不同破碎波對(duì)沙質(zhì)海床作用的實(shí)驗(yàn)研究

程永舟，李青峰，潘昀，韓二品，王晶

（1.長(zhǎng)沙理工大學(xué) 水利工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004；2.水沙科學(xué)與水災(zāi)害防治湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410004）

1 引言

波浪循環(huán)荷載對(duì)海床床面形態(tài)以及孔隙水壓力產(chǎn)生影響，破碎波對(duì)海床的影響更大，研究破碎波作用下海床響應(yīng)這一問(wèn)題對(duì)于海岸工程具有重要的理論價(jià)值以及實(shí)際意義。

波浪由深海向淺海傳播過(guò)程中自身非對(duì)稱性逐漸增強(qiáng)，當(dāng)局部能量過(guò)于集中時(shí)會(huì)導(dǎo)致破碎，關(guān)于波浪破碎的判定，目前最具有代表性的是合田指標(biāo)［1］與Nelson指標(biāo)［2］。波浪的破碎形態(tài)可以區(qū)分為崩破波、卷破波、塌破波以及激破波［3］。波浪作用下的泥沙運(yùn)動(dòng)以及海床響應(yīng)問(wèn)題在早期就引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者的重視，到現(xiàn)在已經(jīng)日趨成熟。蔣昌波等［4］對(duì)海嘯波作用下的岸灘剖面演變規(guī)律進(jìn)行了研究，Young等［5］通過(guò)水槽實(shí)驗(yàn)，研究了孤立波破碎帶床面形態(tài)的演變以及海床中的孔隙水壓力。Seelam等［6］研究了未破碎孤立波作用下的床面剪切力。鐘佳玉等［7］研究了規(guī)則波與不規(guī)則波作用時(shí)海床孔隙水壓力的變化規(guī)律，得出了規(guī)則波作用下不同波浪基本要素對(duì)孔隙水壓力的影響。程永舟等［8—9］通過(guò)物理模型實(shí)驗(yàn)，研究了破碎波作用下床面形態(tài)變化以及海床中孔隙水壓力響應(yīng)問(wèn)題，同時(shí)分析了波浪參數(shù)的變化對(duì)孔隙水壓力的影響。破碎帶水體運(yùn)動(dòng)機(jī)理十分復(fù)雜，本文著重對(duì)不同波浪作用下的床面形態(tài)以及孔隙水壓力進(jìn)行分析，同時(shí)探討不同破碎波類型對(duì)海床響應(yīng)的影響大小。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

本次實(shí)驗(yàn)在長(zhǎng)沙理工大學(xué)港航中心的波浪水槽中進(jìn)行，水槽兩側(cè)為透明玻璃，總長(zhǎng)40m，寬0.5m，高0.8m。試驗(yàn)中造波機(jī)采用大連理工大學(xué)研制的造波控制系統(tǒng)，通過(guò)攝像機(jī)對(duì)波浪以及床面形態(tài)進(jìn)行采集，孔隙水壓力量測(cè)采用天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所研制的SG2008型水工實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，浪高量測(cè)采用WG－50浪高儀和優(yōu)泰克采集系統(tǒng)。

2.2 模型設(shè)計(jì)

試驗(yàn)中采用中值粒徑為0.47mm的泥沙在水槽中鋪設(shè)坡度為1∶20的海床模型。首先根據(jù)預(yù)備實(shí)驗(yàn)確定波浪的破碎區(qū)，然后根據(jù)波浪破碎位置確定浪高儀、孔隙水壓力傳感器位置，不同波況根據(jù)破碎位置的不同而調(diào)整上述采集儀器的位置。圖1所示的實(shí)驗(yàn)布置圖是根據(jù)入射波高為10cm，周期為2s，水深為35cm的規(guī)則波情況布置的，其中布置7個(gè)浪高儀，在6＃斷面埋置1組孔隙水壓力傳感器，該組垂向布置4個(gè)孔隙水壓力傳感器，其中第一個(gè)壓力傳感器置于斜坡表面，豎直向下每隔5cm布置一個(gè)，壓力傳感器從上至下標(biāo)號(hào)為P1、P2、P3、P4。

圖1 實(shí)驗(yàn)布置示意圖

2.3 波浪參數(shù)

試驗(yàn)中，不同的波浪破碎時(shí)有可能產(chǎn)生不同類型的破碎波，不同類型的破碎波對(duì)海床中孔隙水壓力的影響不同，即使相同波況的波浪在破碎時(shí)也可能導(dǎo)致不同類型的破碎。波浪破碎類型可以由下式確定：

式中，β為斜坡坡度；H0為深水波高；L0為深水波長(zhǎng)，其中，

式中，T為周期，k為波數(shù)，h為水深。

當(dāng)0.46＜ξ0＜3.3時(shí)，波浪破碎類型為卷破波，當(dāng)ξ0＜0.46時(shí)，波浪破碎類型為崩破波，當(dāng)ξ0＞3.3時(shí)，波浪破碎類型為激破波。試驗(yàn)中的波浪采用孤立波和規(guī)則波，選取部分波況見(jiàn)表1。

表1 波況參數(shù)

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 孤立波和規(guī)則波對(duì)海床的影響

破碎波作用下床面形態(tài)變化劇烈，然而孤立波和規(guī)則波破碎時(shí)對(duì)床面形態(tài)的影響完全不同，對(duì)比分析了水深35cm、波高10cm的孤立波和水深35cm、波高10cm、周期2s的規(guī)則波兩組波況破碎時(shí)對(duì)床面形態(tài)的影響，其波形歷時(shí)曲線見(jiàn)圖2、3，從圖中可以看出，波浪從深海向淺海傳播過(guò)程中，波峰逐漸尖銳，波高逐漸增大至破碎時(shí)達(dá)到最大值，破碎后波高變得很小。

3.1.1 床面形態(tài)分析

圖4描述的是孤立波和規(guī)則波造波20次后破碎帶地形，從圖中可以得知，孤立波和規(guī)則波對(duì)床面形態(tài)影響不同，孤立波作用下，床面在波浪破碎前形成沙壩，在破碎處形成沙坑，而在規(guī)則波作用下，床面在破碎處形成沙壩，在破碎后形成沙坑。

圖2 孤立波歷時(shí)曲線

圖3 規(guī)則波歷時(shí)曲線

圖4 破碎帶床面形態(tài)

通過(guò)影像采集分析了孤立波造波次數(shù)以及規(guī)則波造波時(shí)間對(duì)床面形態(tài)的影響，從圖5、6可以得知。隨著造波次數(shù)的增加，沙層堆積和掏刷程度都會(huì)有所增加，然而與規(guī)則波相比，孤立波破碎段較長(zhǎng)，導(dǎo)致了床面形態(tài)受孤立破碎波影響范圍更大，且形成的沙壩和沙坑尺度較大。

3.1.2 孔隙水壓力分析

孤立波和規(guī)則波在向岸傳播過(guò)程中發(fā)生破碎，但波浪破碎時(shí)對(duì)海床孔隙水壓力的影響不同，見(jiàn)圖7，將相同水深和波高的孤立波和規(guī)則波破碎斷面的孔隙水壓力進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)孤立波破碎處不同深度處的孔隙水壓力相比規(guī)則波破碎處的孔隙水壓力較大，且規(guī)則波破碎處孔隙水壓力沿深度方向衰減較快。另外將表層P1值相同的兩組波況進(jìn)行對(duì)比分析，從圖8中可以得知，兩者在床面表層的孔隙水壓力大小相同，但是隨著深度的增加，孤立波破碎處孔隙水壓力幅值衰減較慢，而規(guī)則波破碎處孔隙水壓力幅值衰減較快。

3.2 波面變化對(duì)孔隙水壓力的影響

規(guī)則波在破碎前，波形歷時(shí)變化曲線很光滑，而在破碎時(shí)波面變化不穩(wěn)定，為了研究波面變化對(duì)海床不同深度孔隙水壓力的影響，對(duì)比分析了相同水深和波高的孤立波和規(guī)則波破碎時(shí)的波面歷時(shí)曲線和不同深度處的孔隙水壓力歷時(shí)曲線。通過(guò)圖9可以得知，不同海床深度的孔隙水壓力隨著波面的升高而增大，隨著波面的降低而減小，波面變化的歷時(shí)曲線與孔隙水壓力歷時(shí)曲線相似。然而，孤立波在爬坡和回落階段（圖9a）以及規(guī)則波箭頭所示波谷段（圖9b），波面變化較小，而不同深度處的孔隙水壓力卻持續(xù)下降，表明波面的變化不能完全反應(yīng)孔隙水壓力的變化規(guī)律。另外，波面的變化對(duì)不同海床深度的孔隙水壓力影響程度不同，波面變化對(duì)淺層的孔隙水壓力變化規(guī)律影響程度更大，波面變化歷時(shí)曲線與淺層孔隙水壓力變化歷時(shí)曲線最相似，與深層的孔隙水壓力歷時(shí)曲線相似度較低。

圖5 孤立波作用下床面變化

圖6 規(guī)則波作用下床面變化

圖7 相同波高時(shí)孔隙水壓力幅值

圖8 相同P1值時(shí)孔隙水壓力幅值

圖9 破碎波波面與孔隙水壓力歷時(shí)曲線

同時(shí)研究了波浪破碎時(shí)波面變化形態(tài)對(duì)孔隙水壓力梯度的影響，將P1－P2、P2－P3、P3－P4所得數(shù)據(jù)的歷時(shí)曲線與波面歷時(shí)曲線進(jìn)行對(duì)比分析，見(jiàn)圖10。從圖中可以看出，在波峰段，海床淺層的孔隙水壓力梯度值最大，沿著深度方向，孔隙水壓力梯度值逐漸減小。在孤立波爬坡和回落階段（圖10a）以及規(guī)則波波谷段（圖10b），當(dāng)波面變化不大時(shí)，不同深度的孔隙水壓力梯度相差不大。另外，波面變化歷時(shí)曲線與孔隙水壓力梯度歷時(shí)曲線極其相似，其相似度比波面變化與孔隙水壓力歷時(shí)曲線之間的相似度更高。這表明波面的變化更能反映一種壓力梯度的變化。

圖10 破碎波波面與孔隙水壓力梯度歷時(shí)曲線

3.3 不同破碎波類型對(duì)孔隙水壓力的影響

分析了入射波高為10cm、水深35cm、周期2s的規(guī)則波，通過(guò)式（1）計(jì)算得知，ξ0為0.295，即波浪開(kāi)始破碎類型為崩破波，從圖11中可以看出，床面形態(tài)未發(fā)生變化時(shí)，波浪破碎類型為崩破波，隨著破碎帶地形發(fā)生變化，形成沙壩及沙坑，波浪破碎類型由崩破波轉(zhuǎn)變?yōu)榫砥撇āｋS著波浪破碎類型的變化，土體中的孔隙水壓力隨之發(fā)生變化，圖12描述的造波1min前的孔隙水壓力幅值以及造波1～2 min的孔隙水壓力幅值，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得知，當(dāng)波浪破碎為崩破波時(shí)，土體中孔隙水壓力幅值相對(duì)較小，當(dāng)波浪破碎為卷破波時(shí)，土體中孔隙水壓力幅值相對(duì)較大。

圖11 地形變化及波浪破碎類型變化

圖12 不同類型破碎波作用下孔壓幅值

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)不同破碎波作用下床面形態(tài)及海床響應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)孤立波與規(guī)則波對(duì)海床床面形態(tài)變化的影響不同，與規(guī)則波相比，孤立波破碎區(qū)較長(zhǎng)，導(dǎo)致了床面形態(tài)受孤立破碎波影響范圍更大，孤立波破碎前床面形成沙壩，破碎處床面形成沙坑，且形成的沙壩和沙坑尺度較大。而規(guī)則波破碎處床面形成沙壩，破碎后床面形成沙坑，且形成的沙壩和沙坑尺度較小。對(duì)比分析波面歷時(shí)變化曲線與孔隙水壓力歷時(shí)變化曲線，發(fā)現(xiàn)兩者變化規(guī)律相似，進(jìn)一步對(duì)波面歷時(shí)曲線與孔隙水壓力梯度歷時(shí)曲線進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)波面歷時(shí)變化曲線與孔隙水壓力梯度歷時(shí)變化曲線更為相似，說(shuō)明波面變化更能反映海床內(nèi)部孔隙水壓力梯度的變化。破碎波沖擊海床，造成床面形態(tài)發(fā)生變化，然而床面形態(tài)的變化同時(shí)對(duì)波浪破碎類型產(chǎn)生影響，當(dāng)床面形成沙壩和沙坑時(shí)，破碎類型可由崩破波轉(zhuǎn)化為卷破波，且卷破波作用下的孔隙水壓力幅值較崩破波作用下的孔隙水壓力幅值大。

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