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        風(fēng)暴波浪作用下沙壩剖面運(yùn)動(dòng)特征研究

        2014-03-13 09:34:49茍大荀遼寧省交通廳港航管理局
        關(guān)鍵詞:沙壩波群波高

        茍大荀/遼寧省交通廳港航管理局

        風(fēng)暴波浪作用下沙壩剖面運(yùn)動(dòng)特征研究

        茍大荀/遼寧省交通廳港航管理局

        對風(fēng)暴期波浪作用下沙質(zhì)海岸上沙壩剖面運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了物理模型實(shí)驗(yàn),研究了波浪條件、海岸坡度對沙壩剖面運(yùn)動(dòng)的影響,討論了規(guī)則波和波群作用在不同坡度海岸模型上的沙壩剖面的運(yùn)動(dòng)。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),在不同波浪作用下沙壩剖面會(huì)呈現(xiàn)不同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),且運(yùn)動(dòng)趨勢與入射波的波高有關(guān)。

        沙壩剖面;波浪;海岸坡度;運(yùn)動(dòng);壩峰

        一、引言

        海岸帶是陸海的交匯區(qū),研究海岸的變化對沿海地帶環(huán)境影響是至關(guān)重要的。沙質(zhì)海岸的一個(gè)重要性質(zhì)就是他的動(dòng)態(tài)變化特性,位于海底的泥沙在近海水域水動(dòng)力的影響下,必然會(huì)引起岸灘的沖淤演變。風(fēng)暴期,沿岸形成的沙壩是沙質(zhì)海岸重要的海底特征之一,沙壩的存在使得波浪在離岸較遠(yuǎn)處破碎,使得擊打在基岸或者灘面的波浪力和侵襲作用減弱,從而減少了岸灘的泥沙的流失,起到軟防護(hù)的作用[1][2]。岸灘的這種自我保護(hù)由于它得天獨(dú)厚的自然條件越來越被人們重視,其在岸灘保護(hù)的課題中由于經(jīng)濟(jì)花費(fèi)低、符合自然和諧規(guī)律及有利于自然環(huán)境的美化而備受矚目。

        研究人員最新的成果證明[3],沙壩的位置在風(fēng)暴期所表現(xiàn)出一種不穩(wěn)定狀態(tài),主要是離岸和向岸的震蕩運(yùn)動(dòng)。沙壩運(yùn)動(dòng)在自然界實(shí)際觀測比較艱難,因此通過物模試驗(yàn),來研究沙壩剖面的運(yùn)動(dòng)特征是有著重要意義的。本文通過考慮不同波浪形態(tài),包括波群、規(guī)則波作用在不同坡度的海岸上,沙壩剖面運(yùn)動(dòng)的特征,來探討海岸坡度和波浪對風(fēng)暴期沙壩剖面的影響。

        二、實(shí)驗(yàn)布置

        本實(shí)驗(yàn)是在大連理工大學(xué)海岸及近海工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室渾水水槽中完成的,水槽長為56m、寬度0.7m、高度0.7m。在水槽的一側(cè)安置推板式造波機(jī),另一側(cè)布置為1: 10和1:20坡度的沙質(zhì)海灘模型[4]。實(shí)驗(yàn)中取中值粒徑為D50=0.224mm的天然沙作為模型沙,水深始終保持0.45m。圖1所示(附后,后同)為實(shí)驗(yàn)的具體布置方案。

        實(shí)驗(yàn)所采用的造波控制系統(tǒng),可以生成多種類型的波況。實(shí)驗(yàn)中波浪包括波群、規(guī)則波和。波群運(yùn)用JONSWAP譜分析。對波群考慮了不同的波幅調(diào)制,波面升高由下式計(jì)算

        式中,T為波浪周期,a為波群中短波波幅,Tg為波群包絡(luò)周期:Tg=nT,n為波群中的短波的個(gè)數(shù)。δ為波群調(diào)制系數(shù)。實(shí)驗(yàn)中可見,取a=0.084m和0.080m可使所生成波群的三分之一最大波高為0.9m和0.13m。

        實(shí)驗(yàn)中波高由浪高儀測量。海岸剖面模型變化的測量采用URT-III三維河床地形測量系統(tǒng),每隔30min測量一次海岸剖面,主要測量貼近水槽壁的斷面,如圖2所示。表1給出了實(shí)驗(yàn)中所采用的波要素。

        三、規(guī)則波作用下沙壩剖面運(yùn)動(dòng)特征

        通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在波浪的作用下沙壩形成后沒有靜止不動(dòng),而是隨時(shí)間存在離岸和向岸的往復(fù)振蕩運(yùn)動(dòng),且不同的波浪作用下沙壩剖面呈現(xiàn)出不同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。為了更直觀地了解沙壩形成后的運(yùn)動(dòng),圖3、4給出規(guī)則波作用下的沙壩峰隨時(shí)間變化的位移圖,考慮到實(shí)驗(yàn)的重復(fù)性,圖中給出了同一個(gè)波況下的兩組實(shí)驗(yàn)結(jié)果。通過圖3、圖4可以看出,實(shí)驗(yàn)中規(guī)則波作用下1:10和1:20的海岸模型,沙壩的離向岸的振蕩都很劇烈,H=9cm、H=14.5cm和16cm時(shí),振蕩的幅值要更大,說明在一定小的和一定大的規(guī)則波作用下沙壩的振蕩幅值會(huì)更大。由沙壩的最終運(yùn)動(dòng)距離可以看出,波高較小時(shí),沙壩運(yùn)動(dòng)最終呈現(xiàn)出向岸運(yùn)動(dòng)趨勢,隨著波高的增大,最終運(yùn)動(dòng)趨勢逐漸呈離岸。于是可得出規(guī)則波作用下,在波高H=9cm時(shí)沙壩運(yùn)動(dòng)趨勢均是向岸的,H=16cm沙壩的運(yùn)動(dòng)趨勢基本上都是離岸的。H=14.5cm,沙壩的運(yùn)動(dòng)趨勢近似于離向岸的臨界。從而可以得出沙壩運(yùn)動(dòng)趨勢的臨界植依賴于入射波的波高,與地形坡度無關(guān)。

        四、波群作用下沙壩剖面運(yùn)動(dòng)特征

        圖5是根據(jù)有效波高 H1/3=9cm和13cm,系數(shù)δ=0.25、0.5、1.0的波群作用在1: 10的海岸模型,形成的沙壩剖面隨時(shí)間的運(yùn)動(dòng)歷程得到沙壩峰位移圖。由圖5可見,在相同有效波高的情況下,隨著調(diào)制系數(shù)的增大,波群作用下沙壩的振蕩運(yùn)動(dòng)次數(shù)逐漸減少,說明振蕩逐漸減弱。由于調(diào)制系數(shù)越小,波群越近似于規(guī)則波,系數(shù)越大波群的群性越明顯,所以可以說明這個(gè)現(xiàn)象跟規(guī)則波的結(jié)論是類似的。同時(shí)由圖和表中可得到沙壩的運(yùn)動(dòng)趨勢,發(fā)現(xiàn)在有效波高較小的 H=9cm的波群作用下,沙壩均表現(xiàn)為向岸運(yùn)動(dòng)。在有效波高較大的 H=13cm的波群作用下沙壩是離岸運(yùn)動(dòng)的。這與規(guī)則波得到的小波高作用下沙壩呈向岸運(yùn)動(dòng)趨勢,大波高作用下是離岸的趨勢結(jié)論也是一致的。

        圖6是根據(jù)有效波 H=9cm和13cm,系數(shù)δ=0.25、0.5、1.0的波群作用在1: 20的海岸模型,形成的沙壩剖面隨時(shí)間的運(yùn)動(dòng)歷程得到沙壩峰位移圖。由圖6得到的結(jié)論與1:10坡度下波群實(shí)驗(yàn)的結(jié)果類似,在有效波高較小的 H=9cm的波群作用下,沙壩均表現(xiàn)為向岸運(yùn)動(dòng)。在有效波高較大的 H=13cm的波群作用下沙壩是離岸運(yùn)動(dòng)的。沙壩的運(yùn)動(dòng)振蕩次數(shù)隨著波群調(diào)制系數(shù)的增大而減少,這種振蕩次數(shù)少于同種波況作用在1:10坡度下的結(jié)果。

        五、結(jié)論

        本文研究了規(guī)則波和波群作用下沙壩剖面在不同坡度海岸上的運(yùn)動(dòng)特征,得出結(jié)論如下:

        1.規(guī)則波情況下,沙壩存在離向岸的振蕩運(yùn)動(dòng),沙壩離向岸運(yùn)動(dòng)的臨界值依賴于入射波高,不受地形初始坡度的影響。但沙壩離向岸的運(yùn)動(dòng)幅值和運(yùn)動(dòng)速度還是受初始坡度的影響。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)大波高H=16cm作用下的沙壩總的運(yùn)動(dòng)趨勢是離岸的,小波高H=9cm作用下沙壩的總體運(yùn)動(dòng)趨勢是向岸的,波高H=14.5cm的規(guī)則波介于離向岸的臨界波高。

        2.波群情況下,沙壩的振蕩運(yùn)動(dòng)弱于規(guī)則波作用下,沙壩較多時(shí)刻處于離岸或者向岸的單一方向運(yùn)動(dòng),振蕩運(yùn)動(dòng)隨著波群調(diào)制系數(shù)的增大而減弱,且明顯弱于規(guī)則波作用。與規(guī)則波結(jié)論類似,在較小波高( H=9cm)作用下,沙壩呈向岸運(yùn)動(dòng)趨勢,在較大波高( H1/3=13cm)作用下,沙壩最終呈離岸運(yùn)動(dòng)趨勢。

        [1]柯馬爾.海灘過程與沉積作用,邱建立、莊振業(yè)、崔成琦譯,北京:海洋出版社,1985.

        [2]陳士蔭,顧家龍,吳宋仁編.海岸動(dòng)力學(xué)[M].北京:人民交通出版社,1995.

        [3]Hoefel F,ElgarS.Wave-induced sediment transport and sandbar migration [J].Science,2003, 299: 1885-1887.

        [4]尹晶,鄒志利,李松.波浪作用下沙壩不穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)研究 [J].海洋工程,2008,26(1),40-50.

        圖1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

        圖2:海岸剖面地形測量

        表1 實(shí)驗(yàn)波浪要素

        圖3 規(guī)則波作用在1:10坡度沙壩峰運(yùn)動(dòng)位移

        圖4 規(guī)則波作用在1:20坡度沙壩峰運(yùn)動(dòng)位移

        圖5 波群作用下的沙壩峰運(yùn)動(dòng)位移(1:10坡度)

        圖6 波群作用下的沙壩峰運(yùn)動(dòng)位移(1:20坡度)

        國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(項(xiàng)目編號:50479053;10672034)

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