蔣昌波, 鄭 睿, 陳 杰, 鄧 斌, 馮 璐

(1.長沙理工大學水利工程學院,湖南 長沙 410114; 2.水沙科學與水災(zāi)害防治湖南省重點實驗室,湖南 長沙 410114;3.洞庭湖水環(huán)境治理與水生態(tài)修復(fù)湖南省重點實驗室,湖南 長沙 410114)

海嘯是一種極具破壞力的海浪,不僅會引起岸灘的侵蝕和淤積變化[1-3],而且在建筑物周圍產(chǎn)生劇烈的淘刷[4-6],嚴重影響其穩(wěn)定性[7-9]。海堤作為一種常見的海岸防護建筑物,能有效抵擋海嘯災(zāi)害,因此如何減小海嘯引起的海堤局部沖刷問題已成為海岸工程的研究熱點。

近年來,國內(nèi)外學者針對近岸海堤局部沖刷問題開展了大量的研究工作。陳杰等[10-11]對海嘯波作用下直立堤、潛堤局部沖刷規(guī)律進行了研究;Sumer等[12]對防波堤、潛堤周圍的沖刷過程進行了歸納總結(jié),得出了沖刷深度計算經(jīng)驗公式;高學平等[13-14]探討了堤前灘地的沖淤形態(tài)和沖刷機理;龐啟秀等[15]研究了潛堤高度對局部沖刷的影響。這些研究主要分析了波浪與海堤的相互作用。王俊等[16-22]研究發(fā)現(xiàn)植物的消浪緩流特性會改變波浪的破碎和爬高,對岸灘沖淤變化產(chǎn)生較大影響。而現(xiàn)階段綜合考慮植被因素影響下海堤局部沖淤問題的研究較為少見,目前蔣昌波等[23]已開展了植物對孤立波作用下直立堤局部沖刷的試驗研究,發(fā)現(xiàn)植物帶對海堤局部沖刷形態(tài)的影響較大,但尚未對沖淤面積和沖淤平衡點的變化進行深入探討和分析。

為彌補現(xiàn)有研究不足,本文擬在已有的研究基礎(chǔ)上,開展植被區(qū)海嘯波作用下海堤附近床面沖淤變化試驗,探討植物因素對沖淤面積、最大沖淤高度以及沖淤平衡點的影響。

圖1 試驗布置(單位:m)

圖2 植物分布方案

1 試驗方案

試驗在長沙理工大學水利實驗中心波浪水槽內(nèi)進行,水槽長40 m、寬0.5 m、高0.8 m,配有造波系統(tǒng),兩側(cè)為透明玻璃,且兩端設(shè)有良好的消波設(shè)施。試驗布置如圖1所示,沿水槽長度方向為x軸,寬度方向為y軸,高度方向為z軸,坐標原點位于斜坡起點。參考蔣昌波等[23]試驗,將海岸地形簡化為1∶10和1∶20的組合斜坡,并在水深0.35 m處變坡。參考眾多海嘯泥沙試驗[1,4,5,17],模型用沙不考慮比尺效應(yīng),斜坡采用粒徑d為0.293 mm的細顆粒均勻沙,以保證波浪作用下泥沙的起動符合實際情況中泥沙起動的條件。

(1)

式中:Vs為植物分布區(qū)域的體積;V為整個區(qū)域的體積;n為植物根數(shù);Si為單株植物橫截面面積;S為所有植物分布的區(qū)域面積。

試驗工況如表1所示,選用4種不同的孤立波入射波高H,3種不同的植物帶密度φ和植物帶長度B，5種不同的植物模型，其中模型M1、M2、M3按照圖2中方案1分布，模型M4按照方案3分布，模型M5按照方案2分布?？紤]到海嘯波一般是多次侵襲,因此試驗進行多個波逐個作用,當一個波作用過后,15～20 min后待水面平靜再進行下一個波浪作用。通過前期預(yù)備試驗發(fā)現(xiàn),作用15個波后沖刷基本達到平衡狀態(tài),因此每組試驗開始前測量初始地形,并在沖刷15個波之后測量最終地形。試驗開始前對造波機的可靠性和重復(fù)性、地形變化的重復(fù)性、儀器的可靠性進行了驗證。確定各儀器性能良好后,進入正式試驗階段。

表1 試驗工況

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 植物對海堤附近沖淤變化的影響

圖3 有、無植物情況下在海嘯波作用下海堤局部沖淤的變化

圖3給出了有植物(模型M2)與無植物情況下,海堤附近岸灘沖淤形態(tài)變化的對比,其中δ=0.10 m,H=0.15 m。由圖3可以發(fā)現(xiàn),植物的存在使得堤后相對最大沖刷深度顯著減小,堤前岸灘剖面沖刷面積大幅增大,沖刷位置由原堤腳處前移至植物帶所在位置,表明植物的消浪作用對海堤的防護效果較明顯。同時原始地形沖淤量不明顯平衡是由于波浪上爬后回落水流將堤后泥沙挾帶至堤前落淤所致。

表2給出了有、無植物帶時海堤堤前和堤后相對最大淤積高度ddmax、相對最大沖刷深度demax的對比,其中,ω1、ω2分別為植物帶的存在對相對最大沖刷深度、相對最大淤積高度的影響百分比(百分比為正,表示增加;百分比為負,表示減小)。由表2可知,相比無植物情況,植物作用下堤后相對最大淤積高度增加超過98%,海堤附近局部淤積效應(yīng)增強。而植物帶的存在減弱堤后局部沖刷效應(yīng),且減弱的顯著程度隨植物帶分布方式的不同而不同。堤前相對最大沖刷深度則隨植物帶密度的不同而不同,在植物模型M3情況下,由于其沿水流流向上長度最長、植物帶密度最大,因而阻水性能更加顯著,致使相對最大沖刷深度顯著減小。而其他植物模型情況下反而導(dǎo)致堤前相對最大沖刷深度小幅增加(增加均小于30%)。

表2 有、無植物帶時海堤相對最大沖淤高度

2.2 植物對海堤堤前沖淤面積比的影響

如圖3所示,采用無量綱參數(shù)沖淤面積比λ來表征植物因素對海堤堤前淤積沙壩面積與沖刷坑面積變化的影響,計算公式為

(2)

式中:Ad為海堤堤前淤積沙壩的總面積;Ad1、Ad2分別為植物帶前、后淤積沙壩的面積;Ae為堤前沖刷坑的總面積。

圖4(a)和4(b)分別給出了B、φ不同時堤前沖淤面積比λ隨入射波高的變化對比，可以看出,同一植物模型情況下,隨H的增大,λ先增大后逐漸減小。這是因為隨H的增大,波浪挾沙能力增強,經(jīng)過植物帶時由于其消浪作用,導(dǎo)致部分泥沙沉積,淤積面積增大,故λ相應(yīng)增加。但當H增大至0.12 m后,水質(zhì)點運動速度增大,波能急劇增強,大量泥沙啟動,沖刷明顯加劇,故λ減小。當H=0.09 m時,與其他模型相比,植物模型M4的λ明顯偏大,其值與H=0.06 m時相比增大約82%,此情況下堤前淤積最為嚴重。圖4(c)給出了植物模型M5在4種入射波高情況下,不同δ對λ變化的影響。由圖4(c)可見,同一δ下,隨H的增大,λ先增加約85%后逐漸減小。在較大H情況下,δ=0.10 m時,其λ明顯小于δ=0.05 m、0 m時的值,且隨著δ的減小而增大,可見波高較大時δ對堤前床面的沖淤變化影響顯著。

圖4 植物存在對海嘯波作用下堤前沖淤面積比的影響

圖4(d)和4(e)分別給出了4種波高情況下,不同B(φ相同)和不同φ(B相同)的植物模型對λ變化的影響對比。由圖4(d)和4(e)可知,當波高較小時(H=0.06 m、0.09 m),隨B(或φ)的增大,λ先增大后減小,而較大波高情況下(H=0.12 m、0.15 m),λ隨B(或φ)的增大而增大,可見植物因素對λ的影響受到H制約。圖4(f)給出了無海堤情況下H不同時λ隨φ的變化對比,在H=0.06 m、0.12 m時,隨φ的增大,λ呈現(xiàn)先增大后減小現(xiàn)象,而當H=0.09 m時,λ呈相反的變化趨勢,可見無海堤時λ的變化并不依賴于H。

2.3 植物對海堤堤前沖淤平衡點移動的影響

如圖3所示,定義植物帶附近床面由淤積向沖刷過渡的臨界位置點為沖淤平衡點ο,其位置變化可綜合反映植物因素對堤前沖淤動態(tài)平衡的影響。

圖5(a)和5(b)分別給出了B和φ不同時沖淤平衡點ο位置隨波高H的變化對比，可以看出,沖淤平衡點ο移動距離的范圍為0～0.06 m。同一植物模型情況下,隨H增大,點ο先右移后左移。當H=0.15 m時,相較于模型M2、M3、M4,模型M1和M5對應(yīng)的點ο的位置明顯往左移動,沖淤動態(tài)平衡位置前移。圖5(c)給出了模型M5在4種波高情況下,不同δ對沖淤平衡點ο的影響對比，相同δ情況下,隨H增大,點ο均先右移后左移。當H增大至0.12 m后,δ對點ο位置的影響不明顯。當δ=0 m時,由于越堤水體顯著增加,對后續(xù)波浪對地形的沖刷起保護作用,離岸側(cè)地形提前達到?jīng)_淤平衡,故其點ο位置相較于δ=0.1 m、0.05 m明顯右移,且H=0.09 m時,右移量最大為0.45 m。

圖5 植物存在對海嘯波作用下堤前沖淤平衡點位置移動的影響

圖5(d)和5(e)分別給出了4種H情況下,不同B(φ相同)和不同φ(B相同)的模型對點ο位置變化的影響對比。由圖5(d)可知,H相同時,隨B的增大,點ο先右移后左移。當H=0.15 m時,隨B的增大,點ο逐漸右移,且偏移量逐漸增大至0.02 m。由圖5(e)可見,當H=0.06 m、0.09 m時,隨φ的增大,點ο逐漸左移,且偏移量逐漸減小。而當H=0.12 m、0.15 m時,隨φ的增大,點ο先左移后右移?？梢?點ο位置的變化受H和植物因素的綜合影響。圖5(f)給出了無海堤情況下H不同時點ο位置隨φ的變化對比。當H=0.06 m時,隨φ增大,點ο逐漸右移0.01 m；當H增大至0.09 m后,點ο先左移后右移?？芍獰o海堤存在時沖淤平衡點ο的位置變化并不依賴于波高。

3 討 論

由于受海嘯波、植物、泥沙和岸灘等因素的共同影響,植物影響下的海堤附近床面沖淤變化規(guī)律較為復(fù)雜。參考陳杰等[17]的研究,發(fā)現(xiàn)其主要影響因素有海嘯波波高、植物帶密度、植物帶長度、堤頂出水高度、泥沙粒徑、泥沙比重、岸灘坡度等,因此剛性植物對海嘯波作用下海堤局部沖淤規(guī)律可用下式表示:

f(Ae,Ad,χo,H,L,B,δ,φ,d50,γs,γw,tanα)=0

(3)

式中:χο為沖淤平衡點相對水平距離;d50為泥沙中值粒徑;γs為泥沙容重;γw為水的容重;tanα為斜坡坡度。將式(3)中參數(shù)作無量綱變換后可變?yōu)槿缦滦问?

(4)

圖6 堤前沖刷坑、淤積沙壩、沖淤平衡點相對水平位置的尺度與植物、波陡、泥沙和岸灘坡度之間的關(guān)系

式中:Ae/d2為堤前沖刷坑的尺度;Ad/d2為堤前淤積沙壩的尺度;χο/H為沖淤平衡點相對水平位置尺度,以上 3個參數(shù)可用來表征海堤局部沖淤變化的影響;H/L為海嘯波波陡,可用來表征海嘯波水動力的影響;B/L為植物帶相對長度,與植物帶密度φ共同表征植物因素的影響;δ/H為堤頂出水高度尺度,用于表征海堤堤頂出水高度的影響;Sd=γs/γw為泥沙比重,可用來表征泥沙的影響;tanα可用來表征岸灘的影響。

如圖6所示,基于本文的試驗數(shù)據(jù),建立堤前沖刷坑、淤積沙壩以及沖淤平衡點相對水平位置的尺度分別與植物帶長度和密度、海嘯波波陡、堤頂出水高度尺度、泥沙比重和岸灘坡度之間的關(guān)系式(式(5)(6)(7)),趨勢線擬合度分別為 0.86 、0.78和0.98。由于越浪水體上爬后回落,回落水流在海堤周圍產(chǎn)生復(fù)雜的次生流,對岸灘局部的沖淤產(chǎn)生影響,導(dǎo)致考慮δ后擬合度較差。

(7)

其中ζ=tanα/(Sdφ)

由于植物影響下的海嘯波作用下海堤局部沖淤變化非常復(fù)雜,造成部分數(shù)據(jù)點與擬合線偏離較大,但從整體上看成冪函數(shù)關(guān)系。從式(6)可以看出,Ad/d2隨H/L、δ/H和ζ的增大而減小,隨B/L的增大而增大;而Ae/d2則隨H/L和δ/H的增大而減小,隨B/L和ζ的增大而增大。海嘯波引起的岸灘沖刷對海堤的危害巨大,海堤附近沖淤面積的大小是值得關(guān)注的指標,因而此處重點討論。由式(5)(6)可以推求出組次20情況下產(chǎn)生的淤積沙壩面積為6.91 cm2,沖刷坑面積為8.82 cm2。試驗測量得到的淤積沙壩面積為5.63 cm2,沖刷坑面積為8.32 cm2,可見計算值與實測值吻合度較高。因此可由式(5)(6)推測出本試驗沒有開展的部分工況結(jié)果。圖7給出了B=0.5 m、δ=0.1 m,H從3 cm增大至18 cm以及φ分別為0.01、0.0396、0.075 2、0.150 5、0.18、0.2、0.25、0.3時海堤離岸側(cè)沖刷坑尺度和淤積沙壩尺度的計算結(jié)果。由圖7可以看出隨H增大,Ad/d2和Ae/d2都增大。φ從0.01增大至0.150 5,Ae/d2迅速減小65%,Ad/d2增加16%,植物帶的防護效果明顯;當φ繼續(xù)增大至0.3時,Ad/d2和Ae/d2的變化趨于平緩,可見植物帶的防護效果有限。

圖7 堤前沖刷坑、淤積沙壩面積計算值與入射波高、植物密度的關(guān)系

4 結(jié) 論

a. 基于試驗數(shù)據(jù)的分析,分別建立了岸灘沖刷坑、淤積沙壩以及沖淤平衡點相對水平位置的尺度與植物帶長度和密度、海嘯波波陡、堤頂出水高度尺度、泥沙比重和岸灘坡度之間的關(guān)系式,揭示了海堤局部沖淤變化與植物因素、水動力因素、泥沙因素以及岸灘因素之間的內(nèi)在聯(lián)系,可為海堤防護提供一定的有效依據(jù)。

b. 植物帶使得堤后近岸側(cè)相對最大沖刷深度顯著減小,堤前離岸側(cè)沖刷位置由原堤腳處前移至植物帶所在位置,沖刷范圍大幅增大。堤前沖淤面積受入射波高和植物因素的共同影響,同一植物模型下,沖刷坑面積和淤積沙壩面積都隨入射波高H的增大而增加。當H較小時,隨植物帶密度φ(或植物帶長度B)增大,沖淤面積比λ先增大后減小。而H較大時,λ則隨φ(或B)的增大逐漸增大,海堤使得岸灘的局部沖淤變化依賴于波高。

c. 堤前沖淤平衡點ο位置移動范圍為0～0.06 m,合理優(yōu)化植物帶寬度和密度使沖淤平衡點前移,可有效減小堤腳沖刷,增強海堤穩(wěn)定性。