PEM透水管養(yǎng)灘護(hù)沙效果試驗(yàn)研究

楊會(huì)利，劉海成，譚忠華

（交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究院，天津 300456）

沙灘往往是濱海旅游資源開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)設(shè)施和首要條件，不具備沙質(zhì)海岸的地區(qū)，也經(jīng)常通過(guò)建設(shè)人工沙灘等手段營(yíng)造相應(yīng)的休閑旅游氛圍，受到了沿海各地區(qū)的高度重視。但由于世紀(jì)性的海平面上升以及陸續(xù)大規(guī)模的填海造地和圍墾養(yǎng)殖等人類(lèi)活動(dòng)對(duì)海岸環(huán)境影響的加劇，我國(guó)海岸沙灘的受侵蝕范圍日益擴(kuò)大，海濱沙灘資源正在逐年萎縮，海灘變窄變陡、沙粒粗化、岸線快速蝕退等問(wèn)題日益嚴(yán)重，形成了嚴(yán)重的海岸侵蝕災(zāi)害。科學(xué)合理地保護(hù)海濱沙灘，對(duì)濱海旅游產(chǎn)業(yè)有著舉足輕重的現(xiàn)實(shí)意義。

1 現(xiàn)有海岸防護(hù)工程建筑物類(lèi)型與效果分析

現(xiàn)有的海岸防護(hù)建筑物可分為“硬結(jié)構(gòu)”和“軟結(jié)構(gòu)”兩種[1]，“硬結(jié)構(gòu)”相對(duì)較為傳統(tǒng)且應(yīng)用廣泛[2]，如海堤可使陸地免遭風(fēng)暴潮、大風(fēng)浪等的破壞，但海堤對(duì)堤外海灘的侵蝕沒(méi)有任何防護(hù)措施；丁壩防止沿岸輸沙引起的泥沙流失和岸灘沖刷，但僅能對(duì)岸灘局部沖刷起作用；離岸堤能有效阻攔外海來(lái)浪，但對(duì)于單向沿岸輸沙較強(qiáng)的海岸不太適用。人工岬灣主要適用于沿岸輸沙率較小的砂質(zhì)海岸，是一種介于“硬工程”和“軟工程”之間的防護(hù)措施，岬頭可以起到消浪和改變波浪入射方向的作用，但岬頭附近將成為新的防護(hù)重點(diǎn)區(qū)?！败浗Y(jié)構(gòu)”中人工補(bǔ)沙具有不破壞海灘景觀且可有效改善海岸景觀和休閑娛樂(lè)價(jià)值的優(yōu)點(diǎn)[3]，但人工補(bǔ)沙不易找到合適的沙源，且后期需長(zhǎng)期進(jìn)行維護(hù)；人工鹽沼植被適用于弱侵蝕性和穩(wěn)定性及淤長(zhǎng)型的淤泥質(zhì)海岸，可減小波浪和潮流對(duì)岸灘和海堤的作用，但在強(qiáng)烈侵蝕的岸段難以實(shí)現(xiàn)，且引進(jìn)外來(lái)物種可能沖擊海岸原有的生態(tài)系統(tǒng)并帶來(lái)一系列的危害，如：互花米草在2003年初就被列為外來(lái)入侵種名單[4]。綜上所述，目前存在的現(xiàn)有海岸防護(hù)工程措施各有自身特點(diǎn)[5]，但無(wú)論是“硬結(jié)構(gòu)”還是“軟結(jié)構(gòu)”均存在成本較高，后期維護(hù)工程量較大等缺陷。

2 養(yǎng)灘護(hù)沙新技術(shù)工作原理及結(jié)構(gòu)介紹

PEM透水管沙灘養(yǎng)護(hù)新技術(shù)的原則是遵循自然界客觀規(guī)律[6]，充分利用海岸動(dòng)力環(huán)境和已有沙灘資源，通過(guò)改變沙粒間水壓力，增加顆粒間摩擦力，有效減緩波浪對(duì)沙灘的沖刷，加快泥沙沉降，從而起到促淤養(yǎng)灘的作用，是一種綠色、低碳的養(yǎng)灘護(hù)沙方法。PEM透水管系統(tǒng)是以矩形形式沿海岸線放置的豎直過(guò)濾器。漲潮時(shí)海水?dāng)y帶泥沙涌向沙灘，此時(shí)的沙灘濕潤(rùn)而不飽和，大量的海水通過(guò)PEM透水管快速流入沙灘內(nèi)部，海水?dāng)y帶的泥沙沉積在PEM透水管周?chē)?，由于PEM透水管的存在，漲潮時(shí)沉積在沙灘上的沙料要多于落潮時(shí)海水帶走的沙料，從而使沙灘慢慢淤積，達(dá)到沙灘修復(fù)的目的。

PEM透水管包括管體和管帽兩部分，管體四周設(shè)有透水不透沙的水平縫，管體上端設(shè)有管帽，管帽中間留有透氣孔，透氣孔用防沙多孔材料封堵。透水管管體和管帽材質(zhì)均為PVC。透水管沙灘養(yǎng)灘方法是將透水管（平行或交錯(cuò)）間隔布置在波浪破碎帶至波浪最高爬高線之間，PEM透水管布置圖見(jiàn)圖1。

圖1 PEM透水管布置圖Fig.1 Layout of PEM permeable pipe

3 模型試驗(yàn)研究

3.1 模型設(shè)計(jì)

模型試驗(yàn)研究在交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究院臨港試驗(yàn)基地進(jìn)行，水槽長(zhǎng)45 m，寬0.5 m，高1.1 m，水槽配有吸收式造波機(jī)，末端布置消波裝置，防止二次反射[7]。

試驗(yàn)中主要研究波浪作用為泥沙主導(dǎo)動(dòng)力條件下的試驗(yàn)研究，本物理模型試驗(yàn)研究需要滿足波浪運(yùn)動(dòng)相似和波浪作用下泥沙運(yùn)動(dòng)相似等要求，模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)遵照相關(guān)規(guī)程規(guī)定[8-9]，采用正態(tài)模型，模型比尺為1∶40。在模型中采用的海砂中值粒徑為D50=239.1μm，篩分結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 海砂篩分結(jié)果Fig.2 Sea sand screening results

模型試驗(yàn)中PEM透水管采用φ50的PVC管制作，底部用PVC板封住，PEM透水管長(zhǎng)400 mm（模型值，下同），水平縫單寬1 mm，間距4 mm，總長(zhǎng)200 mm。模型試驗(yàn)中PEM透水管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)細(xì)部圖見(jiàn)圖3。根據(jù)試驗(yàn)場(chǎng)地及規(guī)范要求，本模型中取坡度為1∶18.6，坡面坡度為3.08°，沙灘灘面距離造波機(jī)20 m，具體尺寸見(jiàn)圖4。

圖3 模型試驗(yàn)中PEM透水管設(shè)計(jì)圖（mm）Fig.3 Design drawing of PEM permeable pipein model test(mm)

圖4 試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒贾脠D（m）Fig.4 Layout of test model(m)

3.2 模型試驗(yàn)條件

根據(jù)我國(guó)海域波高分布[10]，本次研究波高值考慮常態(tài)波高和風(fēng)暴潮波高，波高值選取范圍為1.5～4.0 m（原型值），試驗(yàn)采用規(guī)則波，具體試驗(yàn)波浪要素見(jiàn)表1所示。

表1 試驗(yàn)波浪要素Table 1 Test wave elements

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

本次試驗(yàn)研究采用對(duì)比方法得出透水管的養(yǎng)灘效果，首先在初始剖面條件下模擬不同波浪條件下的坡面穩(wěn)定，待初始剖面達(dá)到基本平衡后，安裝透水管繼續(xù)觀察在相同波浪條件下的灘面變化，并進(jìn)行對(duì)比分析。

本次試驗(yàn)研究過(guò)程中，在波浪累積作用下觀察沙灘剖面變化，直至剖面達(dá)到基本平衡為止。模型試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)中，橫軸坐標(biāo)水平距離零點(diǎn)位于坡腳處，垂直高度零點(diǎn)位于水槽底部。如圖4所示。

3.3.1 PEM透水管養(yǎng)灘效果分析

通過(guò)海灘穩(wěn)定性試驗(yàn)得出波浪的整個(gè)傳播過(guò)程為：達(dá)到海灘后的波浪在海床底摩阻的作用下，波高逐漸減??；隨著水深的進(jìn)一步減小，波浪的淺水效應(yīng)逐漸加強(qiáng)，波高增大；波高增大一定程度后達(dá)到對(duì)應(yīng)水深的極限波高，出現(xiàn)破碎；破碎后波高衰減，波浪順著沙灘向上爬升。在整個(gè)波浪的傳播過(guò)程中，泥沙運(yùn)動(dòng)主要集中在波浪破碎帶內(nèi)，在波高較大時(shí)，泥沙會(huì)迅速發(fā)生離岸運(yùn)動(dòng)，岸灘發(fā)生嚴(yán)重沖刷侵蝕[11]，水下會(huì)形成不同高度的沙壩。

從圖5可以看出，隨著波高的增大，向岸運(yùn)動(dòng)的泥沙淤積量逐漸減小，而離岸運(yùn)動(dòng)的泥沙淤積量逐漸增加，離岸沙壩高度、范圍在增大，其位置向海移動(dòng)；向岸沙壩高度、范圍在減小，其位置向岸移動(dòng)；侵蝕沙槽深度、范圍也逐漸增大，其位置向岸移動(dòng)。在整個(gè)波浪的傳播過(guò)程中，泥沙運(yùn)動(dòng)主要集中在波浪破碎帶內(nèi)。

圖5 方案前各波浪條件下平衡剖面圖Fig.5 Balanced profile under variouswaveconditions before thescheme

待初始剖面平衡后，將4根透水管用沙均勻固定在潮間帶，模型試驗(yàn)中安裝透水管過(guò)程中保持初始平衡剖面不被破壞。試驗(yàn)中透水管間距d與波長(zhǎng)L比值分別取0.08，0.11，0.15和0.21[11]。在相同的試驗(yàn)條件下對(duì)灘面繼續(xù)進(jìn)行波浪試驗(yàn)，待灘面基本不再變化判斷為平衡。

從圖 6（a）～（d）中可以看出隨著波高的增大，岸灘灘肩最大淤積高度、岸灘灘肩最大淤積位置并非單一的增加或減小，方案后波高對(duì)灘肩最大淤積高度及灘肩最大淤積位置的影響更為明顯；岸灘最大沖刷深度均隨著波高呈非等比例的增加，方案后波高對(duì)沖刷深度的影響更為明顯；岸灘最大沖刷深度離岸距離沿波高沒(méi)有太明顯的規(guī)律，由于在波高變大后，水面以下沙壩個(gè)數(shù)增多，數(shù)據(jù)中僅統(tǒng)計(jì)了最大沖刷深度的離岸距離，因此最大沖刷位置可能出現(xiàn)向岸或向海移動(dòng)，隨波高的變化規(guī)律不太明顯。

圖6 波高對(duì)最大淤積及最大沖刷的影響Fig.6 Wave height influence on maximum sedimentation and erosion

在不同波高條件下初始和方案后平衡剖面變化見(jiàn)圖 7（a）～（d）所示，圖 7（e）為波高 2.0 m 波浪作用時(shí)試驗(yàn)照片。方案后平衡剖面與初始平衡剖面相比，在不同波高條件作用下灘肩淤積均有向岸移動(dòng)，整體灘面均有所加寬；在原型波高1.5 m、2.0 m和3.0 m時(shí)，灘肩最大高度有所增高，原型波高4.0 m時(shí)略有減??；最大沖刷深度均有不同程度的增大，由于下游供沙不足，灘面的加寬導(dǎo)致水面以下沖刷有所加?。蛔畲鬀_刷位置在原型波高1.5 m、2.0 m和4.0 m時(shí)向岸移動(dòng)，在波高3.0 m時(shí)最大沖刷位置向海移動(dòng)。

綜合考慮在原型波高1.5 m、2.0 m和3.0 m時(shí)PEM透水管養(yǎng)灘效果較為明顯，在原型波高4.0 m時(shí)養(yǎng)灘護(hù)沙效果較差。

圖7 PEM透水管安裝后剖面試驗(yàn)結(jié)果Fig.7 Profiletest resultsof PEM permeable pipe after installation

由試驗(yàn)結(jié)果分析可以看出，通過(guò)布置PEM透水管，在一定的波高條件下可以通過(guò)改變沙灘的滲透性，減緩海水后退速度，加快泥沙沉積速度，達(dá)到沙灘修復(fù)的目的。

3.3.2 PEM透水管間距的影響

試驗(yàn)中透水管間距d與波長(zhǎng)L的比值分別取0.08、0.11、0.15和0.21，d/L對(duì)灘肩最大淤積高度及位置的影響如圖8所示，可以看出灘肩最大淤積高度并非隨著d/L的增加呈現(xiàn)單一的增加或減小，灘肩最大淤積位置也不是隨著d/L的增加呈現(xiàn)單一的增加或減小，因此合理的透水管間距可以提高透水管養(yǎng)灘護(hù)沙效果。

圖8 d/L對(duì)灘肩最大淤積的影響Fig.8 Influence of d/L on maximum deposition of beach shoulder

4 結(jié)語(yǔ)

1）現(xiàn)有的海岸防護(hù)工程均各有特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)海岸防護(hù)工程方案時(shí)，應(yīng)揚(yáng)長(zhǎng)避短，選擇合適的措施。

2）通過(guò)海灘穩(wěn)定性試驗(yàn)得出：在各試驗(yàn)波浪條件下無(wú)方案時(shí)，離岸沙壩高度、范圍均隨波高增大而增大，其位置向岸移動(dòng)；向岸沙壩高度、范圍隨波高增大而減小，其位置向海移動(dòng)；侵蝕沙槽深度、范圍隨波高增大逐漸增大，其位置向岸移動(dòng)。

3）在原型波高1.5 m，2.0 m，3.0 m試驗(yàn)條件下，PEM透水管養(yǎng)灘護(hù)沙效果較好，在原型波高4.0 m時(shí)，PEM透水管養(yǎng)灘護(hù)沙效果較差。

4）方案前和方案后岸灘灘肩最大淤積高度、灘肩最大淤積位置和岸灘最大沖刷深度離岸距離均沿波高呈現(xiàn)非單一的增加或減小，但最大沖刷深度隨著波高的增大呈現(xiàn)非等比例的增加。透水管安裝后波高對(duì)灘肩最大淤積高度影響更為明顯。

5）灘肩最大淤積高度并非隨著透水管間距d與波長(zhǎng)L比值的增大呈現(xiàn)單一的增加或減小，灘肩最大淤積位置也不是隨著d/L的增加呈現(xiàn)單一的增加或減小，合理的透水管間距可以有效提高透水管養(yǎng)灘護(hù)沙效果。