì)算波浪對(duì)灘面造成的侵蝕剪應(yīng)力：

τ_w＝0.5F_wρ_wu₀²

式中，F(xiàn)_w為水流與土體之間的摩阻系數(shù)，ρ_w為海水密度；

5)計(jì)算砂土抗侵蝕臨界剪應(yīng)力：

式中，d_s為砂土中值粒徑，ρ_s為砂粒密度為砂土的內(nèi)摩擦角；

6)計(jì)算沙灘的侵蝕量：

式中，E_s為波浪侵蝕量，N_i為第i個(gè)波高對(duì)應(yīng)的波浪數(shù)，n為波高數(shù)，K_s和a分別為將侵蝕力轉(zhuǎn)化為侵蝕量的轉(zhuǎn)化系數(shù)，a取1.0。

優(yōu)選的，在步驟1)中，根據(jù)波浪監(jiān)測(cè)站監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，確定臺(tái)風(fēng)期間深水波浪參數(shù)，包括深水波波高H₀，波浪周期T，波浪持續(xù)時(shí)間T₀以及沙灘增水深度。

由上述對(duì)本發(fā)明的描述可知，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果：

本發(fā)明基于波流侵蝕力和砂土抗剪強(qiáng)度模型進(jìn)行沙灘侵蝕量預(yù)測(cè)，具有步驟簡(jiǎn)單、結(jié)果可靠的優(yōu)點(diǎn)，旨在為砂灘減災(zāi)和防護(hù)提供理論指導(dǎo)。

附圖說明

圖1為不同波高對(duì)應(yīng)的波高數(shù)；

圖2為沙灘的某一灘面侵蝕量剖面；

圖3為沙灘的另一灘面侵蝕量剖面。

具體實(shí)施方式

以下通過具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。

一種沙灘侵蝕量預(yù)測(cè)方法，其實(shí)現(xiàn)步驟為：

1)根據(jù)波浪監(jiān)測(cè)站監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，確定臺(tái)風(fēng)期間深水波浪參數(shù)，包括深水波波高H₀，波浪周期T，波浪持續(xù)時(shí)間T₀，以及沙灘增水深度h。計(jì)算破碎波波高H_b，

H_b＝0.39g^0.2(TH₀²)^0.4 (1)

式中，g為重力加速度。

2)計(jì)算沙灘處波浪速度u₀：

3)計(jì)算不同波高對(duì)應(yīng)的波浪數(shù)目N_i；

4)計(jì)算波浪對(duì)灘面造成的侵蝕剪應(yīng)力，

τ_w＝0.5F_wρ_wu₀² (3)

式中，F(xiàn)_w為水流與土體之間的摩阻系數(shù)，F(xiàn)_w＝0.01-0.10，ρ_w為海水密度，取1.025g/cm³。

5)計(jì)算砂土抗侵蝕臨界剪應(yīng)力，

式中，d_s為砂土中值粒徑，ρ_s為砂粒密度，取2.70-2.71g/cm³，為砂土的內(nèi)摩擦角。

6)計(jì)算沙灘的侵蝕量，

式中，E_s為波浪侵蝕量，N_i為第i個(gè)波高對(duì)應(yīng)的波浪數(shù)，n為波高數(shù)，K_s和a分別為將侵蝕力轉(zhuǎn)化為侵蝕量的轉(zhuǎn)化系數(shù)，K_s取4.57mm/d，a取1.0。

具體實(shí)施時(shí)，按照上述方法，確定波浪和砂土參數(shù)，最后求出一次臺(tái)風(fēng)期間的沙灘侵蝕量。

實(shí)施案例，我國東南沿海某市遭受一次強(qiáng)臺(tái)風(fēng)的影響，某處沙灘土體為細(xì)砂，經(jīng)測(cè)試，其中值粒徑d_s＝0.25mm，砂粒密度ρ_s＝2.70g/cm³，砂土內(nèi)摩擦角為20°；在波浪監(jiān)測(cè)站處(水深為53.0m)監(jiān)測(cè)的強(qiáng)波浪作用持續(xù)約10h，不同波高對(duì)應(yīng)的波浪數(shù)目見圖1所示，波浪平均周期為5.4s，沙灘增水深度為2.5m，水流與土體之間的摩阻系數(shù)F_w取0.05，侵蝕量轉(zhuǎn)化系數(shù)K_s＝4.57mm/d。兩條海灘剖面如圖2、圖3所示，采用本發(fā)明的預(yù)測(cè)方法，預(yù)測(cè)經(jīng)過該次強(qiáng)臺(tái)風(fēng)波浪侵蝕后，海灘面的侵蝕量，其侵蝕后的高程表示在圖2中?？梢钥闯?，侵蝕量基本上隨著水深的增大而減小，極端海況下，水深大于4.0m時(shí)，波浪基本不會(huì)對(duì)中砂海灘產(chǎn)生侵蝕。圖2剖面1海灘的侵蝕主要發(fā)生在離岸線80m距離內(nèi)，圖3剖面2海灘坡度較大，其侵蝕主要發(fā)生在離岸線20m距離內(nèi)。

上述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的設(shè)計(jì)構(gòu)思并不局限于此，凡利用此構(gòu)思對(duì)本發(fā)明進(jìn)行非實(shí)質(zhì)性的改動(dòng)，均應(yīng)屬于侵犯本發(fā)明保護(hù)范圍的行為。