潘 毅,薛仕磊,王雪迎,匡翠萍,陳永平,張長寬
(1. 河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院,江蘇 南京 210024;2. 同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院,上海 200092;3. 秦皇島市海岸帶生態(tài)修復(fù)工程技術(shù)研究中心,河北 秦皇島 066001)
人工水下沙壩(submerged berm)也稱近岸補(bǔ)沙(shoreface nourishment),指通過人工方式在近岸堆填沙壩(垂直岸線方向的寬度通常大于天然沙壩,在100~300m的范圍),以起到削減波浪和給海灘緩慢供沙的效果,是一種間接的養(yǎng)灘方式。相比常規(guī)的人工養(yǎng)灘,人工水下沙壩對海灘的影響是間接的,且具時(shí)間滯后性,但因其環(huán)境擾動(dòng)小、造價(jià)相對較低(省去了海灘整平環(huán)節(jié),且有時(shí)客沙來自附近港口的疏浚),在沙質(zhì)海岸修復(fù)中有其獨(dú)特優(yōu)勢。人工水下沙壩的應(yīng)用最早可追溯到1935 年美國圣塔芭芭拉的海灘修復(fù)工程[1-2],其后在世界范圍內(nèi)的養(yǎng)灘工程中得到了廣泛應(yīng)用[3-4];我國的人工養(yǎng)灘起步較晚,人工水下沙壩的應(yīng)用始于2008 年的北戴河中直浴場應(yīng)急治理工程[5],但在后續(xù)一系列養(yǎng)灘工程中得到了較多應(yīng)用,如北戴河西海灘養(yǎng)護(hù)工程[6]、老虎石公園養(yǎng)灘工程[7]、新開河口至南山段養(yǎng)灘工程[8]等。
近年來,隨著氣候變化引起全球范圍內(nèi)海岸防災(zāi)壓力的提升,兼具有效性、可持續(xù)性和性價(jià)比的海岸軟防護(hù)在世界范圍內(nèi)得到廣泛重視[9],世界各國均提出了一些海岸軟防護(hù)相關(guān)的國家戰(zhàn)略,我國的生態(tài)海堤建設(shè)、藍(lán)色海灣整治行動(dòng)、海岸帶生態(tài)保護(hù)和修復(fù)等亦屬此類。在此背景下,人工水下沙壩在未來海岸防護(hù)中有更為廣泛的應(yīng)用空間,給相關(guān)科學(xué)研究提出了更高的要求。
人工水下沙壩與波浪之間的相互作用是其工程應(yīng)用相關(guān)的重要科學(xué)問題,該問題又可以分為2 個(gè)方面,波浪作用下人工水下沙壩的遷移演變和人工水下沙壩對波浪的消減效應(yīng)。上述問題會(huì)受到動(dòng)力條件、岸灘地貌、泥沙粒徑、人工沙壩自身尺度等眾多因素的影響,在工程應(yīng)用中,需要結(jié)合工程目的對上述因素進(jìn)行綜合考慮來合理設(shè)計(jì)養(yǎng)灘方案。人工水下沙壩的研究方法包括現(xiàn)場觀測、物理試驗(yàn)和數(shù)值模擬;現(xiàn)場觀測提供第一手的規(guī)律性認(rèn)知,物理試驗(yàn)和數(shù)值模擬能夠針對特定問題開展研究,但又各有偏重和局限性。本文首先綜述了人工水下沙壩與波浪相互作用的最新研究進(jìn)展,然后分別從經(jīng)典案例和核心思想的角度論述了物理試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究方法,最后結(jié)合現(xiàn)有成果,提出了人工水下沙壩工程應(yīng)用上的建議以及未來的研究展望,以期為海岸防護(hù)工程和相關(guān)科學(xué)研究提供參考依據(jù)。
人工水下沙壩對海灘的作用包括緩慢補(bǔ)沙、削減波浪,或二者兼而有之[10]。二者對應(yīng)的科學(xué)問題分別為人工水下沙壩與波浪的相互作用的2 個(gè)方面,即波浪作用下人工水下沙壩的遷移演變和人工水下沙壩對波浪的消減效應(yīng),本節(jié)對這兩方面的最新研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。
對岸灘進(jìn)行持續(xù)、緩慢的補(bǔ)沙是人工水下沙壩的重要功能。因此從遷移演變的角度上來講,人們更為關(guān)心人工水下沙壩泥沙的向岸—離岸遷移,波浪作用下的向岸—離岸輸沙可以視為人工水下沙壩演變的主要?jiǎng)恿C(jī)制。波浪作用下的向岸—離岸輸沙受諸多因素的影響,如水深、海灘坡度、泥沙粒徑、滲流、波浪不對稱性等,以及近幾年關(guān)注較多的波浪引起水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的速度偏度和加速度偏度等??傮w來說,受波浪淺水變形引起的一系列效應(yīng)影響,近岸泥沙在常浪條件下存在一個(gè)向岸輸沙的長期趨勢,這也構(gòu)成了人工水下沙壩能夠發(fā)揮補(bǔ)沙效應(yīng)的理論依據(jù)。但向岸輸沙會(huì)受到各種因素的影響,其出現(xiàn)并不是必然的,而且在大浪條件下會(huì)形成數(shù)倍甚至數(shù)10倍于常浪條件下的離岸輸沙,可能導(dǎo)致人工水下沙壩的迅速耗散。因此需要對人工水下沙壩予以科學(xué)布設(shè)以使其發(fā)揮理想的補(bǔ)沙效應(yīng)。波浪作用下的向岸—離岸輸沙是一個(gè)綜合性的課題,本文不再予以詳述,而是針對人工水下沙壩本身演變相關(guān)的研究進(jìn)展開展綜述。首先介紹用于表征人工水下沙壩遷移演變的主要參數(shù),然后闡述對人工水下沙壩遷移演變規(guī)律的最新認(rèn)知。
1.1.1 遷移方向和工程壽命
人工水下沙壩的遷移演變可以用遷移方向和工程壽命等參數(shù)來表征。遷移方向關(guān)系到人工水下沙壩最終能否對海灘形成有效養(yǎng)護(hù),是人工水下沙壩最重要的、研究最早的特征參數(shù)。早期研究通過一些量綱為一參數(shù)來判斷天然沙壩和人工水下沙壩的遷移方向[11-12],這些研究大多基于長期現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)。Larson 和Kraus[13]總結(jié)了基于量綱為一參數(shù)的判斷指標(biāo),提出了如下3個(gè)判定指標(biāo)的臨界條件:
式中:H0為深水波高;L0為深水波長;T為波浪周期;ω為泥沙沉速;D50為泥沙中值粒徑;g為重力加速度。式(1)—(3)可用于天然沙壩和人工水下沙壩遷移方向的判斷。在進(jìn)行遷移方向判斷時(shí),首先繪制上述公式對應(yīng)的曲線,然后針對具體案例計(jì)算公式兩邊的量綱為一參數(shù),與曲線點(diǎn)繪于同一坐標(biāo)系;如果該點(diǎn)落在式(1)和式(2)曲線左側(cè)或式(3)曲線右側(cè),則表示沙壩向岸遷移,反之則向海遷移。量綱為一參數(shù)判斷指標(biāo)在判斷人工水下沙壩的遷移方向時(shí)有較好表現(xiàn),如Hands[14]用量綱為一參數(shù)對11 個(gè)人工水下沙壩的遷移方向進(jìn)行了判斷,判斷結(jié)果均與現(xiàn)場數(shù)據(jù)一致。
僅靠遷移方向不能完全表征人工水下沙壩的遷移特征,還需對人工水下沙壩遷移演變的時(shí)間特征予以有效表征。近期研究中,人工水下沙壩工程壽命(lifetime)的概念得到了較多應(yīng)用[15]。人工水下沙壩可以視作對沙質(zhì)海岸中天然沙壩周期性演變的一個(gè)人為擾動(dòng),大量現(xiàn)場觀測表明,該擾動(dòng)多數(shù)情況下會(huì)完全打亂原有天然沙壩的演變規(guī)律,在一段持續(xù)大約1~7 年的擾動(dòng)期過后,原有的天然沙壩周期性演變過程會(huì)逐漸恢復(fù)[16-17],這個(gè)擾動(dòng)期稱為人工水下沙壩的工程壽命。工程壽命受到眾多因素的影響,據(jù)Gijsman 等[4]基于21 個(gè)人工水下沙壩案例的現(xiàn)場研究得知,人工水下沙壩的斷面面積和布設(shè)水深對工程壽命為正影響,且前者影響大于后者;天然沙壩的演變循環(huán)周期和天然沙壩的斷面面積對工程壽命為負(fù)影響,且前者影響大于后者。據(jù)另外一些案例研究,使用較大粒徑的客沙能夠顯著增加人工水下沙壩的工程壽命[18]。Gijsman 等[4]也提出了相對工程壽命的概念,即將人工水下沙壩的工程壽命與天然沙壩的演變循環(huán)周期做比值,用來除去天然沙壩本身的演變特征對工程壽命的影響??傮w來說,人工水下沙壩的工程壽命影響因素眾多,目前沒有通用性的判定標(biāo)準(zhǔn);對具體案例的工程壽命預(yù)估則需要借助物理試驗(yàn)或數(shù)值模擬的手段。
1.1.2 遷移演變規(guī)律
總體上,人工水下沙壩的泥沙輸運(yùn)規(guī)律和天然沙壩類似,常浪條件下形成向岸輸運(yùn),而大浪條件下則形成離岸輸運(yùn)和總量耗散。在常浪條件下,人工水下沙壩的向岸遷移速率很大程度上受水深控制[19],將人工水下沙壩布設(shè)在更淺的水深處能顯著提高其向岸遷移速度;在大風(fēng)浪過程中,風(fēng)暴潮的峰值階段會(huì)形成強(qiáng)烈的離岸輸沙,而風(fēng)暴潮的初始和消散階段則會(huì)出現(xiàn)弱的向岸輸沙[20]。
從整個(gè)工程壽命期間的遷移演變過程來看,人工水下沙壩對當(dāng)?shù)氐孛策^程的最顯著影響是完全打亂了原有天然沙壩的演變規(guī)律[4],如改變天然沙壩的遷移方向、遷移范圍等。就其自身演變特征而言,在工程壽命的初期和中期,人工水下沙壩的遷移和消散速率通常較為緩慢;而在工程壽命的末期,人工水下沙壩會(huì)迅速消散[16-17]。值得注意的是,在低能沙質(zhì)海岸(低能沙質(zhì)海岸是指波浪能較小、潮差較小的沙質(zhì)海岸;Jackson等[21]對低能沙質(zhì)海岸提出了一個(gè)基于有效波高以及灘面(前濱)寬度的建議性判斷標(biāo)準(zhǔn),而后期的研究中常把總體波能較小的沙質(zhì)海岸歸于此類[3,22])中,人工水下沙壩表現(xiàn)出不同于常規(guī)沙質(zhì)海岸中的演變特征。現(xiàn)場觀測表明,低能沙質(zhì)海岸中的人工水下沙壩總體上位置移動(dòng)非常小,取而代之的是發(fā)生剖面的非對稱變形,向海坡逐漸變緩,向岸坡坡度變化不大,整體呈現(xiàn)向海坡被“拉長”、壩頂位置向岸移動(dòng)的特征。這種現(xiàn)象在美國佛羅里達(dá)的邁爾斯堡海灘[3]和我國的北戴河海灘[22-23]均有報(bào)道。圖1 給出了位于我國北戴河的2 個(gè)低能沙質(zhì)海岸中人工水下沙壩演變的典型案例。Pan等[22]指出,在低能沙質(zhì)海岸中,人工水下沙壩演變和原有海灘剖面的演變相對獨(dú)立,可以分別根據(jù)平衡剖面理論進(jìn)行推導(dǎo),給出了適用于低能沙質(zhì)海岸的、含人工水下沙壩的平衡剖面形式。該平衡剖面包含背景剖面和人工水下沙壩剖面兩部分,背景剖面和人工水下沙壩向海坡用考慮沿剖面泥沙粒徑差異的改進(jìn)的平衡剖面公式[24]來計(jì)算,見式(4);而人工水下沙壩向岸坡坡度則簡單地取一個(gè)經(jīng)驗(yàn)值,如4%。
圖1 低能沙質(zhì)海岸中人工水下沙壩演變典型案例(數(shù)據(jù)來源于北戴河海灘)Fig.1 Typical cases of evolution of submerged berms in low energy sandy beaches (data from a beach in Beidaihe,China)
式中:x為剖面上任一點(diǎn)距岸線的距離;h為x處的水深;D0為岸線處單位水體的等效能量耗散;D∞為深水處單位水體的等效能量耗散;λ為表征D0向D∞變化速率的參數(shù)。
此外,因?yàn)榈湍苌迟|(zhì)海岸中天然沙壩幾乎不存在周期性演變,故低能沙質(zhì)海岸中人工水下沙壩的工程壽命不再適合以上文提到的“擾動(dòng)期”來計(jì)算,筆者認(rèn)為其工程壽命可以以其徹底消散或消散到原有體積的某個(gè)百分比來定義,具體還需未來研究進(jìn)行進(jìn)一步探討。
人工水下沙壩的波浪透射系數(shù)是表征其消浪作用的重要表征參數(shù)。波浪透射系數(shù)的概念來自離岸潛堤,指透射波高和入射波高之間的比值,其數(shù)值大小影響人工水下沙壩/離岸潛堤后方的岸灘演變特征;但人工水下沙壩的剖面形狀無法像離岸潛堤一樣以壩高、壩寬等參數(shù)來表征,故現(xiàn)有研究多為針對特定案例的案例研究或規(guī)律性研究,鮮有人工水下沙壩波浪透射系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式。
人工水下沙壩消波效應(yīng)的研究多基于物理試驗(yàn)。早期研究者多針對人工水下沙壩的初始斷面(規(guī)則斷面)開展透射系數(shù)的試驗(yàn)研究,如Zwamborn等[25]針對南非德班灣海灘人工水下沙壩工程開展斷面演變動(dòng)床試驗(yàn)的同時(shí),也開展了一系列定床試驗(yàn),研究了不同壩頂寬度和入射波高情況下透射波高和入射波高之間的關(guān)系,這些經(jīng)驗(yàn)關(guān)系以圖表的方式給出;也有學(xué)者通過理論推導(dǎo)來研究梯形斷面人工水下沙壩的波浪透射系數(shù),如趙多蒼等[26]將人工水下沙壩概化為單一坡度海床上的梯形斷面,推導(dǎo)得到了人工水下沙壩壩頂?shù)难爻滩ǜ咦兓?,并通過物理試驗(yàn)對公式進(jìn)行了驗(yàn)證,結(jié)果表明,當(dāng)沙壩所在位置水深較小時(shí)該公式表現(xiàn)較好。但Zwamborn等[25]和趙多蒼等[26]的研究僅針對梯形斷面開展,未能給出不規(guī)則斷面形狀人工水下沙壩的波浪透射系數(shù)計(jì)算方式。近期,一些案例研究針對特定的人工水下沙壩工程,參照相對壩高、相對壩頂水深等量綱為一參數(shù),通過水槽試驗(yàn)研究人工水下沙壩演變過程中透射系數(shù)的變化過程[27-28],試驗(yàn)結(jié)果表明透射系數(shù)與上述量綱為一參數(shù)之間存在較好相關(guān)性,并提供了相關(guān)圖表可供設(shè)計(jì)參考。上述研究將研究對象從規(guī)則斷面推進(jìn)到不規(guī)則斷面,并參照一系列量綱為一參數(shù)進(jìn)行了規(guī)律性探討,但仍未給出定量的計(jì)算公式,其原因在于不規(guī)則的斷面型式難以合理表征。因此,如何概化人工水下沙壩的剖面形狀并提出量化的波浪透射系數(shù)公式成為該方向研究需要解決的關(guān)鍵問題。
由第1 節(jié)論述可知,對于人工水下沙壩的遷移演變過程和消波作用尚無通用性的定量預(yù)估方法;因此,設(shè)計(jì)具體工程案例時(shí)仍需借助物理試驗(yàn)或數(shù)值模擬的手段。總體來說,物理試驗(yàn)側(cè)重研究人工水下沙壩的基本演變規(guī)律、風(fēng)暴短期侵蝕和波浪透射系數(shù),數(shù)值模擬側(cè)重研究人工水下沙壩的中長期演變規(guī)律。從2 種方法的特點(diǎn)來講,涉及泥沙的物理試驗(yàn)沒有統(tǒng)一的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,尤其是泥沙比尺需要針對具體問題進(jìn)行討論;而數(shù)值研究方法相對來講則具有通用性,數(shù)年來在眾多學(xué)者的研究中逐步完善。因此,本節(jié)對物理試驗(yàn)采用案例的方式進(jìn)行論述,以期為相關(guān)研究提供借鑒;對數(shù)值研究方法則直接闡述研究方法的發(fā)展歷程及核心原理,為相關(guān)研究提供直接參考。
人工水下沙壩的物理試驗(yàn)研究通常采用波浪動(dòng)床試驗(yàn)針對具體工況開展,試驗(yàn)設(shè)計(jì)的核心問題為泥沙粒徑和比重比尺,需要針對具體案例對不同相似率進(jìn)行合理取舍。這里著重論述經(jīng)典物理試驗(yàn)的研究背景、比尺設(shè)計(jì)原則和主要結(jié)論。
多數(shù)人工水下沙壩演變相關(guān)的物理試驗(yàn)研究都是針對大浪過程開展的。最早探討人工水下沙壩演變特征的物理試驗(yàn)研究可以追溯到1970 年,Zwamborn 等[25]以南非德班灣海灘人工水下沙壩工程為原型開展了水槽試驗(yàn),目的在于研究水下沙壩的基本侵淤特征;該試驗(yàn)的比尺基于弗勞德準(zhǔn)則和剪切—沉降相似準(zhǔn)則進(jìn)行設(shè)計(jì)(剪切—沉降相似準(zhǔn)則指剪切流速和泥沙沉速比值的相似);基于試驗(yàn)結(jié)果,Zwamborn等[25]提出了一個(gè)以深水波陡和量綱為一參數(shù)(gH0)0.5ω-1來判斷人工水下沙壩侵淤的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系。Grasso等[20]在水槽中采用塑料模型砂開展了風(fēng)暴過程的人工水下沙壩演變試驗(yàn)研究,目的在于探究一場風(fēng)暴過程中人工水下沙壩的演變特征;該試驗(yàn)研究通過控制模型砂粒徑和密度,使模型的弗勞德數(shù)、希爾茲數(shù)和勞斯數(shù)與原型相同;Grasso等[20]的試驗(yàn)結(jié)果表明,風(fēng)暴潮的峰值階段會(huì)形成強(qiáng)烈的離岸輸沙,而初始和消散階段則存在弱的向岸輸沙,這一結(jié)果與現(xiàn)場觀測結(jié)果能夠相互印證[29]。Smith等[30-31]在港池中開展了人工水下沙壩在侵蝕性高能波浪(原型有效波高3.6 m,譜峰周期6.7 s,TMA譜)作用下的演變試驗(yàn),且考慮沿岸流的影響,試驗(yàn)比尺根據(jù)弗勞德準(zhǔn)則和相對沉速相似[32]進(jìn)行設(shè)計(jì);由于波能過大,Smith等試驗(yàn)中的人工水下沙壩迅速消散,泥沙在沿岸流的作用下向下游(即沿岸流流向方向)沿岸輸運(yùn),人工水下沙壩僅起到消浪作用,而未發(fā)揮養(yǎng)護(hù)效應(yīng)。也有一些研究針對具體工程案例開展,為工程的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供參考依據(jù)。如趙多蒼等[33]針對北戴河具體工程案例開展了二維和三維的物理試驗(yàn)研究,泥沙粒徑比尺采用起動(dòng)波高相似來計(jì)算,依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對各種水動(dòng)力參數(shù)對沙壩穩(wěn)定性的影響進(jìn)行了探討,并指出在大浪下人工水下沙壩壩頂由于波浪破碎會(huì)形成明顯的侵蝕沙槽;拾兵等[34]對水位變化對該侵蝕沙槽的影響進(jìn)行了進(jìn)一步探討,指出沙槽的深度和范圍隨水位和波高的增加而增大,位置隨水位的增加而向岸移動(dòng)。
總體來說,目前風(fēng)暴大浪條件下的人工水下沙壩演變試驗(yàn)都表現(xiàn)出明顯的離岸輸沙和侵蝕性,但缺少低波浪能條件下的波浪動(dòng)床試驗(yàn)研究。Smith等[31]總結(jié)指出,需要開展低波浪能條件下的波浪動(dòng)床試驗(yàn)研究,以掌握低波浪能條件下人工水下沙壩演變的基本特征,并為數(shù)值模擬提供必要的驗(yàn)證數(shù)據(jù)。近期,Pan等[35]開展了一系列低波浪能條件下的人工水下沙壩演變試驗(yàn),該試驗(yàn)的泥沙粒徑比尺和重度比尺采用“局部擬合法”[36]根據(jù)弗勞德準(zhǔn)則、沉速相似和起動(dòng)相似設(shè)計(jì),探討了低波浪能條件下波浪參數(shù)對人工水下沙壩演變趨勢的影響,試驗(yàn)結(jié)果表明低波浪能條件下水深和波浪引起的水質(zhì)點(diǎn)速度偏度是影響人工水下沙壩演變的主控因素。
與物理試驗(yàn)相比,數(shù)值模型的優(yōu)勢之一是能夠開展長時(shí)間尺度的模擬,使復(fù)演和預(yù)測人工水下沙壩的中長期(工程時(shí)間尺度)演變成為可能。事實(shí)上,數(shù)值模型在人工水下沙壩的短期(風(fēng)暴期間)演變方面也取得了較多進(jìn)展,如XBEACH模型[37]在沙質(zhì)海岸大浪侵蝕過程的模擬中有較好表現(xiàn),但短期演變數(shù)值模擬不作為本文的論述重點(diǎn)。本文著重針對適用于人工水下沙壩中長期演變的“基于過程的剖面演變模型”的發(fā)展歷程和核心原理開展論述。
基于過程的剖面演變模型根據(jù)向岸—離岸輸沙來計(jì)算剖面內(nèi)的泥沙輸運(yùn),在考慮沿岸輸沙分量之后能夠較好地復(fù)演近岸的岸灘變化過程[38]。值得注意的是,這里所謂“基于過程的”并非采用相位解析波浪模型直接模擬波浪與泥沙的相互作用過程,而是采用相位平均的波浪模型來驅(qū)動(dòng),但考慮各種動(dòng)力環(huán)境參數(shù)(如坡度、平均流、水質(zhì)點(diǎn)速度偏度、加速度偏度等)對一個(gè)波周期內(nèi)輸沙過程的影響,所有動(dòng)力環(huán)境參數(shù)的貢獻(xiàn)疊加后得到最終的輸沙率,這種實(shí)現(xiàn)方式使得中長時(shí)間尺度岸灘演變的數(shù)值模擬成為可能。在具體實(shí)現(xiàn)方式上,這類模型通常求解波能守恒或波作用量守恒方程,并考慮水滾能的沿程發(fā)生和耗散,求解沿程波浪能和水滾能;波浪能用于計(jì)算波浪引起的水質(zhì)點(diǎn)速度,水滾能則用于計(jì)算水體紊動(dòng)強(qiáng)度,進(jìn)而計(jì)算流速剖面;波浪引起的水質(zhì)點(diǎn)速度和流速剖面則一起用于計(jì)算各種動(dòng)力環(huán)境引起的輸沙率。
沙質(zhì)海岸的剖面演變模型最早可以追溯到SBEACH 模 型[39]和 UNIBES-TC 模 型[40]。SBEACH 模型的向岸—離岸輸沙率基于單位水體的能量耗散來計(jì)算,尚稱不上“基于過程的”剖面演變模型,但其模型架構(gòu)為后期的模型發(fā)展奠定了基礎(chǔ);UNIBES-TC 模型最早由Roelvink 和Stive[40]開發(fā),并在使用中進(jìn)行了持續(xù)維護(hù)和改進(jìn),在世界各地的人工水下沙壩研究中得到應(yīng)用[17,41]。在眾多學(xué)者的貢獻(xiàn)下,各種近岸動(dòng)力環(huán)境要素對輸沙的影響被納入剖面演變模型,如Douglass[42]引入了淺水波引起的速度不對稱性對剖面輸沙的貢獻(xiàn),Spielmann等[43]引入了水滾過程的影響,Ruessink 等[44]提出了適用于相位平均模型的速度偏度和加速偏度的計(jì)算方法,Wlastra 等[45]則把沿岸流對向岸—離岸輸沙的影響考慮在內(nèi)。隨著對各類近岸過程的綜合考慮,該類模型開始被稱作“基于過程的剖面演變模型”。近年來,Dubarbier等[38]集成了相關(guān)成果,并將模型從一維拓展到二維,波浪參數(shù)和水流參數(shù)分別采用波作用量守恒方程和淺水方程計(jì)算,輸沙采用式(5)-(7)計(jì)算:
式中:Qc、Qw和Qg分別為平均流、波浪和底坡引起的泥沙輸運(yùn);Cc、Cw和Cg分別為平均流、波浪和底坡相關(guān)的輸沙系數(shù);U為總流,包括平均流以及波浪引起的水質(zhì)點(diǎn)振蕩流速;i和j分別指代向岸—離岸和沿岸方向;-ui和-uj分別為平均流在向岸—離岸和沿岸方向的分量大??;u?為波浪引起的水質(zhì)點(diǎn)振蕩流速;k為波數(shù)矢量,其數(shù)值為波數(shù),方向?yàn)椴ɡ藗鞑シ较?;ki和kj分別為k在向岸—離岸和沿岸方向的分量大??;φ為泥沙內(nèi)摩擦角;ws為泥沙沉速;Z為剖面高程;κb和κs分別為底沙和懸沙輸運(yùn)相關(guān)的參數(shù);εs為懸沙輸運(yùn)相關(guān)的數(shù)值參數(shù),取0.015。更多參數(shù)相關(guān)的具體計(jì)算方式參看文獻(xiàn)[38]。通過上述計(jì)算方式,Dubarbier等[38]的模型實(shí)現(xiàn)了從耗散型到反射型海灘轉(zhuǎn)變過程中6 種海灘狀態(tài)全過程的復(fù)演,標(biāo)志著基于過程的剖面演變模型對近岸岸灘演變的模擬獲得了較高的可信度;但該模型中存在一些輸沙相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)系數(shù),需要現(xiàn)場資料對其進(jìn)行率定,因此,降低經(jīng)驗(yàn)參數(shù)對模擬結(jié)果的影響也成為了該類模型今后需解決的問題。
在人工水下沙壩的構(gòu)筑長度方面,van Leeuwen等[46]基于數(shù)值試驗(yàn)指出,人工水下沙壩在沿岸方向長度的增加能顯著提高其工程壽命;然而Brutsché等[3]指出,在低能沙質(zhì)海岸中構(gòu)筑人工水下沙壩時(shí)應(yīng)考慮間斷式的壩身,以增加近岸的水體交換,防止水質(zhì)惡化;我國黃渤海沿岸的很多低能海灘修復(fù)即使用了間斷式的人工水下沙壩布置方式[47]。事實(shí)上,上述2 個(gè)觀點(diǎn)并無矛盾,通常當(dāng)近岸波能較大時(shí),人工水下沙壩的工程壽命是工程設(shè)計(jì)時(shí)考慮的重要參數(shù);而對于低能沙質(zhì)海岸,人工水下沙壩的消散較為緩慢,而其后方的水體則由于波能較低而流動(dòng)性弱,使得其后方水質(zhì)成為需要考慮的因素之一。
在人工水下沙壩的布設(shè)位置方面,當(dāng)海灘剖面存在一條天然沙壩時(shí),為了節(jié)省成本,人工水下沙壩常選擇在原有的天然沙壩上加寬加高,如我國北戴河西海灘的人工水下沙壩[22]。當(dāng)原有海灘斷面存在多條天然沙壩時(shí),Spielmann等[43]基于數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果指出,在原有外層沙壩的基礎(chǔ)上構(gòu)建人工水下沙壩是更優(yōu)的選擇,能夠更有效地削減波浪和保護(hù)內(nèi)層沙壩;事實(shí)上,很多工程案例中的人工水下沙壩布設(shè)位置也是據(jù)此選擇的,依托外層天然沙壩的內(nèi)側(cè)[16]或外側(cè)[17-18]來構(gòu)筑。
在進(jìn)行人工水下沙壩的工程壽命設(shè)計(jì)時(shí),需要依據(jù)工程目的對其離岸距離(布設(shè)水深)和客砂粒徑進(jìn)行合理選擇??傮w上說,離岸距離越近(布設(shè)水深越淺),人工水下沙壩的移動(dòng)性越強(qiáng)[19],更有可能形成顯著的向岸輸沙,發(fā)揮養(yǎng)護(hù)效應(yīng);然而,移動(dòng)性越強(qiáng)的人工水下沙壩也越容易在大浪引起的離岸輸沙和沿岸輸沙作用下快速消散[30-31],引起工程壽命的降低。客砂粒徑也存在類似的效應(yīng):客砂粒徑越大,人工水下沙壩就越穩(wěn)定[18];但人工水下沙壩穩(wěn)定性的增加也意味著人工水下沙壩將會(huì)更多地發(fā)揮消浪效應(yīng),而非更為直接的養(yǎng)護(hù)效應(yīng)。綜上,應(yīng)考慮工程目的(養(yǎng)護(hù)效應(yīng)或消浪效應(yīng))以及當(dāng)?shù)氐乃畡?dòng)力條件,對人工水下沙壩離岸距離(布設(shè)水深)和客砂粒徑進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。
對人工水下沙壩的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述,主要內(nèi)容包括人工水下沙壩與波浪的相互作用的最新研究進(jìn)展、主要研究方法、工程應(yīng)用上的建議和未來的研究展望。
人工水下沙壩與波浪之間的相互作用可以分為2個(gè)方面,即波浪作用下人工水下沙壩的遷移演變和人工水下沙壩對波浪的消減效應(yīng)。波浪作用下人工水下沙壩的遷移演變是人工水下沙壩的研究重點(diǎn),其遷移方向可以根據(jù)一系列量綱為一參數(shù)進(jìn)行判斷;工程壽命用于表征人工水下沙壩對天然海灘周期性演變的擾動(dòng)時(shí)間,現(xiàn)有研究對工程壽命及工程壽命期間的演變特征有一定的定性認(rèn)知,但做不到定量預(yù)測。人工水下沙壩對波浪的消減效應(yīng)與離岸潛堤類似,但因其斷面形狀難以表征,目前停留在案例研究和規(guī)律性認(rèn)知階段。在研究方法方面,物理試驗(yàn)側(cè)重研究人工水下沙壩的基本演變規(guī)律、風(fēng)暴短期侵蝕和波浪透射系數(shù),數(shù)值模擬側(cè)重研究人工水下沙壩的中長期演變規(guī)律;本文對相關(guān)物理試驗(yàn)和數(shù)值研究方法進(jìn)行了簡述。最后,從構(gòu)筑長度、布設(shè)位置和工程壽命設(shè)計(jì)的角度提出了人工水下沙壩工程應(yīng)用上的建議。
在對研究進(jìn)展進(jìn)行論述的過程中提出了未來研究展望,可以總結(jié)為:在遷移演變機(jī)制方面,人工水下沙壩與天然海灘地貌過程的相互影響機(jī)制需要進(jìn)一步揭示;在消波效應(yīng)方面,適用于不規(guī)則斷面的波浪透射系數(shù)計(jì)算公式有待提出;在數(shù)值研究工具方面,基于過程的剖面演變模型對經(jīng)驗(yàn)參數(shù)和現(xiàn)場數(shù)據(jù)的依賴性需要進(jìn)一步降低。
作者貢獻(xiàn)聲明:
潘 毅:提出選題,論文框架設(shè)計(jì),論文寫作與修改。
薛仕磊:數(shù)據(jù)整理,論文寫作。
王雪迎:查閱資料,圖表繪制,論文寫作。
匡翠萍:工程案例分析,論文寫作與修改。
陳永平:學(xué)術(shù)指導(dǎo),論文寫作。
張長寬:論文框架設(shè)計(jì),論文審閱。