蔣昌波，楊 武，陳 杰，伍志元，肖桂振，劉 靜

(1.長(zhǎng)沙理工大學(xué)水利工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410004;2.水沙科學(xué)與水災(zāi)害防治湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南長(zhǎng)沙 410004;3.中交天津航道局有限公司，天津 300461)

近年來海嘯頻發(fā)，沿海公路路基被海嘯波侵蝕破壞，造成路基坍塌，給救援工作帶來極大不便，災(zāi)害下近岸帶地區(qū)建筑物的保護(hù)成為當(dāng)下熱點(diǎn)研究問題［1］。

學(xué)者們對(duì)海嘯波作用下近岸帶地區(qū)泥沙運(yùn)動(dòng)和建筑物局部沖刷開展大量研究工作［1］。Kobayashi［2］等在波浪水槽開展泥沙實(shí)驗(yàn)，研究破碎孤立波作用下的泥沙運(yùn)動(dòng)和岸灘演變。Tsujimoto［3］用孤立波對(duì)三種不同水深情況下岸灘演變進(jìn)行研究。Young［4］對(duì)破碎孤立波作用下岸灘演變和泥沙運(yùn)動(dòng)開展研究。Riggs［5］等對(duì)海嘯波作用下近岸建筑物淘刷開展實(shí)驗(yàn)研究。蔣昌波［6-8］等研究海嘯波作用下的泥沙運(yùn)動(dòng)和岸灘剖面形態(tài)變化。劉崢［9］對(duì)濱海公路受風(fēng)暴潮、巨浪和海岸侵蝕等因素破壞的特征和規(guī)律進(jìn)行過總結(jié)，但未對(duì)該問題進(jìn)行過實(shí)驗(yàn)研究。目前開展實(shí)驗(yàn)研究的只有陳杰等［10］對(duì)沿海公路路基在海嘯波作用下局部沖刷進(jìn)行初步探討，發(fā)現(xiàn)路基的位置對(duì)沖刷影響較大，但是并沒有對(duì)位置因素影響進(jìn)行深入探討和分析。

基于陳杰在實(shí)驗(yàn)中初步得出路基位置因素對(duì)局部沖刷影響較大的結(jié)論，通過開展波浪水槽實(shí)驗(yàn)，采用路基絕對(duì)變化和相對(duì)變化兩種方式，探討沿海公路路基位置變化對(duì)局部沖刷的影響，同時(shí)對(duì)各工況下路基沖刷形態(tài)、最大沖刷深度進(jìn)行深入探討，并對(duì)沿海地區(qū)建筑物選址及合理規(guī)劃布局提出建議。

1 實(shí)驗(yàn)概述

1.1 實(shí)驗(yàn)布置

實(shí)驗(yàn)在波浪水槽內(nèi)進(jìn)行。波浪水槽長(zhǎng)40 m，寬0.5 m，高0.8 m。水槽兩側(cè)為透明玻璃，可以便于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象觀察。水槽一端配有推板造波系統(tǒng)，兩端設(shè)有良好的消波設(shè)施?？紤]到實(shí)驗(yàn)研究尺度限制，本實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑楦呕Ｐ?。?shí)驗(yàn)布置如圖1所示，將沿海近岸帶地形簡(jiǎn)化為1∶10和1∶20組合斜坡，概化模擬海岸帶地形特征［6，7，10］。沿海公路模型采用混凝土制作而成，長(zhǎng)0.1 m，寬0.5 m，高0.1 m。模型分別放置在靜水面以上不同位置。為便于實(shí)驗(yàn)描述，取x軸正向?yàn)椴ɡ藗鞑シ较?，z軸正向垂直向上，水槽寬度方向?yàn)閥軸，坐標(biāo)原點(diǎn)O(0，0)位于斜坡起點(diǎn)處。

圖1 實(shí)驗(yàn)布置Fig.1 Experimental setup

1.2 土體參數(shù)

實(shí)驗(yàn)用沙為經(jīng)過人工篩分得到的無粘性沙，平均中值粒徑為d50=0.369 mm，平均不均勻系數(shù)(Cu=d60/d10)為2.82，平均曲率系數(shù)(Cc=d302/(d10d60))為1.117。

1.3 波浪參數(shù)

Kobayashi［2］和Tsujimoto［3］曾采用孤立波模擬海嘯波對(duì)岸灘剖面的演變情況開展試驗(yàn)研究，取得了不少有價(jià)值的研究成果。本文同樣采用孤立波作為入射波，對(duì)沿海公路進(jìn)行逐個(gè)多次作用，模擬海嘯多次侵襲情況。實(shí)驗(yàn)共設(shè)置9組不同工況，具體實(shí)驗(yàn)工況和波浪參數(shù)說明如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)工況Tab.1 Experimental cases

1.4 實(shí)驗(yàn)步驟

實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖怯^測(cè)孤立波作用下沿海公路周圍局部沖刷的過程和形態(tài)，具體包括以下幾個(gè)步驟:1)在實(shí)驗(yàn)前，進(jìn)行相應(yīng)的模擬準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)，以便得到實(shí)驗(yàn)期望的波浪參數(shù)。2)清理水槽，以便于實(shí)驗(yàn)觀測(cè)。3)平整床面及模型放置。實(shí)驗(yàn)開始前要對(duì)斜坡床面進(jìn)行平整抹面，為保證初始斜坡平整。模型放置時(shí)，將模型外側(cè)對(duì)準(zhǔn)玻璃標(biāo)記，確保模型位置準(zhǔn)確。5)造波實(shí)驗(yàn)。采用已經(jīng)做好的造波文件進(jìn)行正式的波浪實(shí)驗(yàn)。6)測(cè)量地形變化。用地形儀對(duì)作用后的地形進(jìn)行測(cè)量，本實(shí)驗(yàn)選取y=0.167 m和y=0.334 m兩縱向剖面地形進(jìn)行測(cè)量，兩者相差不大，最終地形取兩者平均值，文中所有工況地形數(shù)據(jù)都采用上述方法測(cè)量得到。7)完成一個(gè)組次實(shí)驗(yàn)之后，把沙子全部翻動(dòng)攪拌，使泥沙均勻混合，再重新鋪好斜坡并整平，放置模型，然后按5)、6)進(jìn)行下一組次實(shí)驗(yàn)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 路基沖刷形態(tài)

如圖2所示，岸灘在孤立波作用下形成沙壩剖面和沖刷槽形態(tài)。文獻(xiàn)［2，3，4，6］對(duì)海嘯波作用下岸灘演變和沙壩形成機(jī)理進(jìn)行了詳細(xì)闡述。為探討路基處于岸灘沖刷槽區(qū)域時(shí)路基局部沖刷問題，在孤立波作用后形成的沖刷槽區(qū)域選取四個(gè)不同位置進(jìn)行討論，位置詳見圖2。其中位置Ⅰ、位置Ⅱ和位置Ⅲ處于沖刷槽內(nèi)，位置Ⅳ遠(yuǎn)離沖刷槽。通過改變路基絕對(duì)位置和相對(duì)位置，研究路基位置對(duì)路基局部沖刷的影響。

圖3給出本次實(shí)驗(yàn)工況組次4～組次9經(jīng)過15個(gè)孤立波連續(xù)作用后的路基沖刷形態(tài)，同時(shí)與無路基模型工況組次進(jìn)行對(duì)比，其中有無模型波浪作用個(gè)數(shù)相同，都為15次波浪作用。從圖3可以看出通過改變路基絕對(duì)位置，組次4～組次6路基向海側(cè)都出現(xiàn)不同大小的沖刷坑，其中組次4向岸側(cè)也出現(xiàn)沖刷坑，沖刷坑深度小于向海側(cè)。組次5～組次7向岸側(cè)都出現(xiàn)不同程度的淤積形態(tài)。從組次5、組次8和組次9可以看出，改變路基相對(duì)位置對(duì)路基沖刷產(chǎn)生較大影響，組次8向海側(cè)基本無沖刷，而組次5和組次9向海側(cè)都有不同程度的沖刷出現(xiàn)。

從總體上看，加入沿海公路模型后的沙質(zhì)岸灘經(jīng)過多次孤立波作用后，會(huì)形成離岸沙壩形態(tài)，且隨著波浪作用個(gè)數(shù)的增加，沙壩有向海側(cè)運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)。在岸灘沖刷區(qū)域，路基向海側(cè)會(huì)形成深窄沖刷坑，沖刷坑隨波浪作用個(gè)數(shù)增加而增大，最終達(dá)到平衡狀態(tài)。路基向岸側(cè)沖刷相比向海測(cè)沖刷小，且隨著路基位置遠(yuǎn)離海岸線，向岸側(cè)會(huì)出現(xiàn)淤積形態(tài)。對(duì)比有無公路模型最終沖刷形態(tài)，路基的存在對(duì)孤立波淤積區(qū)域無改變，相反加劇了路基向海側(cè)的沖刷。

圖2 模型位置示意Fig.2 Schematic of model location

2.2 路基絕對(duì)位置變化對(duì)沖刷影響

圖4給出同一水深下，路基分別位于位置Ⅰ、位置Ⅱ、位置Ⅲ、位置Ⅳ時(shí)路基沖刷坑深度值變化情況。從圖中可以看出路基位于位置Ⅰ、位置Ⅱ時(shí)，路基向海側(cè)前5個(gè)波沖刷深度較大，都有約4 cm深度的沖刷，占最終沖刷深度的50%左右。當(dāng)路基位于位置Ⅲ時(shí)，前10個(gè)波作用過后，基本未出現(xiàn)明顯沖刷，最終沖刷深度僅約1 cm;路基處于位置Ⅳ時(shí)，向海側(cè)并未出現(xiàn)沖刷，而是呈淤積形態(tài)。位置Ⅰ向海側(cè)最終沖刷深度分別比位置Ⅱ和位置Ⅲ最終沖刷深度高30%和85%。從不同位置處沖刷深度值可以得出:路基向海側(cè)沖刷坑深度值隨著路基遠(yuǎn)離海岸線，沖刷坑深度呈遞減趨勢(shì)，路基沖刷深度與離岸距離成正比關(guān)系。

2.3 路基相對(duì)位置變化對(duì)沖刷影響

本次實(shí)驗(yàn)對(duì)路基位于4.5 m位置時(shí)，通過挪動(dòng)沖刷槽區(qū)域位置來改變路基的相對(duì)位置。對(duì)應(yīng)設(shè)置了工況組次8和組次9，組次9路基位置相對(duì)沖刷槽位置為位置Ⅰ，組次8路基位置相對(duì)沖刷槽位置為位置Ⅲ。圖5給出組次5、組次8和組次9路基最終局部沖刷深度圖。從圖中可看出，路基相對(duì)沖刷槽位置發(fā)生改變后，沿海路基周圍沖刷坑的形態(tài)和大小都發(fā)生變化。其中組次5和組次9路基向海側(cè)沖刷坑形態(tài)受路基影響，在路基邊緣形成深窄沖坑，沖刷坑寬度與路基模型寬度相當(dāng)，其中組次9中路基向岸側(cè)出現(xiàn)與向海測(cè)對(duì)稱形態(tài)深窄沖坑，沖坑深度較向海側(cè)要小。如圖3(a)所示，路基處于沖刷槽位置Ⅰ，向岸側(cè)也發(fā)生沖刷。由此可以得出，當(dāng)路基位置處于沖刷槽位置Ⅰ時(shí)，破壞范圍也會(huì)延伸到路基向岸側(cè)，形成雙側(cè)沖刷破壞。

圖3 路基沖刷形態(tài)Fig.3 Form of scour around coastal road

圖4 路基沖刷深度變化Fig.4 Change of scour depth around coastal road

圖5 路基沖刷深度Fig.5 Scour depth of coastal road

圖6 沖刷深度變化趨勢(shì)Fig.6 Scour depth versus water depth

從上述實(shí)驗(yàn)可以看出，路基沖刷破壞主要是由于路基向海側(cè)出現(xiàn)較大沖刷坑。為探討分析路基向海測(cè)沖刷深度變化趨勢(shì)。對(duì)路基向海側(cè)最大沖刷深度進(jìn)行無量綱化處理，取路基向海側(cè)最大沖刷深度值除以入射波波高值為相對(duì)沖刷深度。圖6給出了路基向海側(cè)最大沖刷深度隨孤立波作用個(gè)數(shù)變化情況。通過數(shù)據(jù)分析可以看出，本次實(shí)驗(yàn)中各工況向海側(cè)沖刷坑經(jīng)過15個(gè)波浪作用過后都達(dá)到?jīng)_刷平衡狀態(tài)。前10個(gè)波浪作用引起路基沖刷速率較大，沖刷深度基本達(dá)到最終深度的50%以上。圖6顯示路基位置處于沖刷槽位置Ⅲ時(shí)，向海側(cè)沖刷深度明顯較其他組次要小。路基處于位置Ⅰ、位置Ⅱ、位置Ⅲ時(shí)，路基向海側(cè)沖刷深度呈依次減小趨勢(shì)。因此沿海公路應(yīng)該盡量避免修建在沖刷區(qū)域位置Ⅰ和位置Ⅱ附近，若不可避免在沖刷區(qū)域修建公路，應(yīng)對(duì)向海側(cè)實(shí)施防沖刷措施。

2.4 沖刷形成原因探討

對(duì)于沖刷產(chǎn)生的原因，圖7和圖8分別給出了組次4(位置Ⅰ)和組次6(位置Ⅲ)第15個(gè)波作用沖刷過程。從圖7(a)中可以看出，上爬水流在路基向海側(cè)遇到阻礙形成第一次沖刷，同時(shí)被激起的飛濺水流越過路基對(duì)路基向岸側(cè)進(jìn)行沖刷。圖7(b)回落水流在路基頂部形成高速水跌，對(duì)水流上爬形成的沖刷坑進(jìn)行二次沖刷，出坑水流將泥沙帶出，在離岸區(qū)淤積。

圖7 孤立波(組次4，第15個(gè)波作用)沖刷過程Fig.7 Fifteenth solitary wave-induced scour process in case 4

圖8 孤立波(組次6，第15個(gè)波作用)沖刷過程Fig.8 Fifteenth solitary wave-induced scour process in case 6

如圖8所示，組次6沖刷過程與組次4大致相同。不同之處在于組次6上爬水流與回落水流強(qiáng)度都沒有組次4大，特別是回落水流在路基頂部形成的跌水厚度h值小于組次4。因此，不同組次的最終沖刷深度與路基頂部跌水厚度成正比關(guān)系。Vu Thanh Ca［11］通過實(shí)驗(yàn)得到回落水流最大沖刷深度預(yù)測(cè)公式。提出路基向海測(cè)最大沖刷深度D與路基頂部水流厚度成正比關(guān)系。本次實(shí)驗(yàn)所有工況得到的地形數(shù)據(jù)，與Vu Thanh Ca［11］提出的結(jié)論一致。

3 結(jié)語

1)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，沿海公路路基在孤立波多次作用后，路基向海側(cè)出現(xiàn)明顯沖坑形態(tài);且隨著路基距海岸線越遠(yuǎn)，沖刷坑深度會(huì)慢慢減小，當(dāng)距離達(dá)到一定程度時(shí)，向海側(cè)不會(huì)出現(xiàn)沖刷坑。

2)路基位置處于沖刷槽位置Ⅰ時(shí)，路基破壞范圍會(huì)延伸到路基向岸側(cè)，向岸測(cè)沖刷深度小于向海測(cè)。

3)對(duì)比有無路基實(shí)驗(yàn)結(jié)果，路基的存在加速了路基向海側(cè)沖刷。路基模型對(duì)岸灘沙壩淤積與沖刷槽形態(tài)和位置并無多大影響。因此，沿海公路應(yīng)該避免修建在岸灘沖刷區(qū)域范圍，若路基處于沖刷范圍之內(nèi)，應(yīng)當(dāng)對(duì)沿海路基向海側(cè)加以防沖刷措施。

4)路基向海側(cè)沖刷坑深度會(huì)隨著波浪作用個(gè)數(shù)增加而加深，向海側(cè)沖刷速率呈先增大后減小趨勢(shì)，最終會(huì)達(dá)到平衡狀態(tài)。

5)孤立波作用下路基向海測(cè)最大沖刷深度與路基頂部回落水流厚度成正比關(guān)系。

［1］ 陳杰，蔣昌波，鄧斌，等.海嘯作用下岸灘演變與床沙組成變化研究綜述［J］.水科學(xué)進(jìn)展，2013，24(5):750-758.(CHEN Jie，JIANG Chang-bo，DENG Bin，et al.Review of beach profile changes and sorting of sand grains by tsunami waves［J］.Advances in Water Science，2013，24(5):750-758.(in Chinese))

［2］ Kobayashi N，Lawrence A.Cross-shore sediment transport under breaking solitary waves［J］.Journal of Geophysical Research，2004，109:C03047.

［3］ Tsujimoto G，Yamada F，Kakinoki T.Time-space variation and spectral evolution of sandy beach profiles under tsunami and regular waves［C］//Proceedings of the International Offshore and Polar Engineering Conference.2008:523-527.

［4］ Young Y L，Heng X，Maddux T B.Hyro-and morpho-dynamic modeling of breaking solitary waves over sand beach.Part I:experimental study［J］.Marine Geology，2010，269:107-118.

［5］ Riggs H R，Robertson I N，Cheung K F，et al.Experimental simulation of tsunami hazards to buildings and bridges［C］//Proceedings of 2008 NSF Engineering Research and Innovation Conference.Knoxville，Tennessee:2008:1056-1064.

［6］ 蔣昌波，陳杰，程永舟，等.海嘯波作用下泥沙運(yùn)動(dòng):Ⅰ:岸灘剖面變化分析［J］.水科學(xué)進(jìn)展，2012，23(5):665-672.(JIANG Chang-bo，CHEN Jie，CHENG Yong-zhou，et al.Study of sediment transport by tsunami waves:I:beach profile evolution［J］.Advances in Water Science，2012，23(5):665-672.(in Chinese))

［7］ 蔣昌波，陳杰，程永舟，等.海嘯波作用下泥沙運(yùn)動(dòng):Ⅱ:床沙組成變化分析［J］.水科學(xué)進(jìn)展，2012，23(6):802-807.(JIANG Chang-bo，CHEN Jie，CHENG Yong-zhou，et al.Study of sediment transport by tsunami waves:Ⅱ:sorting of sand grains on seabed［J］.Advances in Water Science，2012，23(6):802-807.(in Chinese))

［8］ 蔣昌波，陳杰，程永舟，等.海嘯波作用下泥沙運(yùn)動(dòng):Ⅲ:數(shù)學(xué)模型的建立與驗(yàn)證［J］.水科學(xué)進(jìn)展，2013，24(1):91-97.(JIANG Chang-bo，CHEN Jie，CHENG Yong-zhou，et al.Study of sediment transport by tsunami waves:Ⅲ:numerical model development and verification［J］.Advances in Water Science，2013，24(1):91-97.(in Chinese))

［9］ 劉崢.海洋災(zāi)害對(duì)濱海公路的影響及對(duì)策［J］.公路與汽運(yùn)，2010，5(3):111-114.(LIU Zheng.Impact of marine hazards on coastal highway and countermeasure［J］.Highway ＆ Automotive Applications，2010，5(3):111-114.(in Chinese))

［10］陳杰，蔣昌波，隆院男，等.海嘯波作用下泥沙運(yùn)動(dòng):Ⅳ:建筑物局部沖刷［J］.水科學(xué)進(jìn)展，2013，24(6):832-837.(CHEN Jie，JIANG Chang-bo，LONG Yuan-nan，et al.Study of sediment transport by tsunami waves:Ⅳ:local scour around structure［J］.Advances in Water Science，2013，24(6):832-837.(in Chinese))

［11］ Vu T C，Yoshimichi Y，Nunthawath C.Improvement of prediction methods of coastal scour and erosion due to tsunami back-flow［J］.International Society of Offshore and Polar Engineers，2010，6(1):1053-1060.