王 俊 尤再進(jìn) 梁丙臣

風(fēng)暴浪作用下沙質(zhì)岸灘穩(wěn)定機(jī)制物理模型試驗(yàn)研究*

王 俊1尤再進(jìn)1①梁丙臣2

(1. 大連海事大學(xué)港口與航運(yùn)安全協(xié)同創(chuàng)新中心 遼寧大連 116026; 2. 中國(guó)海洋大學(xué) 山東省海洋工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 山東青島 266100)

近年來(lái)風(fēng)暴潮等海洋災(zāi)害日趨頻發(fā), 沙質(zhì)海岸侵蝕問(wèn)題也愈發(fā)突出, 沙灘穩(wěn)定防護(hù)顯得日益重要。為研究風(fēng)暴浪作用下沙質(zhì)岸灘穩(wěn)定機(jī)制問(wèn)題, 設(shè)計(jì)了一系列的水槽試驗(yàn), 對(duì)風(fēng)暴浪作用下沙質(zhì)岸灘的穩(wěn)定機(jī)制和演變過(guò)程進(jìn)行了錄像觀察和研究分析。試驗(yàn)中采用圖像處理技術(shù), 根據(jù)水和岸灘床面的像素值差異, 對(duì)岸灘整體剖面進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)提取; 對(duì)比和分析了不同入射波高、波周期、水深、岸灘初始坡度以及波高連續(xù)變化下沙質(zhì)岸灘演變過(guò)程。試驗(yàn)結(jié)果表明, 岸灘穩(wěn)定與岸灘初始坡度和沙壩的發(fā)育直接相關(guān), 而波參數(shù)主要影響岸灘擾動(dòng)幅度和沙壩以及前灘侵蝕邊界的位置變化。當(dāng)入射波高連續(xù)變化時(shí), 沙壩迅速響應(yīng)并向離岸遷移。岸灘變化幅值與入射波能流存在明顯正相關(guān)關(guān)系, 波能流越大對(duì)岸灘穩(wěn)定性的危害越大。而水位升高會(huì)增強(qiáng)前灘向岸侵蝕風(fēng)險(xiǎn)。此外, 在本試驗(yàn)尺度下, 前灘以侵蝕為主。當(dāng)岸灘初始坡度小于穩(wěn)定坡度且波陡較小時(shí), 即Dean參數(shù)′較小時(shí), 岸灘才發(fā)生明顯的前灘淤積, 這對(duì)于試驗(yàn)尺度下岸灘恢復(fù)工況研究至關(guān)重要。具體來(lái)說(shuō), 當(dāng)岸灘整體坡度為1:10且前灘坡度達(dá)到1:5～1:2.5時(shí), 岸灘穩(wěn)定性最好, 岸灘形態(tài)最接近最終平衡剖面, 岸灘趨于穩(wěn)定的時(shí)間最短。

岸灘; 水槽試驗(yàn); 初始坡度; 波參數(shù); 穩(wěn)定性; 演變; 圖像處理

沙質(zhì)岸灘作為海岸帶中的黃金海岸, 是優(yōu)質(zhì)的濱海旅游場(chǎng)所, 全球18%和中國(guó)30%的大陸海岸線均為沙質(zhì)岸灘, 有著極其重要的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)價(jià)值。但由于沙質(zhì)海岸地處海陸交互作用地帶, 環(huán)境敏感性較高, 侵蝕風(fēng)險(xiǎn)也尤為突出。我國(guó)作為遭受風(fēng)暴潮災(zāi)害最多的國(guó)家之一, 平均每年有10余次臺(tái)風(fēng)經(jīng)過(guò), 近20年來(lái)近一半年份的經(jīng)濟(jì)損失超過(guò)100億元, 風(fēng)暴潮等自然災(zāi)害所造成的海岸侵蝕問(wèn)題已成為我國(guó)沿海地區(qū)可持續(xù)發(fā)展的嚴(yán)重阻礙(2002～2020年中國(guó)海洋災(zāi)害公報(bào))(中華人民共和國(guó)自然資源部, 2003～2021)。風(fēng)暴潮誘發(fā)的強(qiáng)浪、增水等極端海況作用, 直接導(dǎo)致向岸波浪強(qiáng)度增大(蔣昌波等, 2014, 2017), 原有岸灘平衡受強(qiáng)非線性動(dòng)力過(guò)程破壞, 使得在原有水深較淺的海灘發(fā)生波浪破碎、強(qiáng)烈紊動(dòng), 可在短時(shí)間內(nèi)引起大量泥沙運(yùn)動(dòng), 產(chǎn)生的回流挾帶泥沙離岸運(yùn)動(dòng), 致使岸灘會(huì)出現(xiàn)不可逆的侵蝕。針對(duì)侵蝕海岸線, 進(jìn)行人工補(bǔ)沙和養(yǎng)灘養(yǎng)濱, 詳細(xì)研究波浪作用下岸灘剖面向平衡剖面, 保持沙質(zhì)海岸穩(wěn)定性, 確定人工補(bǔ)沙位置、補(bǔ)沙量、防護(hù)物筑構(gòu)位置等工程問(wèn)題, 均具有十分重要的經(jīng)濟(jì)、生態(tài)和社會(huì)價(jià)值。

從近岸泥沙橫向輸移上看, 一部分流失的泥沙離岸堆積形成沙壩, 抑制向岸侵蝕進(jìn)一步加劇; 一部分受底部回流挾帶傳至深水處, 致使此部分沙灘泥沙完全流失, 如Seymour等(2005)長(zhǎng)期測(cè)量美國(guó)加利福尼亞州南部Torrey Pines State海灘發(fā)現(xiàn), 在2001年11月的一次風(fēng)暴潮后, 近岸391 000 m3泥沙被侵蝕, 只有80%的侵蝕泥沙離岸堆積, 而剩余20%或者相當(dāng)于該沙灘0.06 m平均厚度的泥沙完全流失。同時(shí), 不同區(qū)域的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)研究也從不同角度, 證明了風(fēng)暴潮對(duì)岸灘侵蝕的危害程度(Karunarathna, 2014; 李明杰等, 2015; 蔣昌波等, 2017)。目前對(duì)岸灘現(xiàn)場(chǎng)地形的動(dòng)態(tài)提取較難, 主要難點(diǎn)在于對(duì)岸灘剖面高精度同步測(cè)量, 受現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)方法限制, 對(duì)岸灘研究多基于靜態(tài)統(tǒng)計(jì)分析, 而對(duì)岸灘沖淤演變過(guò)程研究較少。通過(guò)對(duì)大量岸灘實(shí)測(cè)剖面的統(tǒng)計(jì)分析, Dean (1977, 1991)認(rèn)為岸灘平衡剖面主要與泥沙粒徑相關(guān), 并提出Dean平衡剖面預(yù)測(cè)公式。Larson等(1995)指出平衡剖面下, 沙壩體積與入射波有關(guān)。Türker等(2006)發(fā)現(xiàn)岸灘初始坡度不同, 即使粒徑、入射波相同, 岸灘最終平衡剖面也明顯不同。Baldock等(2010, 2011)、蔣昌波等(2015)在實(shí)驗(yàn)水槽內(nèi)研究單色波、雙色波、長(zhǎng)波、波群、隨機(jī)波等不同類型波浪對(duì)岸灘影響。

但是, 由于試驗(yàn)尺度對(duì)測(cè)量精度要求更高, 傳統(tǒng)實(shí)測(cè)方法應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室尺度測(cè)量仍然存在較多問(wèn)題, 尤其對(duì)于破碎區(qū), 傳統(tǒng)侵入式測(cè)量方法通常會(huì)出現(xiàn)信號(hào)缺失等問(wèn)題(Chardón-Maldonado, 2016; Puleo, 2016), 而且導(dǎo)致對(duì)岸灘演變過(guò)程的人為擾動(dòng), 試驗(yàn)研究效果并不理想。因此, 本文通過(guò)視頻圖像分析的方法, 實(shí)現(xiàn)了對(duì)斷面水槽岸灘演變過(guò)程中岸灘剖面數(shù)據(jù)的高精度和無(wú)干擾的動(dòng)態(tài)觀測(cè), 并基于不同工況岸灘剖面實(shí)時(shí)觀測(cè), 探究波參數(shù)和岸灘初始坡度對(duì)沙質(zhì)岸灘穩(wěn)定性和岸灘沖淤趨勢(shì)的重要影響。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)設(shè)備與儀器布置

本文開(kāi)展兩次室內(nèi)水槽試驗(yàn)(試驗(yàn)1和試驗(yàn)2), 分別在山東省海洋工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的兩個(gè)斷面水槽中進(jìn)行, 試驗(yàn)1水槽具體參數(shù)為: 水槽總長(zhǎng)為60 m, 除去造波段和消波段水槽實(shí)際試驗(yàn)長(zhǎng)約50 m、寬3 m、高1.5 m。為方便試驗(yàn)過(guò)程觀測(cè)監(jiān)控, 水槽兩側(cè)分別由28塊寬1.4 m、高1.4 m的透明鋼化玻璃組成, 為保證水槽側(cè)壁強(qiáng)度, 玻璃四周由寬0.1 m的鋼筋條固定。試驗(yàn)2水槽總長(zhǎng)為30 m, 除去造波段和消波段水槽實(shí)際試驗(yàn)長(zhǎng)約28 m、寬0.6 m、高1.0 m, 與試驗(yàn)1水槽相似, 水槽兩側(cè)分別由23塊寬1.2 m、高1.0 m的透明玻璃組成, 每塊玻璃由寬0.1 m的鋼筋條固定并兩兩相連。

本文試驗(yàn)均選用平直均勻坡度岸灘作為初始剖面, 在不同坡度下, 波浪破碎類型、地形演變趨勢(shì)以及爬坡特點(diǎn)均不相同, 特別是沖瀉區(qū)作為最大爬高與最大落深之間區(qū)域, 其最大落深在耗散型岸灘中高于波浪增水, 反射型岸灘中低于波浪增水。在試驗(yàn)1中, 前灘選取1:5和1:15兩種坡度, 前灘頂高均為0.8 m, 坡頂布置高0.5 m坡度為1:3的陡坡延伸段(水平長(zhǎng)度1.5 m), 用以模擬自然岸灘上端沙丘, 模型末端頂高為1.3 m; 水平方向從距造波機(jī)14.5 m處向岸布置10個(gè)波高儀, 20個(gè)壓力傳感器, 4個(gè)聲學(xué)多普勒流速儀(acoustic doppler velocimetry, ADV); 由于試驗(yàn)為動(dòng)床底床, 部分工況在試驗(yàn)過(guò)程中, 底床在破碎區(qū)形成沙壩而抬高, 底床在沖瀉區(qū)出現(xiàn)侵蝕而降低, 為在試驗(yàn)中更接近沖瀉區(qū)水動(dòng)力測(cè)量, 傳感器具體位置會(huì)隨每種工況的變化而進(jìn)行具體調(diào)整, 試驗(yàn)岸灘模型及傳感器大致布置方式如圖1a所示。本文的試驗(yàn)2在試驗(yàn)1基礎(chǔ)上, 引入=1:5,=1:7,=1:10,=1:12,=1:15多種岸灘坡度, 詳細(xì)探究岸灘初始坡度對(duì)岸灘沖淤趨勢(shì)和平衡穩(wěn)定速度影響, 水平方向從距造波機(jī)18.25 m處向岸布置5個(gè)波高儀, 2個(gè)ADV, 具體儀器布置如圖1b。

試驗(yàn)波高儀及壓力傳感器采用中交天津港灣工程研究院生產(chǎn)電容式波高儀、空隙壓力傳感器, 傳感器與DS-30型智能測(cè)波儀及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)配合工作, 該采集系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理等多項(xiàng)功能, 可以滿足波浪試驗(yàn)中數(shù)據(jù)采集的各種要求, 采樣頻率可控, 試驗(yàn)中采用20 Hz進(jìn)行測(cè)量。流速儀采用Nortek公司開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)的小威龍流速儀, 測(cè)量精度可達(dá)±1 mm/s, 采樣頻率可控(1～200 Hz), 試驗(yàn)中采樣頻率為50 Hz。為方便試驗(yàn)描述, 將試驗(yàn)水槽建立為二維笛卡兒坐標(biāo)系, 以造波機(jī)與水槽底部相交處位置作為坐標(biāo)軸原點(diǎn)以波浪傳播方向?yàn)檩S正方向, 以水深增加方向?yàn)檩S正方向。

本試驗(yàn)中采用PointGrey公司生產(chǎn)的高速工業(yè)相機(jī), 相機(jī)分辨率2 048×2 048, 幀率可調(diào), 對(duì)試驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行側(cè)向觀測(cè), 并采用圖像處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)岸灘剖面和自由液面實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)提取。側(cè)向相機(jī)觀測(cè)系統(tǒng)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)布置如圖2所示。在試驗(yàn)中, 在較高懸沙濃度的情況下, 為提高觀測(cè)區(qū)域水沙交界面的分辨效果, 在相機(jī)觀測(cè)區(qū)域正上方布置探照燈, 對(duì)觀測(cè)區(qū)域進(jìn)行打光。

1.2 試驗(yàn)工況

試驗(yàn)1和試驗(yàn)2分別選取中值粒徑為50=0.21、0.36、1.07和0.21 mm, 涵蓋了細(xì)砂(0.10～0.25 mm)、中砂(0.25～0.5 mm)、粗砂(0.5～2 mm)三種類型自然砂進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)1包括50=0.21、0.36、1.07 mm (粗、中、細(xì))三種中值粒徑試驗(yàn)沙, 試驗(yàn)2采用中值粒徑50=0.21 mm (細(xì)砂)進(jìn)行試驗(yàn), 由于試驗(yàn)為均勻沙輸運(yùn)機(jī)理研究, 試驗(yàn)沙分選度分別為1.26 (試驗(yàn)1:50=0.21 mm)、1.24 (試驗(yàn)1:50=0.21 mm)、1.43 (試驗(yàn)1:50=0.21 mm)和1.12 (試驗(yàn)2:50=0.21 mm), 均處于較好分選度的范圍, 表明模型沙顆粒比較均勻, 且為方便視頻觀測(cè)和分析, 泥沙經(jīng)過(guò)精細(xì)篩選且在加入水槽試驗(yàn)前先用水清洗干凈并烘干, 排除雜質(zhì)對(duì)試驗(yàn)觀測(cè)影響。

圖1 試驗(yàn)布置示意圖

注:表示岸灘坡度角; tan表示岸灘坡度, tan=1:5/1:15表示1:5和1:15兩種坡度; STL表示靜水位, 0.5/0.7 m表示0.5 m和0.7 m兩種水深

圖2 試驗(yàn)中相機(jī)觀測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)布置

試驗(yàn)以規(guī)則波為主, 以便詳細(xì)對(duì)比分析不同動(dòng)力參數(shù)對(duì)岸灘影響規(guī)律。依據(jù)實(shí)驗(yàn)室造波機(jī)的性能參數(shù), 試驗(yàn)1選取0.1和0.2 m兩種波高, 1.2、2.1、3.0 s三種周期進(jìn)行試驗(yàn)。考慮到模型前灘頂高0.8 m, 沙丘頂高1.3 m, 試驗(yàn)選取兩種0.5和0.7 m兩種概化水位, 0.5 m水位代表低潮時(shí)的情況, 通常情況下波浪上沖過(guò)程難以對(duì)沙丘造成影響, 沙丘形態(tài)和體積變化概率較小; 而0.7 m代表高潮水位(風(fēng)暴增水), 沙丘底標(biāo)高距離靜水位只有0.1 m, 在波浪爬高的作用下很容易對(duì)沙丘產(chǎn)生影響, 此時(shí)沙丘形態(tài)和體積變化概率較大。同時(shí), 根據(jù)造波機(jī)沖程與輸出波高之間關(guān)系, 如公式(1)所示, 通過(guò)對(duì)造波機(jī)沖程控制, 保持周期不變, 成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)風(fēng)暴潮期間波浪強(qiáng)度遞增、遞減連續(xù)變化過(guò)程, 使波高進(jìn)行先遞增后平衡最后遞減的變化趨勢(shì), 模擬風(fēng)暴浪變化過(guò)程。整個(gè)風(fēng)暴浪過(guò)程, 包括20 min波高連續(xù)遞增, 20 min波高平衡, 20 min波高遞減, 總計(jì)1 h (Wang, 2020):

其中, H為造波機(jī)輸出波高, P為造波機(jī)沖程, 波數(shù)k是水深的函數(shù)(You, 2008), d為水深。由于不同坡度岸灘對(duì)造波機(jī)二次反射差異, 相同造波機(jī)沖程下, 相較于S=1:15坡度岸灘, S=1:5坡度岸灘由于坡度陡, 對(duì)波浪反射作用更為顯著, 進(jìn)而對(duì)造波機(jī)二次反射問(wèn)題也更為明顯, 而S=1:15坡度岸灘由于坡度緩, 大部分波能在破浪近岸淺化、破碎以及上爬過(guò)程中耗散掉,對(duì)造波機(jī)二次反射問(wèn)題較S=1:5坡度岸灘弱很多, 因此, S=1:15坡度岸灘中實(shí)際測(cè)得波高變化過(guò)程更接近于理想變化過(guò)程(圖3)。

由于岸灘整體演變過(guò)程較慢, 試驗(yàn)1過(guò)程中當(dāng)波浪作用1 h后岸灘演變速率明顯減弱, 甚至部分工況岸灘相對(duì)穩(wěn)定, 認(rèn)為岸灘已趨近于平衡, 試驗(yàn)1造波時(shí)長(zhǎng)均在1 h左右。因此, 在保障試驗(yàn)中岸灘達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)的條件下, 考慮試驗(yàn)周期成本, 試驗(yàn)中各工況造波時(shí)間均控制在1 h左右。在每組試驗(yàn)結(jié)束后, 均進(jìn)行人工地形復(fù)原, 保證初始地形為相同的1:5或1:15均勻坡度?；谠囼?yàn)2試驗(yàn)水槽造波條件, 選取1.0、1.5、1.8 s三種周期和0.14、0.17 m兩種波高進(jìn)行規(guī)則波常浪組合。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)1結(jié)果初步分析, 岸灘初始坡度對(duì)岸灘演變趨勢(shì)和穩(wěn)定性都有明顯影響, 且規(guī)則波作用1 h后岸灘形態(tài)仍呈現(xiàn)明顯變化趨勢(shì)。為此, 試驗(yàn)2詳細(xì)研究了不同岸灘初始坡度對(duì)岸灘演變特征影響, 并通過(guò)增加規(guī)則波作用時(shí)長(zhǎng), 更準(zhǔn)確探究岸灘平衡演變過(guò)程。本文實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),=1:10,=1:12,=1:15初始坡度可較快達(dá)到穩(wěn)定, 常浪作用時(shí)長(zhǎng)為8 h左右, 而對(duì)于=1:5、=1:7初始坡度岸灘穩(wěn)定速度較慢, 常浪作用時(shí)長(zhǎng)為20～40 h。此外, 針對(duì)風(fēng)暴潮過(guò)程中強(qiáng)浪、增減水等極端海況作用下向岸波浪強(qiáng)度和水位變化, 岸灘侵蝕、風(fēng)暴潮后岸灘恢復(fù)再平衡整個(gè)動(dòng)態(tài)演變過(guò)程, 對(duì)比風(fēng)暴潮對(duì)岸灘突變特變作用特點(diǎn), 試驗(yàn)2也增加了“常浪-風(fēng)暴潮-常浪”工況, 探討常浪作用平衡岸灘在風(fēng)暴潮作用下沖淤演變特點(diǎn)及風(fēng)暴后常浪再恢復(fù)過(guò)程。水深設(shè)置方面選擇0.46 m為常浪水深和0.56 m為風(fēng)暴潮高水深, 風(fēng)暴潮增減水的三個(gè)演變過(guò)程(0.46 m-0.56 m-0.46 m)。風(fēng)暴潮由1 h增水-1 h高水位-1 h減水過(guò)程組成, 共計(jì)造波時(shí)長(zhǎng)3 h。試驗(yàn)1和試驗(yàn)2工況具體見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)波浪工況

Tab.1 Specifications of the wave cases

注: “–”表示緩變過(guò)程

為了方便本文的工況注釋, 分別采用G代表粗砂、M代表中砂、F代表細(xì)砂; S05、S07、S10、S12、S15分別代表初始坡度=1:5、=1:7、=1:10、=1:12、=1:15岸灘; 同理, H10、H14、H20分別代表波高=0.1 m、=0.14 m、=0.2 m; T10、T12、T15、T21分別代表波周期=1.0 s、=1.2 s、=1.5 s、=2.1 s; d4、d5、d7分別代表試驗(yàn)水深=0.46 m、=0.5 m、=0.7 m。基于以上的工況注釋, MS15H10T21d5代表試驗(yàn)1中的一種工況為: M中砂50=0.36 mm, 岸灘初始坡度=1:15, 波高=0.1 m, 波周期=2.1 s, 試驗(yàn)水深=0.5 m, 而FS05H14T15d4代表試驗(yàn)2中工況: F細(xì)砂50=0.21 mm, 岸灘初始坡度=1:5, 波高=0.14 m, 波周期=1.5 s, 試驗(yàn)水深=0.46 m。

2 沙灘剖面數(shù)據(jù)采集

常用地形觀測(cè)方法主要基于超聲波、聲吶、激光等原理, 其中超聲波底床傳感器(acoustic displacement sensor, ADS)是底床高程實(shí)時(shí)觀測(cè)的主要方法, 但該方法為單點(diǎn)侵入式測(cè)量, 為獲得更高的空間分辨率, 需要布置足夠多的傳感器, 必然會(huì)影響觀測(cè)區(qū)域流場(chǎng)且存在信號(hào)缺失等問(wèn)題, 特別對(duì)于試驗(yàn)尺度下破碎區(qū)和沖瀉區(qū)地形測(cè)量(Puleo, 2016)。Atkinson等(2016)將激光雷達(dá)應(yīng)用于試驗(yàn)尺度下底床剖面實(shí)時(shí)掃描中, 此方法可以透過(guò)水介質(zhì)進(jìn)行非侵入實(shí)時(shí)剖面測(cè)量, 但地形掃描過(guò)程中, 仍存在測(cè)量不同步的缺點(diǎn)。因此, 一種高精度非侵入式、適用于試驗(yàn)尺度的剖面動(dòng)態(tài)測(cè)量方法亟待開(kāi)發(fā)?；谏鲜鰡?wèn)題, 本試驗(yàn)采用一種相機(jī)(攝像機(jī))結(jié)合斷面水槽的岸灘剖面實(shí)時(shí)觀測(cè)方法。該方法以圖像處理技術(shù)為核心, 通過(guò)對(duì)側(cè)向觀測(cè)相機(jī)拍照進(jìn)行逐幀圖像處理, 實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)岸灘剖面的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)提取, 相機(jī)幀率10 幀/s, 分辨率2 048×2 048, 主要流程包括:

(1) 相機(jī)標(biāo)定: 通過(guò)對(duì)打印好的黑白棋盤進(jìn)行多角度拍照, 提取每張標(biāo)定圖片的角點(diǎn)信息, 求得相機(jī)自身的內(nèi)參矩陣, 去除每臺(tái)相機(jī)成像畸變, 將原有扭曲圖像展平, 并基于提前布置好的校正點(diǎn), 建立圖像內(nèi)像素點(diǎn)的空間位置校正關(guān)系, 如圖4所示。

(2) 像素點(diǎn)空間校正: 試驗(yàn)前在相機(jī)拍攝范圍內(nèi)的水槽玻璃側(cè)壁平行布置4～6個(gè)黑白方格, 并以方格中心作為校正點(diǎn), 其中水平方向2個(gè), 垂向2～3個(gè), 校正點(diǎn)之間橫向距離為1或2 m, 垂向距離為0.8 m。基于提前布置好的校正點(diǎn), 建立圖像內(nèi)像素點(diǎn)的空間位置校正關(guān)系(圖4)。

(3) 圖像后處理分析: 邊界識(shí)別算法的優(yōu)化和程序編寫(xiě), 基于水、沙、氣介質(zhì)像素值的差異, 實(shí)現(xiàn)了岸灘剖面和自由液面的同步提取(圖5)。為保障數(shù)據(jù)可靠性, 通過(guò)本文岸灘演變?cè)囼?yàn)剖面動(dòng)態(tài)觀測(cè)方法測(cè)量岸灘剖面和自由液面數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)觀測(cè)儀器全站儀和波高儀數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比(圖6), 二者數(shù)據(jù)基本吻合數(shù)據(jù)可靠。進(jìn)一步展現(xiàn)了圖像觀測(cè)技術(shù)在岸灘演變?cè)囼?yàn)中的應(yīng)用前景, 保障了地形數(shù)據(jù)和水動(dòng)力數(shù)據(jù)的同步性。

圖4 校正網(wǎng)格照片及交點(diǎn)處像素提取

注: 括號(hào)中的數(shù)字表示黑白格中心點(diǎn)在空間坐標(biāo)系實(shí)際坐標(biāo)(單位: m)

圖5 圖像處理校正流程

由于試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)較長(zhǎng)(每組工況均保持1 h以上波浪作用), 為節(jié)省存儲(chǔ)空間, 相機(jī)幀率調(diào)至10幀/s, 該幀率完全滿足在試驗(yàn)設(shè)計(jì)工況下, 波周期內(nèi)采樣次數(shù)大于10的基本要求。此外, 由于試驗(yàn)獲得圖像分辨率為2 048(垂直)×2 048(水平), 根據(jù)不同初始坡度岸灘中相機(jī)水平觀測(cè)范圍, 如=1:5、=1:10岸灘模型每臺(tái)相機(jī)觀測(cè)范圍為2.6 m, 而=1:7、=1:12、=1:15岸灘模型每臺(tái)相機(jī)觀測(cè)范圍為3.5 m, 因此, 試驗(yàn)岸灘剖面空間分辨率為1.2 mm (=1:5、=1:10岸灘模型)和1.7 mm (=1:7、=1:12、=1:15岸灘模型)。

3 結(jié)果及分析

在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)條件下, 定量對(duì)比分析不同海況影響下岸灘響應(yīng)差異研究往往較難, 主要有兩個(gè)主要原因: 自然條件下岸灘初始地形無(wú)法保證一致,波參數(shù)、靜水面高度等動(dòng)力參數(shù)不穩(wěn)定。且由于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)技術(shù)限制, 往往較難獲取岸灘演變過(guò)程中實(shí)時(shí)剖面數(shù)據(jù)提取。而在室內(nèi)試驗(yàn)條件下, 能夠通過(guò)控制水動(dòng)力參數(shù)和地形參數(shù)變量, 全面分析泥沙粒徑、岸灘初始坡度、沙壩發(fā)育等地形參數(shù)以及波高、波周期、水深等水動(dòng)力參數(shù)對(duì)沙質(zhì)岸灘橫向沖淤影響規(guī)律, 詮釋不同水動(dòng)力參數(shù)和地形參數(shù)組合條件下近岸剖面演變過(guò)程的穩(wěn)定機(jī)制。

圖6 圖像觀測(cè)方法實(shí)測(cè)剖面以及自由液面數(shù)據(jù)與全站儀和波高儀測(cè)量驗(yàn)證效果

3.1 波浪要素對(duì)沙灘演變影響

初始坡度均勻的沙質(zhì)海灘剖面在波浪作用下, 懸浮大量泥沙, 隨波浪作用定向輸移, 剖面快速響應(yīng),經(jīng)過(guò)充分長(zhǎng)時(shí)間恒定波浪作用后, 地形演變速度會(huì)逐漸減緩, 此時(shí)海灘形態(tài)與入射波條件相互適應(yīng), 岸灘逐漸趨于穩(wěn)定, 地形不再明顯變化或在某一穩(wěn)定狀態(tài)往復(fù)波動(dòng), 此時(shí)海灘剖面達(dá)到平衡剖面?；谠囼?yàn)1和試驗(yàn)2規(guī)則波試驗(yàn)數(shù)據(jù), 本文對(duì)不同入射波高、波周期及水深影響下, 岸灘演變特征進(jìn)行了對(duì)比分析。

根據(jù)規(guī)則波試驗(yàn)剖面和底床相對(duì)初始高程變化, 如圖7～9, 其中, 每組工況圖上、中、下分別表示每分鐘岸灘剖面時(shí)程變化和等間隔不同時(shí)刻岸灘剖面對(duì)比以及實(shí)時(shí)床面相對(duì)于初始床面變化量, 其中上窗口3D圖中剖面時(shí)間步長(zhǎng)1 min, 隨時(shí)間變化剖面顏色由淺灰色變?yōu)樯詈谏? 而下窗口實(shí)時(shí)床面高程變化圖中藍(lán)色表示床面侵蝕深度, 紅色表示床面淤積高度。恒定入射波作用下, 均勻坡度人工岸灘以沙壩為界, 岸灘剖面呈明顯的單調(diào)性變化, 即前灘以侵蝕為主, 前灘侵蝕的泥沙在離岸淺水區(qū)不斷堆積, 致使淺水區(qū)和外破碎區(qū)床面不斷抬高, 形成沙壩, 且隨波浪持續(xù)作用, 前灘侵蝕不斷加劇, 沙壩不斷離岸遷移生長(zhǎng), 隨著沙壩發(fā)育發(fā)展, 沙壩逐漸發(fā)揮對(duì)前灘的保護(hù)作用, 前灘侵蝕速率明顯減緩, 岸灘逐漸趨于穩(wěn)定,所以, 試驗(yàn)中前灘變化幅度最大的階段往往出現(xiàn)在試驗(yàn)開(kāi)始階段, 沙壩的發(fā)育發(fā)展對(duì)岸灘剖面穩(wěn)定性至關(guān)重要。

如圖8所示, 與不同波高影響下岸灘演變情況相似, 不同入射波周期下, 岸灘穩(wěn)定后也呈現(xiàn)沙壩型剖面特點(diǎn), 岸灘總體呈現(xiàn)岸灘持續(xù)向岸侵蝕范圍且垂向侵蝕深度增大、坡腳淺水區(qū)淤積并形成明顯沙紋以及沙壩離岸運(yùn)動(dòng)并沙壩逐漸抬高等現(xiàn)象, 前灘向岸侵蝕范圍以及淺水區(qū)床面擾動(dòng)均隨波周期增大而增大。當(dāng)波周期增大時(shí), 由于波周期較大, 波陡較小, 波浪不易破碎, 相同岸灘初始坡度下, 破碎點(diǎn)隨波周期增大而向岸移動(dòng), 岸灘穩(wěn)定后沙壩位置也隨破碎點(diǎn)向岸移動(dòng)更趨于向岸方向, 如圖8a～8d。對(duì)比前灘侵蝕體積、向岸侵蝕距離以及淺水區(qū)床面擾動(dòng)情況, 波高和波周期影響符合能量變化, 即當(dāng)波高波周期較大時(shí),單位波長(zhǎng)波能更大, 對(duì)岸灘整體擾動(dòng)更劇烈,對(duì)前灘侵蝕風(fēng)險(xiǎn)也更大, 岸線蝕退距離也更大。

注:50表示試驗(yàn)沙中值粒徑,表示波高,表示波周期,表示水深,表示岸灘初始坡度,表示試驗(yàn)時(shí)間

已有研究表明海平面上升或靜水面位置變化是引起海岸動(dòng)力作用強(qiáng)度不同是破壞岸灘穩(wěn)定的另一個(gè)重要因素。目前普遍認(rèn)為, 海平面上升主要通過(guò)兩種方式引起岸灘侵蝕問(wèn)題, 一種是海平面上升直接淹沒(méi)原有陸地, 使侵蝕基面升高, 造成岸線的整體侵退, 向岸侵蝕距離增大; 另一種為海平面上升, 原有水深改變, 原始淺水區(qū)水深升高, 近岸動(dòng)力條件增強(qiáng), 原有海岸水沙平衡被破壞, 加劇了岸線的侵蝕, 沙丘侵蝕體積增大(蔣昌波等, 2017)。如圖9所示, 本試驗(yàn)不同水位下岸灘演變也存在相同特點(diǎn), 不同水位下, 岸灘整體變化特征基本一致, 主要區(qū)別在于沙壩位置和前灘侵蝕距離的變化, 此外, 沙壩附近灘面淤積高度也存在差異。由于岸灘初始坡度=1:5, 當(dāng)水位=0.7 m較大時(shí)(圖9b), 與=0.5 m相比(圖9a), 水位升高0.2 m后, 靜水面與岸灘交界面向岸移動(dòng)了約1 m, 而穩(wěn)定后前灘侵蝕范圍也隨之明顯增大, 侵蝕岸線也增加了約1 m, 同時(shí), 由于水深增大, 原破碎點(diǎn)附近當(dāng)?shù)厮钭兇? 波浪破碎滯后, 破碎點(diǎn)也向岸移動(dòng), 更多波能可作用至更遠(yuǎn)的向岸區(qū)域, 可能導(dǎo)致更多前灘泥沙流失, 因此除岸灘穩(wěn)定后沙壩位置明顯向岸移動(dòng)外, 沙壩附近床面抬高高度也更大, 表明更多前灘侵蝕泥沙離岸堆積, 水位增大后對(duì)岸線破壞風(fēng)險(xiǎn)增大, 進(jìn)一步驗(yàn)證了已有研究。

通過(guò)將上文不同波參數(shù)下岸灘剖面穩(wěn)定特征進(jìn)行對(duì)比, 可認(rèn)為在與本試驗(yàn)相近的中小尺度水槽內(nèi), 波參數(shù)差異對(duì)岸灘橫向沖淤關(guān)系和穩(wěn)定后岸灘剖面特征影響較小, 當(dāng)岸灘初始坡度≥1:10較陡時(shí)(具體見(jiàn)3.2節(jié)), 相同岸灘初始坡度下, 岸灘平衡剖面特征基本一致, 均呈現(xiàn)前灘侵蝕、岸線蝕退同時(shí)前灘侵蝕泥沙離岸淤積, 岸灘穩(wěn)定后均呈現(xiàn)出明顯的沙壩型剖面特點(diǎn), 波參數(shù)變化對(duì)岸灘影響主要表現(xiàn)于對(duì)岸灘床面擾動(dòng)幅度、沙壩特征、前灘侵蝕強(qiáng)度以及岸線蝕退位置變化, 岸灘穩(wěn)定后沙壩位置變化趨勢(shì)與波參數(shù)導(dǎo)致的破碎點(diǎn)位置變化趨勢(shì)一致, 即破碎點(diǎn)位置直接決定岸灘穩(wěn)定后沙壩位置。

3.2 岸灘初始坡度對(duì)沙灘演變影響

本節(jié)針對(duì)不同岸灘初始坡度岸灘穩(wěn)定性問(wèn)題, 對(duì)比分析岸灘初始坡度由=1:5到=1:15變化時(shí), 岸灘剖面向平衡狀態(tài)演變過(guò)程, 如圖10所示。雖然波況、泥沙粒徑均與試驗(yàn)1不同, 但試驗(yàn)2和試驗(yàn)1中初始坡度=1:5岸灘均呈現(xiàn)相同的岸灘沖淤變化規(guī)律, 如圖10a中=59 min時(shí)刻岸灘剖面與試驗(yàn)1中初始坡度=1:5岸灘剖面穩(wěn)定特征相似, 均呈現(xiàn)前灘侵蝕岸線明顯蝕退, 在水下破碎點(diǎn)附近產(chǎn)生大幅度淤積, 形成明顯的沙壩型剖面, 同時(shí), 波浪作用前期岸灘剖面變化速率最快, 隨著離岸沙壩形成, 岸線侵蝕速度明顯變緩。相較于試驗(yàn)1波浪作用時(shí)間較短, 試驗(yàn)2波浪作用時(shí)間更長(zhǎng), 可更明顯地看出反射型剖面(初始坡度較陡)向平衡狀態(tài)的調(diào)整過(guò)程, 前灘侵蝕泥沙首先在破碎點(diǎn)淤積形成沙壩, 但此時(shí)岸灘遠(yuǎn)遠(yuǎn)未達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài), 沙壩并不穩(wěn)定, 前灘侵蝕的泥沙可隨著沙壩迎浪面越來(lái)越陡進(jìn)一步離岸淤積, 此處盡管水深較大、波浪未破碎, 波浪作用明顯較弱, 但在重力和波浪共同作用下, 泥沙會(huì)不斷向海流失堆積, 致使起坡點(diǎn)也不斷向海延伸, 這個(gè)過(guò)程時(shí)間歷程較長(zhǎng), 因此, 在試驗(yàn)1中并未觀測(cè)到, 特別當(dāng)岸灘初始坡度較陡時(shí), 如=1:5和=1:7。在前灘侵蝕和侵蝕泥沙離岸堆積起坡點(diǎn)向海延伸的共同作用下, 整個(gè)岸灘剖面坡度不斷變緩。雖然在波浪作用60 min后, 得益于離岸沙壩的防護(hù)作用, 整個(gè)剖面變化明顯放緩, 但整個(gè)岸灘仍處于侵蝕狀態(tài), 岸線不斷后移。

隨著岸灘初始坡度變緩, 相同波況下, 當(dāng)岸灘初始坡度為=1:7時(shí), 岸灘剖面整體沖淤特性基本與=1:5時(shí)相同, 如圖10b所示, 仍為前灘侵蝕, 侵蝕泥沙在離岸淺水區(qū)堆積形成沙壩與床面抬高, 淤積范圍在持續(xù)波浪作用下逐漸擴(kuò)大, 大量泥沙向坡腳運(yùn)動(dòng), 造成剖面底部高程增大, 坡腳向海延伸, 最大淤積高度0.1 m。但相較于初始坡度=1:5岸灘, 岸灘變化幅值明顯減弱, 最大沖刷深度變?yōu)?.18 m, 岸灘在1 000 min (17 h左右)后更快達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。

當(dāng)岸灘初始坡度進(jìn)一步變緩至=1:10時(shí), 相同波況作用下, 岸灘剖面變化程度以及岸線區(qū)域趨于穩(wěn)定效率明顯提高, 岸線侵蝕以及坡腳位移明顯減小, 表明該坡度岸灘剖面已經(jīng)比較接近于平衡剖面坡度。如圖8b, 與初始坡度=1:5、=1:7岸灘變化相似, 前灘產(chǎn)生劇烈侵蝕, 表現(xiàn)為沙壩向岸方向沖刷槽的形成和岸線蝕退, 最大沖刷深度進(jìn)一步減小至0.16 m, 但與初始坡度=1:5、=1:7岸灘變化形成顯著差異是, 雖然前灘出現(xiàn)明顯侵蝕并導(dǎo)致岸線后退, 但在岸線向岸側(cè)(≈5.7 m,<300 min)同時(shí)出現(xiàn)了少量淤積情況。當(dāng)波浪作用480 min (8 h)左右后岸灘就基本穩(wěn)定, 前灘侵蝕深度向岸侵蝕范圍不再發(fā)生明顯變化, 最大沖刷深度變?yōu)?.15 m。

圖9 不同水位下岸灘演變過(guò)程

由此可見(jiàn), 當(dāng)岸灘初始坡度達(dá)到=1:10時(shí), 岸灘穩(wěn)定性發(fā)生了明顯改變, 相較于岸灘初始坡度=1:5和=1:7, 坡腳處地貌變化發(fā)生特點(diǎn)明顯改變, 不再出現(xiàn)明顯的離岸泥沙不斷向海淤積、坡腳向海延伸現(xiàn)象, 盡管前灘仍然出現(xiàn)明顯侵蝕, 但侵蝕程度明顯小于岸灘初始坡度=1:5和=1:7, 且在試驗(yàn)中后期, 岸線不再發(fā)生明顯后退, 且地貌不再發(fā)生明顯變化, 表明岸灘達(dá)到了相對(duì)平衡狀態(tài)。為進(jìn)一步論證岸灘初始坡度在何種范圍內(nèi)更容易達(dá)到平衡狀態(tài)、穩(wěn)定性更高, 進(jìn)一步補(bǔ)充了兩種更緩坡度岸灘初始坡度=1:12和=1:15。如圖10c、10d所示, 岸灘初始坡度=1:12和=1:15時(shí), 岸灘演變特點(diǎn)與岸灘初始坡度=1:10時(shí)演變特征更為相似, 岸灘主要變化集中在前灘剖面調(diào)整, 同樣未出現(xiàn)明顯的坡腳處向海淤積問(wèn)題。因此, 可認(rèn)為波浪作用時(shí), 灘面泥沙基本完全保留于整個(gè)閉合剖面內(nèi), 保障了整個(gè)剖面穩(wěn)定性。此外, 當(dāng)岸灘初始坡度較緩時(shí), 在波浪上沖邊界(岸線向岸側(cè))會(huì)出現(xiàn)更明顯的淤積, 如初始坡度=1:12時(shí)(≈6.5 m,<400 min)、初始坡度=1:15時(shí)(≈6.5 m,<450 min), 由于坡腳位置不變, 岸灘整體坡度趨陡, 證明岸灘穩(wěn)定坡度應(yīng)介于=1:10和=1:12之間。

初始坡度=1:12和=1:15時(shí), 相對(duì)于岸灘初始坡度=1:10 (圖8b), 前灘侵蝕程度以及岸灘剖面變化程度明顯減弱, 且相較于初始坡度=1:10和初始坡度=1:15, 當(dāng)初始坡度=1:12時(shí), 前灘侵蝕程度、破碎點(diǎn)至坡度岸灘剖面變化均明顯更小。通過(guò)對(duì)相同條件下不同坡度岸灘演變特征對(duì)比分析, 可認(rèn)為在本文試驗(yàn)條件下, 當(dāng)岸灘初始坡度<1:10時(shí), 初始岸灘坡度設(shè)計(jì)已經(jīng)比較利于岸灘高效趨近于平衡剖面, 且當(dāng)初始坡度=1:12時(shí)更接近于平衡剖面坡度, 并不是坡度約緩越利于岸灘更高效達(dá)到平衡狀態(tài)。

試驗(yàn)條件下, 岸灘剖面穩(wěn)定速率與岸灘初始坡度密切相關(guān)。初始坡度越接近最終平衡剖面平均坡度或初始地形越接近平衡剖面形態(tài)的試驗(yàn)岸灘剖面, 均可在不同侵蝕波況的動(dòng)力作用下快速達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài); 相反, 當(dāng)初始地形與最終平衡剖面相差較大, 如本試驗(yàn)中岸灘初始坡度=1:5與=1:7的岸灘模型則需在較長(zhǎng)時(shí)間的波浪作用下, 通過(guò)前灘和起坡點(diǎn)剖面調(diào)整岸灘整體坡度, 使其逐漸趨近于平衡剖面坡度, 才能使地形地貌條件與水動(dòng)力條件相互適應(yīng), 從而達(dá)到地形不再受波浪影響而發(fā)生明顯變化的穩(wěn)定狀態(tài)。

3.3 灘肩型剖面形成條件

由上文可知, 對(duì)于本文試驗(yàn)1和試驗(yàn)2中小尺度試驗(yàn)水槽中岸灘演變?cè)囼?yàn), 波浪條件和岸灘初始坡度均對(duì)岸灘演變特點(diǎn)有明顯影響, 其中, 波參數(shù)影響主要表現(xiàn)于岸灘穩(wěn)定后沙壩位置變化, 而岸灘坡度對(duì)岸灘穩(wěn)定性至關(guān)重要, 因此, 不同初始坡度岸灘在波浪作用下均會(huì)通過(guò)泥沙橫向輸移驅(qū)使岸灘坡度逐漸趨近于相似的穩(wěn)定坡度, 而當(dāng)岸灘初始坡度較陡>1:10 時(shí), 通過(guò)前灘侵蝕離岸淤積調(diào)整岸灘整體坡度至穩(wěn)定坡度更為常見(jiàn)。但受限于造波條件限制, 如本試驗(yàn)1水槽規(guī)則波造波極限<0.25 m,<3 s, 試驗(yàn)2水槽規(guī)則波造波極限<0.2 m,<2 s, 不同工況組合下, 岸灘橫向沖淤規(guī)律以及最終平衡剖面類型基本一致, 即前灘侵蝕, 侵蝕泥沙離岸過(guò)渡區(qū)淤積形成沙壩并抬高淺水區(qū)床面, 最終演變成沙壩型剖面, 較難出現(xiàn)明顯的灘肩型剖面。

如圖11所示, 當(dāng)入射波=0.1 m,=3.0 s,=0.7 m時(shí), 盡管在初始坡度=1:5岸灘上岸灘沖淤趨勢(shì)與前文工況一致, 仍以前灘侵蝕離岸淤積形成沙壩型剖面。但隨著岸灘初始坡度變?yōu)?1:15時(shí), 岸灘橫向沖淤規(guī)律發(fā)生了明顯變化, 盡管波浪作用初期前灘仍會(huì)出現(xiàn)部分侵蝕(<20 min), 但隨著波浪持續(xù)作用, 前灘內(nèi)部沖淤情況發(fā)生明顯變化, 逐漸由前灘侵蝕泥沙流失轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)破碎區(qū)侵蝕并向沖瀉區(qū)淤進(jìn), 該沖淤關(guān)系變化主要發(fā)生于前灘內(nèi)部, 盡管與前文緩坡岸灘工況相同, 破碎點(diǎn)前內(nèi)破碎區(qū)仍會(huì)出現(xiàn)明顯沖刷坑, 但與前文緩坡岸灘工況不同的是沖刷坑侵蝕泥沙并未離岸堆積形成沙壩, 而是向岸淤進(jìn), 且隨著波浪持續(xù)作用, 逐漸形成明顯灘肩。由于泥沙在斜坡上的離岸輸移會(huì)疊加重力分量作用, 而向岸輸移需要克服重力分量作用, 因此向岸輸移需要條件相對(duì)更苛刻。如圖11b所示, 由于岸灘初始坡度較緩, 離岸重力分量較小, 且由于波周期較大, 而波高較小, 波陡很小, 更利于波浪適應(yīng)更淺水深, 從而使更多能量用于前灘向岸輸移, 這與自然界中長(zhǎng)波向岸輸沙理論相似。但對(duì)于圖11a岸灘坡度較陡, 試驗(yàn)條件下, 由于重力分量較大, 仍以離岸輸沙為主。

圖11 長(zhǎng)周期波況下不同初始坡度岸灘演變過(guò)程

3.4 風(fēng)暴浪下岸灘演變過(guò)程

根據(jù)前文規(guī)則波作用下岸灘演變規(guī)律研究, 恒定入射波作用下, 岸灘沖淤呈單調(diào)變化, 隨波浪持續(xù)作用, 不同初始坡度下通過(guò)前灘泥沙離岸堆積或離岸泥沙向岸淤積, 使得岸灘剖面不斷調(diào)整, 隨著岸灘坡度趨近于穩(wěn)定坡度和離岸沙壩發(fā)育, 岸灘演變速度逐漸變緩, 岸灘穩(wěn)定性不斷提高, 直至岸灘達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定后呈動(dòng)態(tài)平衡, 此過(guò)程中, 岸灘坡度對(duì)岸灘穩(wěn)定性至關(guān)重要。但風(fēng)暴潮期間, 波浪條件不斷變化, 與規(guī)則波作用時(shí)岸灘穩(wěn)定機(jī)制相差較大, 同時(shí), 風(fēng)暴增水也是導(dǎo)致岸灘原平衡被破壞、岸線快速蝕退的重要原因。為此, 本節(jié)將詳細(xì)分析試驗(yàn)1中風(fēng)暴浪工況中波高連續(xù)變化下岸灘剖面演變特征。根據(jù)前文規(guī)則波研究, 當(dāng)岸灘坡度<1:10時(shí), 岸灘穩(wěn)定性較好, 為研究風(fēng)暴對(duì)岸灘穩(wěn)定性的侵蝕破壞機(jī)制, 試驗(yàn)選用了岸灘初始坡度=1:5和=1:15進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn), 如圖12所示。本研究風(fēng)暴浪過(guò)程大致可以分為三個(gè)階段: 動(dòng)力增強(qiáng)階段、極值穩(wěn)定階段和動(dòng)力減弱階段, 由于岸灘初始坡度=1:5時(shí)對(duì)造波機(jī)二次反射影響較大, 相同造波板沖程變化下, 實(shí)測(cè)波高變化明顯弱于岸灘初始坡度=1:15。其中床面相對(duì)高程時(shí)空變化圖中黑色線表征岸灘演變過(guò)程中沙壩實(shí)時(shí)位置變化。

圖12 波高連續(xù)變化下初始坡度S=1:15和S=1:15岸灘演變過(guò)程

與規(guī)則波相同, 初始坡度相差較大時(shí), 岸灘橫向沖淤關(guān)系存在明顯差異, 而波高變化對(duì)岸灘橫向沖淤關(guān)系影響很小。當(dāng)岸灘初始坡度較緩時(shí)=1:15, 岸灘剖面變化主要集中在前灘區(qū)域, 而起坡點(diǎn)附近淺水區(qū)床面凈沖淤變化較小, 主要表現(xiàn)為較長(zhǎng)區(qū)域沙紋形成和變化。而前灘橫向沖淤更為明顯, 沙壩和壩前沖刷坑的位置隨波高變化向離岸運(yùn)動(dòng), 但由于作用時(shí)間較短, 沙壩未得到最夠時(shí)間發(fā)育, 沙壩形態(tài)并不明顯。結(jié)合床面相對(duì)初始高程時(shí)空變化圖可見(jiàn), 沙壩位置與波高變化呈明顯響應(yīng)關(guān)系, 波高增大時(shí), 由于破碎點(diǎn)不斷提前, 沙壩離岸運(yùn)動(dòng), 而極值穩(wěn)定階段波高達(dá)到最大后, 沙壩快速發(fā)育并趨于穩(wěn)定, 沙壩位置變化并不明顯, 但當(dāng)動(dòng)力減弱階段波高逐漸減小, 沙壩又隨破碎點(diǎn)向岸遷移。相較于破碎區(qū)剖面變化, 整個(gè)風(fēng)暴浪過(guò)程對(duì)沖瀉區(qū)和岸線影響較小, 沖瀉區(qū)侵蝕以及岸線蝕退主要發(fā)生在動(dòng)力增強(qiáng)階段的前半程, 在=10 min以后盡管波高仍在持續(xù)升高, 得益于沙壩的保護(hù)作用, 岸線侵退速度明顯減緩, 且隨著前灘剖面的調(diào)整, 岸灘穩(wěn)定性也明顯提高, 盡管>20 min后波高達(dá)到最大并持續(xù)作用, 但此過(guò)程中沖瀉區(qū)侵蝕和岸線蝕退并不明顯, 甚至在靜水面與岸灘交界點(diǎn)附近(=6～7 m)出現(xiàn)明顯淤積, 且動(dòng)力遞減階段波高較小時(shí), 岸灘淤積更為明顯。而當(dāng)岸灘初始坡度較陡時(shí)=1:5, 同樣出現(xiàn)了前文規(guī)則波演變特征, 沖瀉區(qū)明顯侵蝕, 侵蝕泥沙離岸堆積形成沙壩, 岸灘整體坡度趨緩, 但由于前灘泥沙供給關(guān)系差異(Wang, 2020), 波高變化對(duì)前灘橫向沖淤關(guān)系影響更小, 沙壩變化與波高并無(wú)明顯響應(yīng)關(guān)系。從上述地形變化與前文規(guī)則波研究基本一致, 由于岸灘初始坡度=1:15時(shí)岸灘穩(wěn)定性較好, 本試驗(yàn)造波條件下, 僅波浪變化對(duì)岸灘整體危害有限, 主要集中于前灘區(qū)域, 表現(xiàn)在破碎點(diǎn)向離岸變化過(guò)程中沙壩位置以及破碎區(qū)和沖瀉區(qū)之間橫向沖淤變化。

4 討論

根據(jù)前文規(guī)則波工況研究中不同波浪要素對(duì)岸灘影響特征, 試驗(yàn)條件下, 由于波浪周期限制, 試驗(yàn)波浪多為短波, 對(duì)岸灘影響程度與波浪強(qiáng)度正相關(guān), 且已有研究也表明能量模型被應(yīng)更適用于岸灘剖面的演變相關(guān)模擬(De Jesus Mari?o Tapia, 2003; Masselink等, 2006)。根據(jù)微幅波理論下波能流計(jì)算公式為

圖13 不同工況下岸灘穩(wěn)定坡度、前灘沖淤與波參數(shù)數(shù)特征、類Dean參數(shù)Ω′的關(guān)系

注: G代表粗砂50=1.07 mm、M代表中砂50=0.36 mm、F代表細(xì)砂50=0.21 mm; S05、S07、S10、S12、S15分別代表初始坡度=1:5、=1:7、=1:10、=1:12、=1:15岸灘; H10、H14、H17、H20分別代表波高=0.1 m、=0.14 m、=0.17 m、=0.2 m; T10、T12、T15、T18、T21、T30分別代表波周期=1.0 s、=1.2 s、=1.5 s、=1.8 s、=2.1 s、=3.0 s; d4、d5、d7分別代表試驗(yàn)水深=0.46 m、=0.5 m、=0.7 m。基于以上的工況注釋, FS05H14T10d4代表工況為: F細(xì)砂50=0.21 mm, 岸灘初始坡度=1:5, 波高=0.14 m, 波周期=1.0 s, 試驗(yàn)水深=0.46 m

5 結(jié)論

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LABORATORY SIMULATION ON SANDY BEACH STABILITY UNDER STORM WAVE

WANG Jun1, YOU Zai-Jin1, LIANG Bing-Chen2

(1. Centre for Ports and Maritime Safety, Dalian Maritime University, Dalian 116026, China; 2. Shandong Provincial Key Laboratory of Ocean Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266100, China)

In recent years, marine disasters such as storm surges have become more and more frequent with increasing problem of sandy coast erosion. Therefore, the stability and protection of beach is an urgent task. To study the stability mechanism of sandy beach under storm wave action, a series of flume tests were designed to observe, study, and analyze the stability mechanism and evolution process of sandy beach under storm wave action. In the experiments, images were taken and processed, from which the overall profile of the beach were real-time extracted dynamically according to the difference in pixel value between the water and the beach bed. The evolution process of sandy beach under different incident wave height, wave period, water depth, initial slope, and continuous change of wave height were compared and analyzed. The test results show that the stability of beach was directly related to the initial slope of beach and the development of sand bar, and the wave parameters mainly affected the disturbance amplitude of beach and the position change of sand bar and front beach erosion boundary. When the incident wave height changed continuously, the sand bar responded quickly and migrated offshore. An obvious positive correlation was found between the variation scale of the beach and the incident wave energy flow. The greater the wave energy flow, the greater the harm to the stability of the beach. The rising water level could increase the risk of coastal erosion in the foreshore. In addition, under the scale of this experiment, the foreshore was dominated by erosion. When initial slope of the beach was below the stable slope and the wave steepness was small, that is, the Dean parameter′ is small, obvious foreshore deposition would occur on the beach. This is very important for the study of beach restoration conditions at the experimental scale. Specifically, when the overall slope of the beach is 1:10 and the slope of the foreshore reaches 1:5～1:2.5, the stability of the beach is the best, the shape of the beach is the closest to the final equilibrium profile, and the time for the beach to stabilize is the shortest.

sandy beach; flume test; initial slope; wave parameters; stability; evolution; image processing

* NSFC-山東聯(lián)合重點(diǎn)基金, U1806227號(hào); 國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目, 51739010號(hào), 52001292號(hào)。王 俊, 博士后, E-mail: wangjun2021@dlmu.edu.cn

尤再進(jìn), 博士生導(dǎo)師, 教授, E-mail: b.you@dlmu.edu.cn

2022-01-28,

2022-04-13

P642

10.11693/hyhz20220100026