風(fēng)暴波浪作用下沙壩剖面運(yùn)動(dòng)特征研究

茍大荀/遼寧省交通廳港航管理局

風(fēng)暴波浪作用下沙壩剖面運(yùn)動(dòng)特征研究

茍大荀/遼寧省交通廳港航管理局

對(duì)風(fēng)暴期波浪作用下沙質(zhì)海岸上沙壩剖面運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了物理模型實(shí)驗(yàn)，研究了波浪條件、海岸坡度對(duì)沙壩剖面運(yùn)動(dòng)的影響，討論了規(guī)則波和波群作用在不同坡度海岸模型上的沙壩剖面的運(yùn)動(dòng)。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在不同波浪作用下沙壩剖面會(huì)呈現(xiàn)不同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，且運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)與入射波的波高有關(guān)。

沙壩剖面；波浪；海岸坡度；運(yùn)動(dòng)；壩峰

一、引言

海岸帶是陸海的交匯區(qū)，研究海岸的變化對(duì)沿海地帶環(huán)境影響是至關(guān)重要的。沙質(zhì)海岸的一個(gè)重要性質(zhì)就是他的動(dòng)態(tài)變化特性，位于海底的泥沙在近海水域水動(dòng)力的影響下，必然會(huì)引起岸灘的沖淤演變。風(fēng)暴期，沿岸形成的沙壩是沙質(zhì)海岸重要的海底特征之一，沙壩的存在使得波浪在離岸較遠(yuǎn)處破碎，使得擊打在基岸或者灘面的波浪力和侵襲作用減弱，從而減少了岸灘的泥沙的流失，起到軟防護(hù)的作用[1][2]。岸灘的這種自我保護(hù)由于它得天獨(dú)厚的自然條件越來越被人們重視，其在岸灘保護(hù)的課題中由于經(jīng)濟(jì)花費(fèi)低、符合自然和諧規(guī)律及有利于自然環(huán)境的美化而備受矚目。

研究人員最新的成果證明[3]，沙壩的位置在風(fēng)暴期所表現(xiàn)出一種不穩(wěn)定狀態(tài)，主要是離岸和向岸的震蕩運(yùn)動(dòng)。沙壩運(yùn)動(dòng)在自然界實(shí)際觀測(cè)比較艱難，因此通過物模試驗(yàn)，來研究沙壩剖面的運(yùn)動(dòng)特征是有著重要意義的。本文通過考慮不同波浪形態(tài)，包括波群、規(guī)則波作用在不同坡度的海岸上，沙壩剖面運(yùn)動(dòng)的特征，來探討海岸坡度和波浪對(duì)風(fēng)暴期沙壩剖面的影響。

二、實(shí)驗(yàn)布置

本實(shí)驗(yàn)是在大連理工大學(xué)海岸及近海工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室渾水水槽中完成的，水槽長為56m、寬度0.7m、高度0.7m。在水槽的一側(cè)安置推板式造波機(jī)，另一側(cè)布置為1: 10和1:20坡度的沙質(zhì)海灘模型[4]。實(shí)驗(yàn)中取中值粒徑為D50=0.224mm的天然沙作為模型沙，水深始終保持0.45m。圖1所示（附后，后同）為實(shí)驗(yàn)的具體布置方案。

實(shí)驗(yàn)所采用的造波控制系統(tǒng)，可以生成多種類型的波況。實(shí)驗(yàn)中波浪包括波群、規(guī)則波和。波群運(yùn)用JONSWAP譜分析。對(duì)波群考慮了不同的波幅調(diào)制，波面升高由下式計(jì)算

式中，T為波浪周期，a為波群中短波波幅，Tg為波群包絡(luò)周期：Tg=nT,n為波群中的短波的個(gè)數(shù)。δ為波群調(diào)制系數(shù)。實(shí)驗(yàn)中可見，取a=0.084m和0.080m可使所生成波群的三分之一最大波高為0.9m和0.13m。

實(shí)驗(yàn)中波高由浪高儀測(cè)量。海岸剖面模型變化的測(cè)量采用URT-III三維河床地形測(cè)量系統(tǒng)，每隔30min測(cè)量一次海岸剖面，主要測(cè)量貼近水槽壁的斷面，如圖2所示。表1給出了實(shí)驗(yàn)中所采用的波要素。

三、規(guī)則波作用下沙壩剖面運(yùn)動(dòng)特征

通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在波浪的作用下沙壩形成后沒有靜止不動(dòng)，而是隨時(shí)間存在離岸和向岸的往復(fù)振蕩運(yùn)動(dòng)，且不同的波浪作用下沙壩剖面呈現(xiàn)出不同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。為了更直觀地了解沙壩形成后的運(yùn)動(dòng)，圖3、4給出規(guī)則波作用下的沙壩峰隨時(shí)間變化的位移圖，考慮到實(shí)驗(yàn)的重復(fù)性，圖中給出了同一個(gè)波況下的兩組實(shí)驗(yàn)結(jié)果。通過圖3、圖4可以看出，實(shí)驗(yàn)中規(guī)則波作用下1:10和1:20的海岸模型，沙壩的離向岸的振蕩都很劇烈，H=9cm、H=14.5cm和16cm時(shí)，振蕩的幅值要更大，說明在一定小的和一定大的規(guī)則波作用下沙壩的振蕩幅值會(huì)更大。由沙壩的最終運(yùn)動(dòng)距離可以看出，波高較小時(shí)，沙壩運(yùn)動(dòng)最終呈現(xiàn)出向岸運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，隨著波高的增大，最終運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)逐漸呈離岸。于是可得出規(guī)則波作用下，在波高H=9cm時(shí)沙壩運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)均是向岸的，H=16cm沙壩的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)基本上都是離岸的。H=14.5cm，沙壩的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)近似于離向岸的臨界。從而可以得出沙壩運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)的臨界植依賴于入射波的波高，與地形坡度無關(guān)。

四、波群作用下沙壩剖面運(yùn)動(dòng)特征

圖5是根據(jù)有效波高 H1/3=9cm和13cm，系數(shù)δ=0.25、0.5、1.0的波群作用在1: 10的海岸模型，形成的沙壩剖面隨時(shí)間的運(yùn)動(dòng)歷程得到沙壩峰位移圖。由圖5可見，在相同有效波高的情況下，隨著調(diào)制系數(shù)的增大，波群作用下沙壩的振蕩運(yùn)動(dòng)次數(shù)逐漸減少，說明振蕩逐漸減弱。由于調(diào)制系數(shù)越小，波群越近似于規(guī)則波，系數(shù)越大波群的群性越明顯，所以可以說明這個(gè)現(xiàn)象跟規(guī)則波的結(jié)論是類似的。同時(shí)由圖和表中可得到沙壩的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，發(fā)現(xiàn)在有效波高較小的 H=9cm的波群作用下，沙壩均表現(xiàn)為向岸運(yùn)動(dòng)。在有效波高較大的 H=13cm的波群作用下沙壩是離岸運(yùn)動(dòng)的。這與規(guī)則波得到的小波高作用下沙壩呈向岸運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，大波高作用下是離岸的趨勢(shì)結(jié)論也是一致的。

圖6是根據(jù)有效波 H=9cm和13cm，系數(shù)δ=0.25、0.5、1.0的波群作用在1: 20的海岸模型，形成的沙壩剖面隨時(shí)間的運(yùn)動(dòng)歷程得到沙壩峰位移圖。由圖6得到的結(jié)論與1:10坡度下波群實(shí)驗(yàn)的結(jié)果類似，在有效波高較小的 H=9cm的波群作用下，沙壩均表現(xiàn)為向岸運(yùn)動(dòng)。在有效波高較大的 H=13cm的波群作用下沙壩是離岸運(yùn)動(dòng)的。沙壩的運(yùn)動(dòng)振蕩次數(shù)隨著波群調(diào)制系數(shù)的增大而減少，這種振蕩次數(shù)少于同種波況作用在1:10坡度下的結(jié)果。

五、結(jié)論

本文研究了規(guī)則波和波群作用下沙壩剖面在不同坡度海岸上的運(yùn)動(dòng)特征，得出結(jié)論如下：

1.規(guī)則波情況下，沙壩存在離向岸的振蕩運(yùn)動(dòng)，沙壩離向岸運(yùn)動(dòng)的臨界值依賴于入射波高，不受地形初始坡度的影響。但沙壩離向岸的運(yùn)動(dòng)幅值和運(yùn)動(dòng)速度還是受初始坡度的影響。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)大波高H=16cm作用下的沙壩總的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)是離岸的，小波高H=9cm作用下沙壩的總體運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)是向岸的，波高H=14.5cm的規(guī)則波介于離向岸的臨界波高。

2.波群情況下，沙壩的振蕩運(yùn)動(dòng)弱于規(guī)則波作用下，沙壩較多時(shí)刻處于離岸或者向岸的單一方向運(yùn)動(dòng)，振蕩運(yùn)動(dòng)隨著波群調(diào)制系數(shù)的增大而減弱，且明顯弱于規(guī)則波作用。與規(guī)則波結(jié)論類似，在較小波高（ H=9cm）作用下，沙壩呈向岸運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，在較大波高（ H1/3=13cm）作用下，沙壩最終呈離岸運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)。

[1]柯馬爾.海灘過程與沉積作用，邱建立、莊振業(yè)、崔成琦譯，北京：海洋出版社，1985.

[2]陳士蔭，顧家龍，吳宋仁編.海岸動(dòng)力學(xué)[M].北京：人民交通出版社，1995.

[3]Hoefel F,ElgarS.Wave-induced sediment transport and sandbar migration [J].Science,2003, 299: 1885-1887.

[4]尹晶，鄒志利，李松.波浪作用下沙壩不穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)研究 [J].海洋工程，2008,26（1），40-50.

圖1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

圖2:海岸剖面地形測(cè)量

表1 實(shí)驗(yàn)波浪要素

圖3 規(guī)則波作用在1:10坡度沙壩峰運(yùn)動(dòng)位移

圖4 規(guī)則波作用在1:20坡度沙壩峰運(yùn)動(dòng)位移

圖5 波群作用下的沙壩峰運(yùn)動(dòng)位移（1:10坡度）

圖6 波群作用下的沙壩峰運(yùn)動(dòng)位移（1:20坡度）

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：50479053；10672034)