楊會利，劉海成，陳漢寶，譚忠華

(交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所 港口水工建筑技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室 工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300456)

全球沙質(zhì)海岸分布很廣，約占全球岸線總長度的13%[1]，海岸帶是海域陸交匯的界限，當(dāng)波浪沖擊海岸時(shí)，會造成岸灘的侵蝕與后退，沙質(zhì)海岸尤為嚴(yán)重。全球70%以上的沙質(zhì)海岸遭到侵蝕[2]。我國大部分岸線屬于沙質(zhì)海岸，海岸侵蝕十分嚴(yán)重，侵蝕速率多在1 m/a以上[3]?，F(xiàn)有的養(yǎng)灘護(hù)沙技術(shù)主要是在海岸建設(shè)堤壩等“硬”工程手段或通過向海灘大量拋沙來解決海岸的侵蝕問題。傳統(tǒng)的養(yǎng)灘護(hù)沙技術(shù)從一定技術(shù)程度上解決了沙灘侵蝕問題，但也存在明顯的不足[4]：一方面“硬”工程在海岸環(huán)境中受到軟泥基礎(chǔ)承載力不足以及堤前沖刷的因素影響，導(dǎo)致工程建設(shè)的成本極高且施工工藝復(fù)雜，向沙灘大量拋沙也存在極大的資金投入，而且后期根據(jù)侵蝕情況需要定期進(jìn)行人工補(bǔ)沙，維護(hù)成本高；另一方面突出水面的堤壩工程會破壞沙灘的自然美感和親水環(huán)境，降低了海濱地區(qū)的旅游資源價(jià)值。

1 掩埋式護(hù)沙管工作原理及結(jié)構(gòu)介紹

飽和海灘比不飽和海灘更易受侵蝕[5]，掩埋式護(hù)沙管養(yǎng)灘護(hù)沙方法是將護(hù)沙管掩埋至灘面以下，漲潮時(shí)海水?dāng)y帶著泥沙涌向沙灘，通過地下掩埋的護(hù)沙管增大海灘的滲透性，增加海水下滲速度，海水?dāng)y帶的泥沙隨著海水下滲慢慢淤積在灘面上，與降低侵蝕相比，增大海灘滲透性可降低含沙水體回流速度，使其所含沙體停留在灘面上[6]，達(dá)到養(yǎng)灘護(hù)沙的效果，其工作原理如圖1所示。

圖1 掩埋式護(hù)沙管工作原理Fig.1 Working principle of buried sand protection pipe

掩埋式護(hù)沙管為土工布包裹的多孔形式，管體的橫截面可以為正方形、圓形或長方形，管體材質(zhì)為塑料、PVC或合成樹脂材料高溫噴絲形成的細(xì)絲，相互纏繞在一起形成的多孔柱體。掩埋式護(hù)沙管結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。掩埋式護(hù)沙管沙灘養(yǎng)灘方法是將護(hù)沙管掩埋在灘面以下，垂直或平行于海岸線方向亦或田字格型式布置于沿波浪破碎帶至波浪最高爬高線的方向間隔設(shè)置[7]。

2-a 掩埋式護(hù)沙管平面示意圖2-b 掩埋式護(hù)沙管側(cè)視圖2-c 掩埋式護(hù)沙管截面圖圖2 掩埋式護(hù)沙管示意圖Fig.2 Schematic diagram of buried sand protection pipe

2 模型試驗(yàn)研究

2.1 模型設(shè)計(jì)

2D模型試驗(yàn)研究在波浪水槽中進(jìn)行，水槽長45 m、寬0.5 m、凈深1.1 m，水槽一端配有可吸收式造波設(shè)備，造波機(jī)后方及水槽另外一端均布置消浪裝置，防止波浪在水槽形成二次反射。

試驗(yàn)研究中主要考慮了掩埋式護(hù)沙管在以波浪為泥沙動力主導(dǎo)條件下的護(hù)沙效果，遵照試驗(yàn)規(guī)程相關(guān)規(guī)定，模型試驗(yàn)需滿足泥沙運(yùn)動相似和波浪運(yùn)動相似，根據(jù)試驗(yàn)場地及試驗(yàn)條件，模型采用正態(tài)模型，確定模型比尺λ=40。模型采用海砂D50=0.239 mm。

試驗(yàn)中掩埋式護(hù)沙管由合成樹脂材料高溫噴絲形成的細(xì)絲相互纏繞在一起形成多孔的柱體，斷面為長方形，截面尺寸為0.3 m×0.5 m，長度1.0 m，外側(cè)包裹土工布。模型試驗(yàn)中護(hù)沙管如圖 3所示。模型中沙灘坡度取為1:18.6，坡度為3.08°，灘面坡底起始點(diǎn)距離造波機(jī)為20 m，具體尺寸詳見圖 4。

圖3 模型試驗(yàn)中掩埋式護(hù)沙管示意圖Fig.3 Schematic diagram of buried sand protection pipe in model test

圖4 試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒贾眉八酱怪本嚯x示意圖(單位：m)Fig.4 Layout of test model and diagram of horizontal and vertical direction

2.2 模型試驗(yàn)條件

根據(jù)我國海域波高分布特點(diǎn)[8-10]，渤海大部分海域波高值小于1.2 m，黃海有效波高為1.2～1.6 m，東海有效波高一般在1.5～2.4 m，南海海浪分布比較復(fù)雜，有效波高為2.0～2.8 m。選取我國海域常見波高及風(fēng)暴潮時(shí)波高值，本模型中選取1.5～4.0 m(原型值，下同)為代表波高，相對應(yīng)周期根據(jù)《港口與航道水文規(guī)范》(JTS 145-2015)表6.4.2選取，模型中波浪采用規(guī)則波，具體波浪條件如表1所示。

表1 試驗(yàn)波浪條件Tab.1 Test wave elements

2.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.3.1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用對比的方法進(jìn)行分析研究，在無護(hù)沙管方案前先進(jìn)行岸灘在不同波浪條件下的坡面穩(wěn)定，待灘面穩(wěn)定后，再安裝掩埋式護(hù)沙管繼續(xù)觀察方案后灘面在相同的波浪條件的變化，然后進(jìn)行對比分析，得出結(jié)論。

在試驗(yàn)研究中，波浪作用時(shí)間采取逐步累積，剖面中沙壩或者沙紋大小穩(wěn)定，位置基本保持不變，泥沙基本不存在從一個(gè)坡度輸運(yùn)到另一坡度的現(xiàn)象，認(rèn)為剖面達(dá)到平衡。模型中水平距離坐標(biāo)零點(diǎn)位于坡腳處，垂直距離零點(diǎn)位于水槽底部，詳見圖 4。

2.3.2 掩埋式護(hù)沙管養(yǎng)灘護(hù)沙效果分析

方案前波浪在岸灘的傳播過程為：由于底摩阻的影響，波浪到達(dá)海灘后波高逐漸減小，但隨著水深進(jìn)一步的減小，波高開始增大，增大到一定程度后達(dá)到極限波高，波浪破碎，破碎后的波浪順著沙灘繼續(xù)向上爬升。在波浪整個(gè)傳播過程中，泥沙運(yùn)動主要集中在破碎帶內(nèi)，破碎帶內(nèi)水體劇烈紊動，將灘沙裹挾在水體內(nèi)，灘沙隨著破碎波水體向上爬升，一部分留在爬升的過程中，一部分灘沙隨回流的水體回到破碎帶附近。停留在爬升階段的灘沙逐漸形成灘肩，形成淤積體；而破碎帶附近的泥沙由于沒有足夠的沙源，出現(xiàn)沖刷。在風(fēng)暴潮波高條件時(shí)，由于波能較大，泥沙會迅速發(fā)生離岸運(yùn)動，岸灘會發(fā)生嚴(yán)重侵蝕，水下也會形成不同高度的沙壩。

圖5-a～5-d給出了不同波高條件下不同試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜁r(shí)間后沙灘剖面變化情況，從圖中可以看出，隨著波高的增大，灘面達(dá)到平衡所需時(shí)間越長，離岸泥沙淤積也逐漸增大，向岸泥沙淤積量逐漸減小；離岸沙壩個(gè)數(shù)增加，高度、范圍也在增大，位置向海移動；相應(yīng)的向岸沙壩高度、范圍在減小，位置向岸移動。

5-a H=1.5 m，T=5.0 s5-b H=2.0 m，T=6.0 s

5-c H=3.0 m，T=7.5 s5-d H=4.0 m，T=9.0 s圖5 無護(hù)沙管方案前不同波浪條件不同時(shí)間沙灘剖面變化Fig.5 The beach profile under various wave conditions without buried pipe

在無護(hù)沙管各波浪條件下灘面穩(wěn)定后，將護(hù)沙管用沙埋置在潮間帶，模型試驗(yàn)中護(hù)沙管長度為1 m，護(hù)沙管埋深50 mm。在相同的波浪條件下對灘面繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)，待灘面基本不再變化判斷為穩(wěn)定。

在不同波浪條件下，方案后與方案前最終平衡剖面變化如表2及圖6所示。從表2及圖6可以看出：岸灘灘肩最大淤積高度、岸灘灘肩最大淤積位置、岸灘最大沖刷深度均隨波高的增大而非單一的增大或減小。從圖6-a可以看出方案后灘肩最大淤積高度都有所增高，尤其在波高2.0 m時(shí)，灘肩最大高度增大最為明顯。從圖中可以看出波高對護(hù)沙管的養(yǎng)灘護(hù)沙作用影響較為明顯，且方案后岸灘灘肩最大淤積位置均向岸有一定程度的移動，說明安裝護(hù)沙管后岸灘寬度均有一定程度的增寬；從圖 6-b可以看出，在波能量較大時(shí)水下會形成很多不同高度的沙壩，雖然沖刷程度增大，但最大沖刷深度可能會隨著波高的增大而減?。话稙┳畲鬀_刷深度離岸距離隨波高增大沒有太明顯的規(guī)律，波高變大后，水面以下沙壩個(gè)數(shù)增多，數(shù)據(jù)中僅統(tǒng)計(jì)了最大沖刷深度的離岸距離，因此規(guī)律性不太明顯。

6-a 不同波浪條件時(shí)灘面最大淤積高度及最大淤積位置變化6-b 不同波浪條件時(shí)灘面最大沖刷深度及離岸距離變化圖6 方案前、后不同波浪條件時(shí)灘面最大淤積及最大沖刷變化Fig.6 Wave conditions influence on the maximum sedimentation and erosion

表2 方案前與方案后灘面變化結(jié)果Tab.2 Results of beach change before and after the scheme

在不同波浪條件下方案前、后剖面變化如圖7-a～7-b所示，從圖中可以看出在不同波浪條件下，安裝掩埋式護(hù)沙管后灘肩最大淤積高度在四種波浪條件下均有不同程度的增高，灘肩最大淤積位置均有向岸移動，但由于下游供沙不足，灘肩的增高及加寬造成下游沖刷有所加劇。在波高1.5 m和2.0 m波浪條件下灘面有所加高加寬，養(yǎng)灘護(hù)沙效果較好，在波高3.0 m及4.0 m波浪作用時(shí)雖灘肩高度有所增大，位置有向岸移動，整體灘面寬度也有所增加，但總體沖刷面積有所增大，因此綜合考慮在波高3.0 m和4.0 m波浪條件作用下掩埋式護(hù)沙管養(yǎng)灘護(hù)沙效果較差。通過埋管前后試驗(yàn)結(jié)果對比可以看出，掩埋式護(hù)沙管增大海灘的滲透性，加快泥沙沉積速度，達(dá)到養(yǎng)灘護(hù)沙的效果。

7-a H=1.5 m，T=5.0 s7-b H=2.0 m，T=6.0 s

7-c H=3.0 m，T=7.5 s7-d H=4.0 m，T=9.0 s圖7 護(hù)沙管安裝前、后剖面變化試驗(yàn)結(jié)果Fig.7 Test results of profile change before and after installation of sand protection pipe

掩埋式護(hù)沙管材料不受氣候影響，適用于條件惡劣的區(qū)域，尤其對于北方有凍融海域的沙灘，且結(jié)構(gòu)簡單，施工后灘面無外露部分，不影響原有沙灘的自然灘面和親水環(huán)境，無需后期養(yǎng)護(hù)，是一種美觀、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)的新型養(yǎng)灘護(hù)沙技術(shù)。

3 結(jié)論

本文通過二維波浪物理模型，在不同波浪條件下通過掩埋式護(hù)沙管安裝前、后灘面變化對比，對掩埋式護(hù)沙管護(hù)灘效果進(jìn)行了分析研究，得到以下結(jié)論：

(1)方案前隨著波高的增大，灘面達(dá)到平衡時(shí)離岸泥沙淤積量逐漸增大，向岸泥沙淤積量逐漸減小；離岸沙壩個(gè)數(shù)增加，高度、范圍也在增大，其位置向岸移動；相應(yīng)的向岸沙壩高度、范圍在減小，其位置向海移動。

(2)方案后在波高1.5 m及2.0 m波浪條件下，護(hù)沙管養(yǎng)灘護(hù)沙效果較好，在波高3.0 m和4.0 m波浪條件下，由于總體沖刷面積增大，護(hù)沙管養(yǎng)灘護(hù)沙效果相對較差。

(3)方案前及方案后波浪條件對灘面的影響均較為明顯，波高越大時(shí)灘面的變化幅度越明顯。方案后波浪條件對灘肩淤積高度的影響更為明顯。

(4)掩埋式護(hù)沙管材料不受氣候影響，適用于條件惡劣的區(qū)域，尤其對于北方有凍融海域的沙灘，且結(jié)構(gòu)簡單，施工后灘面無外露部分，不影響原有沙灘的自然灘面和親水環(huán)境，無需后期養(yǎng)護(hù)，是一種美觀、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)的新型養(yǎng)灘護(hù)沙技術(shù)。