徐 嘯，佘小建，崔 崢

(南京水利科學(xué)研究院，南京 210024)

在近岸區(qū)采沙涉及到岸灘穩(wěn)定、生態(tài)、環(huán)境等諸多因素。本研究主要致力于對岸灘穩(wěn)定性的影響；迄今國內(nèi)外對此課題研究，特別是應(yīng)用物理模型試驗的研究成果甚少。本文以曹妃甸東側(cè)灘涂為對象，研究各取沙方案實施后，波浪引起的向離岸輸沙運動及相應(yīng)岸灘剖面的沖淤類型變化，據(jù)此評估取沙對岸灘穩(wěn)定性的影響程度。

1 波浪動床泥沙試驗技術(shù)路線

1.1 基本思路——主要研究向-離岸(橫向)輸沙規(guī)律

在一個相對穩(wěn)定的岸灘海域，如果沒有人工建筑物阻擋沿岸輸沙，岸灘在較大波浪作用下短期的侵蝕問題一般主要與近岸區(qū)泥沙的向-離岸運動密切相關(guān)。這與南京大學(xué)1997年對曹妃甸灘槽穩(wěn)定性分析中“沙壩沿岸泥沙運動以橫向為主、縱向較弱”結(jié)論是一致的[1]。如取沙區(qū)布置在破波區(qū)附近，取沙區(qū)將起“集沙坑”作用，沿岸輸沙將有利于取沙區(qū)的淤積和恢復(fù)，對維持當(dāng)?shù)匕稙┑姆€(wěn)定性是有利的因素，暫不考慮沿岸輸沙作用更為合理[2-3]。

1.2 主要指標(biāo)——向岸─離岸輸沙凈輸沙量

岸灘的穩(wěn)定性取決于岸灘受侵蝕的程度，而能定量描述岸灘受侵蝕的指標(biāo)主要為：

(1)岸線(或水邊線)向岸方向后退的速率；

(2)岸灘剖面上向-離岸輸沙量的相對大小和分布特點[4]。

(1)

可導(dǎo)得波浪作用t時后，通過x點的凈輸沙總量為

(2)

這樣，只要掌握任一時刻剖面地形，與初始剖面相比較，即可計算出某時段內(nèi)岸灘剖面上任一點處泥沙凈輸運量的大小和方向。剖面上凈輸沙量分布規(guī)律與岸灘沖淤類型有內(nèi)在的聯(lián)系，特別是最大凈輸運量Qm的位置是研究岸灘輸沙運動和沖淤規(guī)律的一個重要特征量。

1.3 沙質(zhì)岸灘剖面類型

依據(jù)實驗室觀測資料，并對比了前人所進行的工作，仍以岸線(水邊線)的沖淤變化和近岸帶泥沙輸運特點為主要指標(biāo)，將岸灘分為以下幾類[5]：

侵蝕型或用字母表示： Ⅰ型

過渡型 Ⅱ-1型及Ⅱ-2型

淤積型 Ⅲ-1型及Ⅲ型

為方便起見，現(xiàn)將這幾種類型剖面定義及特點繪于表1。關(guān)于侵蝕型和淤積型，定義較清楚；但過渡型輸沙情況較復(fù)雜，下面對此種剖面輸沙特點作簡要介紹。

(1)過渡型海灘剖面與相應(yīng)動力條件處于相對比較協(xié)調(diào)的狀態(tài)，這時凈輸沙量較小，Qm數(shù)也較小。

(2)過渡型岸灘的岸線也處于相對穩(wěn)定狀態(tài)，表現(xiàn)為對動力條件的變化甚為敏感，岸線時淤時沖，時進時退，但凈輸沙量卻很少。

(3)當(dāng)泥沙顆粒較細時，一般多呈Ⅱ-1；泥沙顆粒較粗時多為Ⅱ-2型岸灘形態(tài)。

表1 各類岸灘剖面特點Tab.1 Characteristics of various types of beach profile

1.4 沙質(zhì)岸灘剖面類型的判數(shù)

本文采用Hattori & Kawamata判數(shù)[6]，此判數(shù)既可用于現(xiàn)場也可用于實驗室資料，即

1.5 擬選沙源區(qū)岸灘剖面類型及對應(yīng)特征波要素

擬選曹妃甸沙源區(qū)范圍內(nèi)自西向東岸灘坡度從1/225減緩為1/500(圖1)，說明它們的岸灘剖面形態(tài)有較大差別；這反映了沙源區(qū)復(fù)雜的動力機制和泥沙運動特征。即同樣的波浪條件在東側(cè)可能淤積而在西側(cè)發(fā)生侵蝕(參看文獻[2]中表5)。為了研究擬選沙源區(qū)對岸灘穩(wěn)定性的影響，需在整體模型中研究波浪作用下的向離岸二維泥沙運動問題，為此須進行必要的概化處理，即選擇代表性較好的岸灘剖面作為擬選沙源區(qū)的“特征剖面”，并設(shè)法確定對應(yīng)的特征波要素。

在文獻[2]中，我們業(yè)已通過驗證試驗證明，本波浪泥沙動床模型可以較好地符合岸灘特征剖面理論。

1.6 評價取沙方案對岸灘穩(wěn)定性影響的基本原則

我們將未取沙條件下波浪泥沙試驗作為取沙工程實施前的比照對象；然后進行同樣波況條件下不同取沙工程方案實施后的波浪動床泥沙試驗，分析比較取沙方案實施后對岸灘沖淤造成的影響，設(shè)法從定性上判斷對岸灘穩(wěn)定性的影響；因為對復(fù)雜的波浪泥沙問題而言，正確的定性理解比定量掌握更為重要。

通過對試驗資料的整理和綜合分析，初步考慮，評價取沙方案對附近岸灘穩(wěn)定性影響的指標(biāo)以及是否可取的原則有以下幾種：

A 不要因?qū)嵤┤∩扯淖儼稙┢拭鏇_淤類型，特別是不要將“淤積型”或“過渡型”岸灘因取沙而轉(zhuǎn)換成“侵蝕型”岸灘，這是本文遵循的基本原則；

B 最大侵蝕的位置應(yīng)盡量遠離岸線(圍堤軸線)，以免影響近岸圍堤的穩(wěn)定性；

C 發(fā)生最大侵蝕的位置也應(yīng)盡量遠離“取沙坑”，以避免發(fā)生岸坡崩塌現(xiàn)象；

D 取沙引起的岸灘侵蝕幅度，與未取沙相比，平均沖刷深度和沖刷范圍均不得有明顯的增加。

2 波浪動床泥沙試驗成果分析

表2 動床試驗組次和條件[7]Tab.2 Movable bed test cases and condition[7]

2.1試驗方案、組次

物理模型中波浪泥沙動床試驗組次和條件如表2。其中邊界條件“圍?！北硎臼I(yè)區(qū)圍海工程建成，“現(xiàn)狀”即圍海工程未建；如未加說明取沙深度均為5 m；而“優(yōu)化方案”系在基本方案試驗結(jié)果的基礎(chǔ)上提出的方案。圖1為沙源區(qū)水深觀測斷面位置圖。

圖1 擬選沙源區(qū)地形觀測斷面位置示意圖Fig.1 Sketch of the topographic observation sections of selected sand source area

2.2 未取沙時沙源區(qū)岸灘沖淤特點

首先進行了未取沙時、各種波況條件下擬選沙源區(qū)岸灘剖面沖淤特點試驗。

由試驗結(jié)果，可歸納出不同波況條件下岸灘剖面沖淤變化幾個特點：

(1)西端的1#斷面，岸坡較陡，各種波浪條件下均呈“侵蝕型”剖面特征。

(2)而位于取沙區(qū)中間的3#斷面，岸灘坡度較緩，在小浪條件下基本為淤積型，在中浪條件下呈微淤型；在大浪條件下，為弱侵蝕型。

(3)中、小浪情況下，近岸1 200 m范圍內(nèi)岸灘沖淤幅度最大；大浪在深水區(qū)即發(fā)生破碎(類似于崩破波)，破波帶范圍較大，波能沿程耗散，加上作用時間短，導(dǎo)致床面沖淤范圍大但沖淤幅度反而小于中、小浪。

以上分析表明，進行4#、8#擬選沙源區(qū)取沙方案試驗和分析時，以中浪為主、輔以大浪較合理；進行2#沙源區(qū)方案試驗時，以中浪為主，輔以大浪和小浪較合理。

(4)石化工業(yè)區(qū)等圍海建堤后，原岸灘剖面上“淤積區(qū)”范圍將向海方向擴移。

(5)石化工業(yè)區(qū)等圍海建堤后，原岸灘剖面上“侵蝕區(qū)”范圍同樣向海方向移動，而且侵蝕強度有所下降。

(6)未圍海條件下大浪的能量可以在較寬闊的灘涂逐漸沿程耗散；在圍海后，波能只能在大堤前近岸區(qū)耗散。其結(jié)果是圍海建堤后，近岸區(qū)岸灘的侵蝕范圍和強度均大于圍海建堤前。

即在目前曹妃甸特定岸灘地形條件下、在大浪動力環(huán)境下，石化工業(yè)區(qū)圍海建堤，對穩(wěn)定附近岸灘是不利的。

以上分析表明，為了偏于安全，在分析中小浪試驗資料時，宜采用未圍海建堤邊界條件的成果；在分析大浪試驗資料時，宜采用圍海建堤邊界條件。

2.3 取沙方案實施后試驗結(jié)果

模型中分別進行了“大浪(Ho=4.3 m)”、“中浪(Ho=2.2 m)”，有、無圍堤等各種取沙方案的動床波浪泥沙試驗。表3、表4分別為中浪和大浪條件下各沙源區(qū)取沙方案實施后各斷面平均沖刷深度增大值，邊界條件均為有石化工業(yè)區(qū)圍海建堤。

根據(jù)前面提出的評價取沙方案對附近岸灘穩(wěn)定性影響的指標(biāo)以及是否可行的原則，對已進行的波浪泥沙動床試驗成果綜合分析后，得到以下結(jié)論：

(1)在8#沙源區(qū)取沙影響最小，但取沙西邊界應(yīng)適當(dāng)東移(建議現(xiàn)西邊界東移1 km或更遠，亦即離甸頭距離不得小于7 km)。

(2)在4#和8#沙源區(qū)取沙后，岸灘侵蝕強度與未取沙情況相比，有增大趨勢；基于曹妃甸岸灘穩(wěn)定性的重要性，建議4#沙源區(qū)的岸側(cè)邊緣需適當(dāng)向海方向調(diào)整。

(3)在2#沙源區(qū)取沙，將使大部分岸灘由“淤積型”剖面特征轉(zhuǎn)變成“侵蝕型”剖面特征，同時會導(dǎo)致近岸1 200 m范圍內(nèi)岸灘加大侵蝕強度，直接影響到曹妃甸近岸岸坡的穩(wěn)定性。為此，不宜在2#沙源區(qū)取沙。

據(jù)此可知，取沙方案的優(yōu)化重點是4#擬選沙源區(qū)。

表3 “中浪”條件下取沙后各斷面 平均沖刷深度增值Tab.3 The increases of the average erosion depth of each section under "medium wave" m/a

表4 “大浪”條件下取沙后各斷面 平均沖刷深度增值Tab.4 The increases of the average erosion depth of each section under "big wave" m/a

注：增值=取沙后沖刷值-未取沙條件下沖刷值，下同。

表5 優(yōu)化方案組次和試驗條件Tab.5 The optimization test cases and conditions

2.4 取沙優(yōu)化方案試驗[7]

基于曹妃甸岸灘穩(wěn)定性的重要性，4#沙源區(qū)的岸側(cè)邊緣需適當(dāng)向海方向調(diào)整。取沙區(qū)優(yōu)化試驗的目的即設(shè)法確定4#沙源區(qū)合適的岸側(cè)邊緣位置。共進行了5組優(yōu)化試驗。

取沙優(yōu)化方案沙源區(qū)基本位于-7.5 m以下深水區(qū)，小浪一般不起作用，為便于進行方案比選，模型中主要進行了“中浪”及“圍?！睏l件下的試驗，部分方案進行了“大浪”試驗(表5)。

表6為“中浪”和“圍海”條件下，各工況的擬選沙源區(qū)4個地形觀測斷面向、離岸輸沙量變化情況，表中圖上虛線表示未取沙現(xiàn)狀條件下試驗結(jié)果，實線表示各取沙方案實施后試驗結(jié)果。表7為各優(yōu)化方案條件下各斷面岸灘年平均沖刷深度增大值。由表6和表7可以總結(jié)如下：

① 1#斷面為侵蝕型剖面，取沙后剖面沖淤類型不變；8#沙源區(qū)取沙、優(yōu)化方案1、2、4條件下離岸輸沙量有較明顯的增大，優(yōu)化方案3和5離岸輸沙量基本不變。

② 2#斷面屬過渡型剖面類型，取沙后剖面類型不變；優(yōu)化方案1、4條件下離岸輸沙量有較明顯的增大，其它方案變化不明顯。

③ 3#斷面和4#斷面屬淤積型剖面類型，取沙后剖面類型不變，除優(yōu)化方案3和4向岸輸沙量有所減小，其它方案變化不大。

表6 各種工況條件下，擬選沙源區(qū)4個斷面向—離岸輸沙量變化圖Tab.6 Variation of on-offshore sediment transport discharge in the sections of selected taking sand area in each test case

如前所述，我們希望取沙方案實施后，岸灘發(fā)生沖刷的區(qū)域盡量遠離圍堤，以免影響圍堤的穩(wěn)定性。表8為各優(yōu)化取沙方案條件下，灘面沖刷區(qū)離規(guī)劃圍堤軸線的距離。

表7 各優(yōu)化方案條件下各斷面岸灘平均沖刷深度增值Tab.7 The increases of average scour depth in each section of the optimized test case m/a

表8 各優(yōu)化方案條件下各斷面取沙沖刷區(qū)離岸距離Tab.8 Offshore distance of the sand erosion area in each section of each optimized case m

對優(yōu)化取沙方案的綜合評價：

根據(jù)以上分析和岸灘沖淤圖，可以對各優(yōu)化取沙方案對各觀測斷面沖淤影響作出評價，綜合評價結(jié)果見表9。對評價結(jié)果可總結(jié)出以下幾點：

① 1#斷面附近地形沖淤對取沙較為敏感，即使在8#沙源區(qū)取沙深度2 m的情況下，岸灘沖刷強度仍出現(xiàn)一定量值的增大，因此，建議擬選沙源區(qū)西側(cè)邊界離甸頭距離不得小于7 km(或擬選沙源區(qū)西邊界以東1 km以外)。

② 在各種邊界和波況條件下，優(yōu)化方案1(-7.5 m等深線以下取沙)對2#斷面附近岸灘沖淤均有一定影響，因此取沙區(qū)岸側(cè)邊緣宜取在-7.5 m等深線以下，從試驗結(jié)果看優(yōu)化方案5較好。

③ 從優(yōu)化方案3和4試驗結(jié)果看，如取沙區(qū)東端岸側(cè)邊緣位于-5 m附近，不論取沙深度2 m還是5 m，3#、4#斷面岸灘均發(fā)生一定程度沖刷；綜合考慮各方案對岸灘影響后認(rèn)為， 3#斷面取沙區(qū)岸側(cè)邊緣可以取在-10 m等深線與優(yōu)化方案2之間； 4#斷面取沙區(qū)岸側(cè)邊緣可以取在-7.5 m等深線附近。綜上所述，優(yōu)化取沙方案5稍優(yōu)于其它優(yōu)化方案。

表9 各工況條件下，對各取沙優(yōu)化方案的綜合評價Tab.9 A comprehensive evaluation on each sand-taking optimization schemes

3 波浪動床泥沙試驗小結(jié)

(1)評價取沙方案是否可行的原則和技術(shù)路線。

通過對大量試驗資料綜合分析，充分考慮本研究課題的目的和意義，反復(fù)斟酌后確定評價取沙方案對附近岸灘穩(wěn)定性影響的指標(biāo)和是否可行的原則(見前面1.6節(jié)內(nèi)容)。這些原則在以往的研究中均未系統(tǒng)研究，它們對今后取沙問題研究具有探索性意義。

(2)取沙方案試驗成果分析主要結(jié)論。

取沙西邊界距曹妃甸甸頭以東距離不得小于7 km。

不宜在-7.5 m等深線以上淺灘取沙。

(3)小結(jié)。

在近岸區(qū)取沙是個相當(dāng)敏感的課題，它不僅涉及岸灘穩(wěn)定性問題，還涉及生態(tài)、環(huán)境影響等問題。迄今國內(nèi)外對此課題研究、特別是應(yīng)用物理模型試驗的研究成果甚少[11-12]。本試驗研究帶有探索性意義，研究方法和所得結(jié)論尚需得到更多資料的印證。