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        規(guī)則波作用下沙質(zhì)岸灘剖面演變研究*

        2020-06-23 02:47:34馮衛(wèi)兵江晨輝
        水運(yùn)工程 2020年6期
        關(guān)鍵詞:沙質(zhì)岸灘沙壩

        吉 立,馮 曦,馮衛(wèi)兵,江晨輝

        (1.海岸災(zāi)害及防護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(河海大學(xué)),江蘇 南京 210098;2.河海大學(xué) 港口海岸與近海工程學(xué)院,江蘇 南京 210098)

        沙質(zhì)海岸約為全球海岸線總長(zhǎng)度的13%,在全球范圍內(nèi)分布廣泛[1]。波浪作用會(huì)對(duì)沙質(zhì)岸灘形態(tài)造成影響。近年來,全球70%的沙質(zhì)岸灘處于不同程度的蝕退狀態(tài),隨著岸灘蝕退進(jìn)程的加快,我國(guó)沿海地區(qū)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)與生態(tài)環(huán)境受到威脅。沙壩的存在會(huì)使波浪在離岸較遠(yuǎn)的地方破碎,具有保護(hù)海岸的作用,沙壩運(yùn)動(dòng)是海岸泥沙運(yùn)動(dòng)的主要表現(xiàn)形式[2]。海岸經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的波浪作用和沙壩運(yùn)動(dòng)后,與波浪形成相對(duì)穩(wěn)定的平衡狀態(tài),即為平衡剖面[3]。研究沙壩運(yùn)動(dòng)和平衡剖面有助于認(rèn)識(shí)海岸的形態(tài)變化,對(duì)于了解海岸長(zhǎng)期的動(dòng)力穩(wěn)定狀態(tài)具有重要的指導(dǎo)意義。

        沙壩運(yùn)動(dòng)是海岸形態(tài)變化的表現(xiàn)形式,平衡剖面是海岸形態(tài)變化的最終歸宿,研究沙壩運(yùn)動(dòng)有助于認(rèn)識(shí)海岸達(dá)到平衡狀態(tài)前的運(yùn)動(dòng)形式。對(duì)于沙壩運(yùn)動(dòng),目前存在2種理論,即強(qiáng)迫響應(yīng)理論[4]和自組織理論[5]。強(qiáng)迫響應(yīng)理論認(rèn)為,沙壩的形成是流體動(dòng)力強(qiáng)制作用的被動(dòng)響應(yīng),波浪破碎會(huì)影響沙壩的離岸位置和高度;而自組織理論則認(rèn)為,海岸剖面形態(tài)本身具有不穩(wěn)定性,任意微小的擾動(dòng)都會(huì)對(duì)其造成影響,其自身不斷發(fā)展最終形成沙壩剖面。

        國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)海岸形態(tài)開展了深入研究:Hsu[6]提出任意角度的波浪均可以使海岸形成平衡剖面,總結(jié)出離岸沙壩運(yùn)動(dòng)的計(jì)算公式;Günaydin[7]在此基礎(chǔ)上研究沙壩在波浪作用下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,系統(tǒng)考慮不同類型的波浪對(duì)沙壩運(yùn)動(dòng)和平衡剖面的影響。隨著對(duì)沙壩運(yùn)動(dòng)認(rèn)識(shí)的提高,許多學(xué)者提出海岸平衡剖面模型,主要包括有Dean模型[8]、Bodge模型[9]、Lee模型[10]、Larson-Kraus模型[11]。國(guó)內(nèi)學(xué)者也對(duì)海岸形態(tài)的變化進(jìn)行了研究:茍大旬等[12-13]對(duì)沙壩的產(chǎn)生和運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行研究,同時(shí)對(duì)海岸剖面的恢復(fù)展開討論;蔣昌波[14]對(duì)不同的波浪動(dòng)力因素下沙質(zhì)岸灘的演變規(guī)律進(jìn)行深入研究。

        本文對(duì)沙質(zhì)岸灘的形態(tài)變化展開研究,綜合考慮水深、周期以及海岸植被對(duì)沙質(zhì)岸灘剖面演變的影響,旨在探究沙質(zhì)岸灘在不同情況下的演變規(guī)律,得出最大沖刷深度、最大淤積深度、沖刷面積和淤積面積的變化情況。

        1 試驗(yàn)概況

        1.1 試驗(yàn)設(shè)備與布置

        試驗(yàn)在河海大學(xué)海工實(shí)驗(yàn)室波浪水槽中進(jìn)行,試驗(yàn)水槽全長(zhǎng)80 m,寬0.5 m,高1.2 m,水槽配有造波系統(tǒng)。試驗(yàn)布置如圖1所示,設(shè)斜坡的起點(diǎn)為原點(diǎn),波浪傳播方向設(shè)為x軸正方向,豎直向上為z軸正方向,建立平面二維坐標(biāo)系。試驗(yàn)中采用DJ800型波高采集系統(tǒng)測(cè)量沿程波高值,采用武漢大學(xué)開發(fā)的URI-IIU型高精度河床模型地形測(cè)量?jī)x進(jìn)行地形剖面測(cè)量。

        圖1 試驗(yàn)布置

        試驗(yàn)采用概化模型,以1:10的單一沙質(zhì)斜坡為岸灘地形,斜坡起點(diǎn)為設(shè)定原點(diǎn),使用中值粒徑0.34 mm、密度2.65 t/m3的天然沙,沙子的不均勻系數(shù)Cu=d60/d10,為1.173,曲率系數(shù)Cc=d30/(d60/d10),為0.995。

        本次試驗(yàn)設(shè)定水深h=30、45和60 cm,周期T=1和2 s,波高H=10 cm,采用光灘和有植被覆蓋2種形式,有植被覆蓋的覆蓋率為9.43%。植被覆蓋方法采用剛性小木桿模擬剛性植物,木桿半徑為0.5 cm,在每100 cm2分布有12根木桿。植被覆蓋實(shí)物與計(jì)算如圖2所示。

        圖2 植被覆蓋(單位:mm)

        試驗(yàn)組次命名方式如下,以水深h=30 cm,周期T=1 s,波高H=10 cm的光灘為例,試驗(yàn)組次命名為GT-h30T1,GT代表光灘,h30代表水深為30 cm,T1代表周期為1 s,因波高均為10 cm,故在此命名方式中不體現(xiàn)波高的大小,植被覆蓋率9.43%的前綴則為ZB,后綴數(shù)字與前面命名方式相同。不同組次試驗(yàn)工況均以此方式命名。需要注意的是,有植被覆蓋時(shí)水深不取h=30 cm條件,因?yàn)樵谟兄脖桓采w的情況下,h=30 cm時(shí)的試驗(yàn)效果不明顯。試驗(yàn)工況如表1所示。

        表1 試驗(yàn)工況

        1.2 試驗(yàn)方法與步驟

        通過預(yù)備試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)波浪作用60 min后岸灘剖面形態(tài)趨于穩(wěn)定,形成平衡剖面。因此,每組試驗(yàn)均進(jìn)行60 min,因波浪在試驗(yàn)水槽中會(huì)形成反射波,故試驗(yàn)中規(guī)則波采用斷續(xù)造波的方式,每次造波1 min后即停止造波,待水面穩(wěn)定后繼續(xù)造波,重復(fù)以上步驟60次,測(cè)量每1 min造波后岸灘的形態(tài)變化。在每組試驗(yàn)結(jié)束后,將沙坡進(jìn)行攪拌并重新鋪設(shè),恢復(fù)原始狀態(tài),再進(jìn)行下一組試驗(yàn)。

        2 試驗(yàn)結(jié)果

        2.1 岸灘形態(tài)變化

        根據(jù)地形數(shù)據(jù),以每10 min為1個(gè)變化周期,繪制0~60 min的岸灘形態(tài)變化(圖3),以期得到岸灘形態(tài)的變化規(guī)律。在圖3中,每10 min的岸灘形態(tài)變化的坡面起點(diǎn)均為0點(diǎn),將每個(gè)時(shí)刻的沙壩峰連接,可以得到沙壩的運(yùn)動(dòng)軌跡,運(yùn)動(dòng)軌跡代表沙壩峰在x方向的運(yùn)動(dòng)。

        圖3 岸灘形態(tài)隨時(shí)間變化

        從圖3可知,沙壩形成后并非靜止不動(dòng),而是隨時(shí)間變化存在離岸和向岸的往復(fù)運(yùn)動(dòng),岸灘存在單一沙壩峰或雙沙壩峰,沙壩峰的位置會(huì)隨著水深和周期的變化而改變。對(duì)于光灘,當(dāng)h=30 cm和h=45 cm時(shí)只存在單一沙壩峰,而當(dāng)h=60 cm時(shí)沙壩出現(xiàn)了雙沙壩峰,且第2個(gè)沙壩峰都位于灘肩處(距坡面起點(diǎn)500 cm處即為灘肩)。對(duì)于植被覆蓋率為9.43%的岸灘,岸灘始終存在雙沙壩峰。當(dāng)植被覆蓋率為9.43%、h=60 cm、T=1 s時(shí),隨著時(shí)間的增大,雙沙壩峰逐漸消失,整個(gè)沙質(zhì)坡面的變化最為平穩(wěn),沙質(zhì)坡面達(dá)到平衡剖面狀態(tài)。

        2.2 影響岸灘形態(tài)變化的因素

        影響岸灘形態(tài)變化的因素有水深、周期等(圖4、5)。

        圖4 水深變化時(shí)岸灘形態(tài)變化

        圖5 周期變化時(shí)岸灘形態(tài)變化

        從圖4可知,對(duì)于光灘面,h=30 cm時(shí)只存在單一沙壩峰,沙壩峰x坐標(biāo)為214 cm,在x=350 cm后沙質(zhì)坡面平穩(wěn);h=45 cm時(shí)岸灘第2個(gè)沙壩峰有出現(xiàn)的趨勢(shì),但不明顯,第1個(gè)沙壩峰高度增加,同時(shí)開始向岸運(yùn)動(dòng),從x=214 cm運(yùn)動(dòng)到x=332 cm處,在x=520 cm后沙質(zhì)坡面平穩(wěn);h=60 cm時(shí),第1個(gè)沙壩峰高度減小,第2個(gè)沙壩峰開始凸顯,兩沙壩峰相對(duì)高度基本一致,在x=660 cm后沙質(zhì)坡面平穩(wěn)。對(duì)于植被覆蓋率為9.43%的情況,h=45 cm和h=60 cm情況下均存在雙沙壩峰,h=60 cm的沙質(zhì)坡面更紊亂。可以發(fā)現(xiàn),隨著水深的增大,單一沙壩峰會(huì)演變成雙沙壩峰,整個(gè)沙質(zhì)坡面越來越紊亂,且對(duì)岸灘的影響也越來越靠岸。

        從圖5可知:對(duì)于光灘,周期的改變對(duì)整個(gè)沙質(zhì)坡面基本無影響,沙壩峰位置基本不變;對(duì)于植被覆蓋率為9.43%的情況,隨著周期的增大,整個(gè)沙質(zhì)坡面變得紊亂,沙壩峰高度增加,對(duì)沙質(zhì)坡面的影響略微靠岸。

        3 植被對(duì)岸灘形態(tài)變化的影響

        為了更清晰地反映植被對(duì)岸灘形態(tài)變化的影響,取灘面相對(duì)變化量Y0=Y最終-Y原始,Y0為正時(shí)代表岸灘淤積,Y0為負(fù)時(shí)代表岸灘沖刷。圖6為光灘和植被覆蓋率9.43%岸灘形態(tài)相對(duì)變化的比較。

        圖6 光灘和植被覆蓋率9.43%時(shí)岸灘形態(tài)相對(duì)變化

        從圖6可知,在h=45 cm、T=1s時(shí),有植被覆蓋情況下岸灘的淤積和沖刷都明顯減小,岸灘淤積的相對(duì)高度從42 cm減小到35 cm,岸灘沖刷的相對(duì)高度從63 cm減小到31 cm,在x=200 cm之前,岸灘整體淤積向離岸方向運(yùn)動(dòng)。h=45 cm、T=2 s時(shí),對(duì)比光灘,有植被情況下岸灘在x=350 cm前基本無明顯變化,但是x=350 cm后岸灘的淤積顯著增大,岸灘的沖刷略微增大,岸灘淤積的相對(duì)高度從39 cm增大到94 cm,岸灘沖刷的相對(duì)高度的絕對(duì)值從41 cm增大到63 cm。h=60 cm、T=1 s和T=2 s時(shí),在有植被覆蓋的情況下,岸灘的淤積和沖刷均減小,但是減小程度不大。

        4 岸灘沖刷與淤積的變化規(guī)律

        根據(jù)岸灘形態(tài)的測(cè)量結(jié)果,通過matlab計(jì)算分析得出最大沖刷深度、最大淤積深度、沖刷面積和淤積面積。表2為不同工況下沖刷與淤積參數(shù)的最終值。

        表2 不同工況下沖刷與淤積參數(shù)最終值

        4.1 最大沖刷深度和最大淤積深度

        圖7為光灘時(shí)0~60 min最大沖刷深度和最大淤積高度的變化,圖8為植被覆蓋率9.43%時(shí)0~60 min最大沖刷深度和最大淤積高度的變化。

        當(dāng)岸灘為光灘時(shí),對(duì)于最大沖刷深度,水深為45 cm、周期為1 s(GT-h45T1)的最大沖刷深度最大,最終值為6.269 cm;水深為60 cm、周期為1 s(GT-h60T1)的最大沖刷深度在前20 min達(dá)到6 cm以上,但隨著時(shí)間的增加,最大沖刷深度逐漸減小,在60 min時(shí)為2.687 cm。其他試驗(yàn)工況下最大沖刷深度呈波動(dòng)狀態(tài),最大沖刷深度的最終值始終在1.8~3.8 cm之間,相差不超過2 cm。

        對(duì)于最大淤積高度,水深為60 cm、周期為2 s(GT-h60T2)的最大淤積高度初始達(dá)到最大,即10 min時(shí)達(dá)到6.368 cm,但是隨著時(shí)間的增加,最大淤積高度逐漸減小,最終值為4.179 cm。對(duì)于光灘時(shí)的6種試驗(yàn)工況,最大淤積高度的最終值始終在3.0~4.2 cm之間,相差不超過1.2 cm。

        圖7 光灘最大沖刷深度和最大淤積高度

        圖8 植被覆蓋率9.43%時(shí)最大沖刷深度和最大淤積高度

        總結(jié)得出,除水深為45 cm、周期為1 s(GT-h45T1)的最大沖刷深度達(dá)到6.269 cm,其余試驗(yàn)工況的最大沖刷深度的最終值相差始終不超過2 cm,最大淤積高度的最終值始終相差不到1.2 cm。

        當(dāng)植被覆蓋率為9.43%時(shí),其變化較大,尤其是水深為45 cm、周期為2 s(ZB-h45T2)試驗(yàn)工況,最大沖刷深度和最大淤積高度的初始值均較小,分別為4.378 cm和3.134 cm。隨著時(shí)間的增加,其最終值分別達(dá)到6.269 cm和9.353 cm。其他試驗(yàn)工況下最大沖刷深度和最大淤積高度變化較小,最終值相差均不超過2 cm。

        4.2 沖刷面積和淤積面積

        圖9為光灘時(shí)0~60 min淤積面積和沖刷面積的變化,圖10為植被覆蓋率9.43%時(shí)0~60 min淤積面積和沖刷面積的變化。

        光灘的沖刷面積和淤積面積隨時(shí)間的變化不大,整體呈波動(dòng)狀態(tài),無明顯的上升或下降。對(duì)于沖刷面積,GT-h45T1試驗(yàn)工況時(shí)最大,GT-h30T1試驗(yàn)工況時(shí)最小,分別為481.35和109.75 cm2。

        圖9 光灘沖刷面積和淤積面積

        圖10 植被覆蓋率9.43%時(shí)沖刷面積和淤積面積

        對(duì)于淤積面積,GT-h45T2試驗(yàn)工況時(shí)最大,GT-h30T1試驗(yàn)工況時(shí)最小,分別為539.19和149.96 cm2。可以發(fā)現(xiàn),無論是沖刷面積還是淤積面積,GT-h30T1試驗(yàn)工況均為最小值。

        當(dāng)植被覆蓋率為9.43%時(shí),ZB-h45T2試驗(yàn)工況時(shí)沖刷面積和淤積面積變化較大,其初始值較小,分別為373.84和364.18 cm2。但是隨著時(shí)間的變化,其最終值均達(dá)到最大,分別為571.73和659.40 cm2,均超過570 cm2。ZB-h45T1試驗(yàn)工況的沖刷面積和淤積面積均為最小,分別為115.43和277.53 cm2。

        當(dāng)水深最小且周期T=1 s時(shí),沖刷面積和淤積面積始終最??;而在周期T=2 s試驗(yàn)工況時(shí),沖刷面積和淤積面積總是較大,除光灘時(shí)水深45 cm、周期1 s(GT-h45T1)試驗(yàn)工況的沖刷面積為最大,其余沖刷面積和淤積面積最大和較大的情況均為周期T=2 s時(shí)。

        5 結(jié)論

        1)在規(guī)則波作用下,沙質(zhì)岸灘會(huì)出現(xiàn)沙壩峰,為單一沙壩峰和雙沙壩峰2種存在形式。隨著水深的增加,沙壩峰從單一沙壩峰變化為雙沙壩峰,整個(gè)沙質(zhì)坡面越來越紊亂,且沙壩峰發(fā)生向岸運(yùn)動(dòng)。周期的增大會(huì)使沙質(zhì)坡面變得紊亂,但整體影響不大。

        2)當(dāng)植被覆蓋時(shí),岸灘的淤積和沖刷均減小,但當(dāng)水深為60 cm時(shí),植被對(duì)岸灘基本無影響。原因如下:①水深過大時(shí),波浪的作用太明顯,已達(dá)到風(fēng)暴潮的效果,植被的影響微乎其微;②植被覆蓋率過小,達(dá)不到維持岸灘平穩(wěn)的效果。

        3)當(dāng)植被覆蓋率為9.43%、水深h=60 cm、T=1 s、H=10 cm時(shí)(ZB-h60T1),隨著時(shí)間的變化,雙沙壩峰逐漸消失,整個(gè)沙質(zhì)坡面的變化最為平穩(wěn),沙質(zhì)岸灘達(dá)到平衡剖面狀態(tài)。

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