近岸取沙對岸灘穩(wěn)定性影響
——波浪動床物理模型試驗

徐 嘯，佘小建，崔 崢

(南京水利科學(xué)研究院，南京 210024)

在近岸區(qū)采沙涉及到岸灘穩(wěn)定、生態(tài)、環(huán)境等諸多因素。本研究主要致力于對岸灘穩(wěn)定性的影響；迄今國內(nèi)外對此課題研究，特別是應(yīng)用物理模型試驗的研究成果甚少。本文以曹妃甸東側(cè)灘涂為對象，研究各取沙方案實施后，波浪引起的向離岸輸沙運動及相應(yīng)岸灘剖面的沖淤類型變化，據(jù)此評估取沙對岸灘穩(wěn)定性的影響程度。

1 波浪動床泥沙試驗技術(shù)路線

1.1 基本思路——主要研究向-離岸(橫向)輸沙規(guī)律

在一個相對穩(wěn)定的岸灘海域，如果沒有人工建筑物阻擋沿岸輸沙，岸灘在較大波浪作用下短期的侵蝕問題一般主要與近岸區(qū)泥沙的向-離岸運動密切相關(guān)。這與南京大學(xué)1997年對曹妃甸灘槽穩(wěn)定性分析中“沙壩沿岸泥沙運動以橫向為主、縱向較弱”結(jié)論是一致的[1]。如取沙區(qū)布置在破波區(qū)附近，取沙區(qū)將起“集沙坑”作用，沿岸輸沙將有利于取沙區(qū)的淤積和恢復(fù)，對維持當(dāng)?shù)匕稙┑姆€(wěn)定性是有利的因素，暫不考慮沿岸輸沙作用更為合理[2-3]。

1.2 主要指標(biāo)——向岸─離岸輸沙凈輸沙量

岸灘的穩(wěn)定性取決于岸灘受侵蝕的程度，而能定量描述岸灘受侵蝕的指標(biāo)主要為：

(1)岸線(或水邊線)向岸方向后退的速率；

(2)岸灘剖面上向-離岸輸沙量的相對大小和分布特點[4]。

(1)

可導(dǎo)得波浪作用t時后，通過x點的凈輸沙總量為

(2)

這樣，只要掌握任一時刻剖面地形，與初始剖面相比較，即可計算出某時段內(nèi)岸灘剖面上任一點處泥沙凈輸運量的大小和方向。剖面上凈輸沙量分布規(guī)律與岸灘沖淤類型有內(nèi)在的聯(lián)系，特別是最大凈輸運量Qm的位置是研究岸灘輸沙運動和沖淤規(guī)律的一個重要特征量。

1.3 沙質(zhì)岸灘剖面類型

依據(jù)實驗室觀測資料，并對比了前人所進(jìn)行的工作，仍以岸線(水邊線)的沖淤變化和近岸帶泥沙輸運特點為主要指標(biāo)，將岸灘分為以下幾類[5]：

侵蝕型或用字母表示： Ⅰ型

過渡型 Ⅱ-1型及Ⅱ-2型

淤積型 Ⅲ-1型及Ⅲ型

為方便起見，現(xiàn)將這幾種類型剖面定義及特點繪于表1。關(guān)于侵蝕型和淤積型，定義較清楚；但過渡型輸沙情況較復(fù)雜，下面對此種剖面輸沙特點作簡要介紹。

(1)過渡型海灘剖面與相應(yīng)動力條件處于相對比較協(xié)調(diào)的狀態(tài)，這時凈輸沙量較小，Qm數(shù)也較小。

(2)過渡型岸灘的岸線也處于相對穩(wěn)定狀態(tài)，表現(xiàn)為對動力條件的變化甚為敏感，岸線時淤時沖，時進(jìn)時退，但凈輸沙量卻很少。

(3)當(dāng)泥沙顆粒較細(xì)時，一般多呈Ⅱ-1；泥沙顆粒較粗時多為Ⅱ-2型岸灘形態(tài)。

表1 各類岸灘剖面特點Tab.1 Characteristics of various types of beach profile

1.4 沙質(zhì)岸灘剖面類型的判數(shù)

本文采用Hattori & Kawamata判數(shù)[6]，此判數(shù)既可用于現(xiàn)場也可用于實驗室資料，即

1.5 擬選沙源區(qū)岸灘剖面類型及對應(yīng)特征波要素

擬選曹妃甸沙源區(qū)范圍內(nèi)自西向東岸灘坡度從1/225減緩為1/500(圖1)，說明它們的岸灘剖面形態(tài)有較大差別；這反映了沙源區(qū)復(fù)雜的動力機(jī)制和泥沙運動特征。即同樣的波浪條件在東側(cè)可能淤積而在西側(cè)發(fā)生侵蝕(參看文獻(xiàn)[2]中表5)。為了研究擬選沙源區(qū)對岸灘穩(wěn)定性的影響，需在整體模型中研究波浪作用下的向離岸二維泥沙運動問題，為此須進(jìn)行必要的概化處理，即選擇代表性較好的岸灘剖面作為擬選沙源區(qū)的“特征剖面”，并設(shè)法確定對應(yīng)的特征波要素。

在文獻(xiàn)[2]中，我們業(yè)已通過驗證試驗證明，本波浪泥沙動床模型可以較好地符合岸灘特征剖面理論。

1.6 評價取沙方案對岸灘穩(wěn)定性影響的基本原則

我們將未取沙條件下波浪泥沙試驗作為取沙工程實施前的比照對象；然后進(jìn)行同樣波況條件下不同取沙工程方案實施后的波浪動床泥沙試驗，分析比較取沙方案實施后對岸灘沖淤造成的影響，設(shè)法從定性上判斷對岸灘穩(wěn)定性的影響；因為對復(fù)雜的波浪泥沙問題而言，正確的定性理解比定量掌握更為重要。

通過對試驗資料的整理和綜合分析，初步考慮，評價取沙方案對附近岸灘穩(wěn)定性影響的指標(biāo)以及是否可取的原則有以下幾種：

A 不要因?qū)嵤┤∩扯淖儼稙┢拭鏇_淤類型，特別是不要將“淤積型”或“過渡型”岸灘因取沙而轉(zhuǎn)換成“侵蝕型”岸灘，這是本文遵循的基本原則；

B 最大侵蝕的位置應(yīng)盡量遠(yuǎn)離岸線(圍堤軸線)，以免影響近岸圍堤的穩(wěn)定性；

C 發(fā)生最大侵蝕的位置也應(yīng)盡量遠(yuǎn)離“取沙坑”，以避免發(fā)生岸坡崩塌現(xiàn)象；

D 取沙引起的岸灘侵蝕幅度，與未取沙相比，平均沖刷深度和沖刷范圍均不得有明顯的增加。

2 波浪動床泥沙試驗成果分析

表2 動床試驗組次和條件[7]Tab.2 Movable bed test cases and condition[7]

2.1試驗方案、組次

物理模型中波浪泥沙動床試驗組次和條件如表2。其中邊界條件“圍?！北硎臼I(yè)區(qū)圍海工程建成，“現(xiàn)狀”即圍海工程未建；如未加說明取沙深度均為5 m；而“優(yōu)化方案”系在基本方案試驗結(jié)果的基礎(chǔ)上提出的方案。圖1為沙源區(qū)水深觀測斷面位置圖。

圖1 擬選沙源區(qū)地形觀測斷面位置示意圖Fig.1 Sketch of the topographic observation sections of selected sand source area

2.2 未取沙時沙源區(qū)岸灘沖淤特點

首先進(jìn)行了未取沙時、各種波況條件下擬選沙源區(qū)岸灘剖面沖淤特點試驗。

由試驗結(jié)果，可歸納出不同波況條件下岸灘剖面沖淤變化幾個特點：

(1)西端的1#斷面，岸坡較陡，各種波浪條件下均呈“侵蝕型”剖面特征。

(2)而位于取沙區(qū)中間的3#斷面，岸灘坡度較緩，在小浪條件下基本為淤積型，在中浪條件下呈微淤型；在大浪條件下，為弱侵蝕型。

(3)中、小浪情況下，近岸1 200 m范圍內(nèi)岸灘沖淤幅度最大；大浪在深水區(qū)即發(fā)生破碎(類似于崩破波)，破波帶范圍較大，波能沿程耗散，加上作用時間短，導(dǎo)致床面沖淤范圍大但沖淤幅度反而小于中、小浪。

以上分析表明，進(jìn)行4#、8#擬選沙源區(qū)取沙方案試驗和分析時，以中浪為主、輔以大浪較合理；進(jìn)行2#沙源區(qū)方案試驗時，以中浪為主，輔以大浪和小浪較合理。

(4)石化工業(yè)區(qū)等圍海建堤后，原岸灘剖面上“淤積區(qū)”范圍將向海方向擴(kuò)移。

(5)石化工業(yè)區(qū)等圍海建堤后，原岸灘剖面上“侵蝕區(qū)”范圍同樣向海方向移動，而且侵蝕強(qiáng)度有所下降。

(6)未圍海條件下大浪的能量可以在較寬闊的灘涂逐漸沿程耗散；在圍海后，波能只能在大堤前近岸區(qū)耗散。其結(jié)果是圍海建堤后，近岸區(qū)岸灘的侵蝕范圍和強(qiáng)度均大于圍海建堤前。

即在目前曹妃甸特定岸灘地形條件下、在大浪動力環(huán)境下，石化工業(yè)區(qū)圍海建堤，對穩(wěn)定附近岸灘是不利的。

以上分析表明，為了偏于安全，在分析中小浪試驗資料時，宜采用未圍海建堤邊界條件的成果；在分析大浪試驗資料時，宜采用圍海建堤邊界條件。

2.3 取沙方案實施后試驗結(jié)果

模型中分別進(jìn)行了“大浪(Ho=4.3 m)”、“中浪(Ho=2.2 m)”，有、無圍堤等各種取沙方案的動床波浪泥沙試驗。表3、表4分別為中浪和大浪條件下各沙源區(qū)取沙方案實施后各斷面平均沖刷深度增大值，邊界條件均為有石化工業(yè)區(qū)圍海建堤。

根據(jù)前面提出的評價取沙方案對附近岸灘穩(wěn)定性影響的指標(biāo)以及是否可行的原則，對已進(jìn)行的波浪泥沙動床試驗成果綜合分析后，得到以下結(jié)論：

(1)在8#沙源區(qū)取沙影響最小，但取沙西邊界應(yīng)適當(dāng)東移(建議現(xiàn)西邊界東移1 km或更遠(yuǎn)，亦即離甸頭距離不得小于7 km)。

(2)在4#和8#沙源區(qū)取沙后，岸灘侵蝕強(qiáng)度與未取沙情況相比，有增大趨勢；基于曹妃甸岸灘穩(wěn)定性的重要性，建議4#沙源區(qū)的岸側(cè)邊緣需適當(dāng)向海方向調(diào)整。

(3)在2#沙源區(qū)取沙，將使大部分岸灘由“淤積型”剖面特征轉(zhuǎn)變成“侵蝕型”剖面特征，同時會導(dǎo)致近岸1 200 m范圍內(nèi)岸灘加大侵蝕強(qiáng)度，直接影響到曹妃甸近岸岸坡的穩(wěn)定性。為此，不宜在2#沙源區(qū)取沙。

據(jù)此可知，取沙方案的優(yōu)化重點是4#擬選沙源區(qū)。

表3 “中浪”條件下取沙后各斷面 平均沖刷深度增值Tab.3 The increases of the average erosion depth of each section under "medium wave" m/a

表4 “大浪”條件下取沙后各斷面 平均沖刷深度增值Tab.4 The increases of the average erosion depth of each section under "big wave" m/a

注：增值=取沙后沖刷值-未取沙條件下沖刷值，下同。

表5 優(yōu)化方案組次和試驗條件Tab.5 The optimization test cases and conditions

2.4 取沙優(yōu)化方案試驗[7]

基于曹妃甸岸灘穩(wěn)定性的重要性，4#沙源區(qū)的岸側(cè)邊緣需適當(dāng)向海方向調(diào)整。取沙區(qū)優(yōu)化試驗的目的即設(shè)法確定4#沙源區(qū)合適的岸側(cè)邊緣位置。共進(jìn)行了5組優(yōu)化試驗。

取沙優(yōu)化方案沙源區(qū)基本位于-7.5 m以下深水區(qū)，小浪一般不起作用，為便于進(jìn)行方案比選，模型中主要進(jìn)行了“中浪”及“圍?！睏l件下的試驗，部分方案進(jìn)行了“大浪”試驗(表5)。

表6為“中浪”和“圍?！睏l件下，各工況的擬選沙源區(qū)4個地形觀測斷面向、離岸輸沙量變化情況，表中圖上虛線表示未取沙現(xiàn)狀條件下試驗結(jié)果，實線表示各取沙方案實施后試驗結(jié)果。表7為各優(yōu)化方案條件下各斷面岸灘年平均沖刷深度增大值。由表6和表7可以總結(jié)如下：

① 1#斷面為侵蝕型剖面，取沙后剖面沖淤類型不變；8#沙源區(qū)取沙、優(yōu)化方案1、2、4條件下離岸輸沙量有較明顯的增大，優(yōu)化方案3和5離岸輸沙量基本不變。

② 2#斷面屬過渡型剖面類型，取沙后剖面類型不變；優(yōu)化方案1、4條件下離岸輸沙量有較明顯的增大，其它方案變化不明顯。

③ 3#斷面和4#斷面屬淤積型剖面類型，取沙后剖面類型不變，除優(yōu)化方案3和4向岸輸沙量有所減小，其它方案變化不大。

表6 各種工況條件下，擬選沙源區(qū)4個斷面向—離岸輸沙量變化圖Tab.6 Variation of on-offshore sediment transport discharge in the sections of selected taking sand area in each test case

如前所述，我們希望取沙方案實施后，岸灘發(fā)生沖刷的區(qū)域盡量遠(yuǎn)離圍堤，以免影響圍堤的穩(wěn)定性。表8為各優(yōu)化取沙方案條件下，灘面沖刷區(qū)離規(guī)劃圍堤軸線的距離。

表7 各優(yōu)化方案條件下各斷面岸灘平均沖刷深度增值Tab.7 The increases of average scour depth in each section of the optimized test case m/a

表8 各優(yōu)化方案條件下各斷面取沙沖刷區(qū)離岸距離Tab.8 Offshore distance of the sand erosion area in each section of each optimized case m

對優(yōu)化取沙方案的綜合評價：

根據(jù)以上分析和岸灘沖淤圖，可以對各優(yōu)化取沙方案對各觀測斷面沖淤影響作出評價，綜合評價結(jié)果見表9。對評價結(jié)果可總結(jié)出以下幾點：

① 1#斷面附近地形沖淤對取沙較為敏感，即使在8#沙源區(qū)取沙深度2 m的情況下，岸灘沖刷強(qiáng)度仍出現(xiàn)一定量值的增大，因此，建議擬選沙源區(qū)西側(cè)邊界離甸頭距離不得小于7 km(或擬選沙源區(qū)西邊界以東1 km以外)。

② 在各種邊界和波況條件下，優(yōu)化方案1(-7.5 m等深線以下取沙)對2#斷面附近岸灘沖淤均有一定影響，因此取沙區(qū)岸側(cè)邊緣宜取在-7.5 m等深線以下，從試驗結(jié)果看優(yōu)化方案5較好。

③ 從優(yōu)化方案3和4試驗結(jié)果看，如取沙區(qū)東端岸側(cè)邊緣位于-5 m附近，不論取沙深度2 m還是5 m，3#、4#斷面岸灘均發(fā)生一定程度沖刷；綜合考慮各方案對岸灘影響后認(rèn)為， 3#斷面取沙區(qū)岸側(cè)邊緣可以取在-10 m等深線與優(yōu)化方案2之間； 4#斷面取沙區(qū)岸側(cè)邊緣可以取在-7.5 m等深線附近。綜上所述，優(yōu)化取沙方案5稍優(yōu)于其它優(yōu)化方案。

表9 各工況條件下，對各取沙優(yōu)化方案的綜合評價Tab.9 A comprehensive evaluation on each sand-taking optimization schemes

3 波浪動床泥沙試驗小結(jié)

(1)評價取沙方案是否可行的原則和技術(shù)路線。

通過對大量試驗資料綜合分析，充分考慮本研究課題的目的和意義，反復(fù)斟酌后確定評價取沙方案對附近岸灘穩(wěn)定性影響的指標(biāo)和是否可行的原則(見前面1.6節(jié)內(nèi)容)。這些原則在以往的研究中均未系統(tǒng)研究，它們對今后取沙問題研究具有探索性意義。

(2)取沙方案試驗成果分析主要結(jié)論。

取沙西邊界距曹妃甸甸頭以東距離不得小于7 km。

不宜在-7.5 m等深線以上淺灘取沙。

(3)小結(jié)。

在近岸區(qū)取沙是個相當(dāng)敏感的課題，它不僅涉及岸灘穩(wěn)定性問題，還涉及生態(tài)、環(huán)境影響等問題。迄今國內(nèi)外對此課題研究、特別是應(yīng)用物理模型試驗的研究成果甚少[11-12]。本試驗研究帶有探索性意義，研究方法和所得結(jié)論尚需得到更多資料的印證。