蒋昌波, 郑 睿, 陈 杰, 邓 斌, 冯 璐

(1.长沙理工大学水利工程学院,湖南 长沙 410114; 2.水沙科学与水灾害防治湖南省重点实验室,湖南 长沙 410114;3.洞庭湖水环境治理与水生态修复湖南省重点实验室,湖南 长沙 410114)

海啸是一种极具破坏力的海浪,不仅会引起岸滩的侵蚀和淤积变化[1-3],而且在建筑物周围产生剧烈的淘刷[4-6],严重影响其稳定性[7-9]。海堤作为一种常见的海岸防护建筑物,能有效抵挡海啸灾害,因此如何减小海啸引起的海堤局部冲刷问题已成为海岸工程的研究热点。

近年来,国内外学者针对近岸海堤局部冲刷问题开展了大量的研究工作。陈杰等[10-11]对海啸波作用下直立堤、潜堤局部冲刷规律进行了研究;Sumer等[12]对防波堤、潜堤周围的冲刷过程进行了归纳总结,得出了冲刷深度计算经验公式;高学平等[13-14]探讨了堤前滩地的冲淤形态和冲刷机理;庞启秀等[15]研究了潜堤高度对局部冲刷的影响。这些研究主要分析了波浪与海堤的相互作用。王俊等[16-22]研究发现植物的消浪缓流特性会改变波浪的破碎和爬高,对岸滩冲淤变化产生较大影响。而现阶段综合考虑植被因素影响下海堤局部冲淤问题的研究较为少见,目前蒋昌波等[23]已开展了植物对孤立波作用下直立堤局部冲刷的试验研究,发现植物带对海堤局部冲刷形态的影响较大,但尚未对冲淤面积和冲淤平衡点的变化进行深入探讨和分析。

为弥补现有研究不足,本文拟在已有的研究基础上,开展植被区海啸波作用下海堤附近床面冲淤变化试验,探讨植物因素对冲淤面积、最大冲淤高度以及冲淤平衡点的影响。

图1 试验布置(单位:m)

图2 植物分布方案

1 试验方案

试验在长沙理工大学水利实验中心波浪水槽内进行,水槽长40 m、宽0.5 m、高0.8 m,配有造波系统,两侧为透明玻璃,且两端设有良好的消波设施。试验布置如图1所示,沿水槽长度方向为x轴,宽度方向为y轴,高度方向为z轴,坐标原点位于斜坡起点。参考蒋昌波等[23]试验,将海岸地形简化为1∶10和1∶20的组合斜坡,并在水深0.35 m处变坡。参考众多海啸泥沙试验[1,4,5,17],模型用沙不考虑比尺效应,斜坡采用粒径d为0.293 mm的细颗粒均匀沙,以保证波浪作用下泥沙的起动符合实际情况中泥沙起动的条件。

(1)

式中:Vs为植物分布区域的体积;V为整个区域的体积;n为植物根数;Si为单株植物横截面面积;S为所有植物分布的区域面积。

试验工况如表1所示,选用4种不同的孤立波入射波高H,3种不同的植物带密度φ和植物带长度B，5种不同的植物模型，其中模型M1、M2、M3按照图2中方案1分布，模型M4按照方案3分布，模型M5按照方案2分布。考虑到海啸波一般是多次侵袭,因此试验进行多个波逐个作用,当一个波作用过后,15～20 min后待水面平静再进行下一个波浪作用。通过前期预备试验发现,作用15个波后冲刷基本达到平衡状态,因此每组试验开始前测量初始地形,并在冲刷15个波之后测量最终地形。试验开始前对造波机的可靠性和重复性、地形变化的重复性、仪器的可靠性进行了验证。确定各仪器性能良好后,进入正式试验阶段。

表1 试验工况

2 试验结果与分析

2.1 植物对海堤附近冲淤变化的影响

图3 有、无植物情况下在海啸波作用下海堤局部冲淤的变化

图3给出了有植物(模型M2)与无植物情况下,海堤附近岸滩冲淤形态变化的对比,其中δ=0.10 m,H=0.15 m。由图3可以发现,植物的存在使得堤后相对最大冲刷深度显著减小,堤前岸滩剖面冲刷面积大幅增大,冲刷位置由原堤脚处前移至植物带所在位置,表明植物的消浪作用对海堤的防护效果较明显。同时原始地形冲淤量不明显平衡是由于波浪上爬后回落水流将堤后泥沙挟带至堤前落淤所致。

表2给出了有、无植物带时海堤堤前和堤后相对最大淤积高度ddmax、相对最大冲刷深度demax的对比,其中,ω1、ω2分别为植物带的存在对相对最大冲刷深度、相对最大淤积高度的影响百分比(百分比为正,表示增加;百分比为负,表示减小)。由表2可知,相比无植物情况,植物作用下堤后相对最大淤积高度增加超过98%,海堤附近局部淤积效应增强。而植物带的存在减弱堤后局部冲刷效应,且减弱的显著程度随植物带分布方式的不同而不同。堤前相对最大冲刷深度则随植物带密度的不同而不同,在植物模型M3情况下,由于其沿水流流向上长度最长、植物带密度最大,因而阻水性能更加显著,致使相对最大冲刷深度显著减小。而其他植物模型情况下反而导致堤前相对最大冲刷深度小幅增加(增加均小于30%)。

表2 有、无植物带时海堤相对最大冲淤高度

2.2 植物对海堤堤前冲淤面积比的影响

如图3所示,采用无量纲参数冲淤面积比λ来表征植物因素对海堤堤前淤积沙坝面积与冲刷坑面积变化的影响,计算公式为

(2)

式中:Ad为海堤堤前淤积沙坝的总面积;Ad1、Ad2分别为植物带前、后淤积沙坝的面积;Ae为堤前冲刷坑的总面积。

图4(a)和4(b)分别给出了B、φ不同时堤前冲淤面积比λ随入射波高的变化对比，可以看出,同一植物模型情况下,随H的增大,λ先增大后逐渐减小。这是因为随H的增大,波浪挟沙能力增强,经过植物带时由于其消浪作用,导致部分泥沙沉积,淤积面积增大,故λ相应增加。但当H增大至0.12 m后,水质点运动速度增大,波能急剧增强,大量泥沙启动,冲刷明显加剧,故λ减小。当H=0.09 m时,与其他模型相比,植物模型M4的λ明显偏大,其值与H=0.06 m时相比增大约82%,此情况下堤前淤积最为严重。图4(c)给出了植物模型M5在4种入射波高情况下,不同δ对λ变化的影响。由图4(c)可见,同一δ下,随H的增大,λ先增加约85%后逐渐减小。在较大H情况下,δ=0.10 m时,其λ明显小于δ=0.05 m、0 m时的值,且随着δ的减小而增大,可见波高较大时δ对堤前床面的冲淤变化影响显著。

图4 植物存在对海啸波作用下堤前冲淤面积比的影响

图4(d)和4(e)分别给出了4种波高情况下,不同B(φ相同)和不同φ(B相同)的植物模型对λ变化的影响对比。由图4(d)和4(e)可知,当波高较小时(H=0.06 m、0.09 m),随B(或φ)的增大,λ先增大后减小,而较大波高情况下(H=0.12 m、0.15 m),λ随B(或φ)的增大而增大,可见植物因素对λ的影响受到H制约。图4(f)给出了无海堤情况下H不同时λ随φ的变化对比,在H=0.06 m、0.12 m时,随φ的增大,λ呈现先增大后减小现象,而当H=0.09 m时,λ呈相反的变化趋势,可见无海堤时λ的变化并不依赖于H。

2.3 植物对海堤堤前冲淤平衡点移动的影响

如图3所示,定义植物带附近床面由淤积向冲刷过渡的临界位置点为冲淤平衡点ο,其位置变化可综合反映植物因素对堤前冲淤动态平衡的影响。

图5(a)和5(b)分别给出了B和φ不同时冲淤平衡点ο位置随波高H的变化对比，可以看出,冲淤平衡点ο移动距离的范围为0～0.06 m。同一植物模型情况下,随H增大,点ο先右移后左移。当H=0.15 m时,相较于模型M2、M3、M4,模型M1和M5对应的点ο的位置明显往左移动,冲淤动态平衡位置前移。图5(c)给出了模型M5在4种波高情况下,不同δ对冲淤平衡点ο的影响对比，相同δ情况下,随H增大,点ο均先右移后左移。当H增大至0.12 m后,δ对点ο位置的影响不明显。当δ=0 m时,由于越堤水体显著增加,对后续波浪对地形的冲刷起保护作用,离岸侧地形提前达到冲淤平衡,故其点ο位置相较于δ=0.1 m、0.05 m明显右移,且H=0.09 m时,右移量最大为0.45 m。

图5 植物存在对海啸波作用下堤前冲淤平衡点位置移动的影响

图5(d)和5(e)分别给出了4种H情况下,不同B(φ相同)和不同φ(B相同)的模型对点ο位置变化的影响对比。由图5(d)可知,H相同时,随B的增大,点ο先右移后左移。当H=0.15 m时,随B的增大,点ο逐渐右移,且偏移量逐渐增大至0.02 m。由图5(e)可见,当H=0.06 m、0.09 m时,随φ的增大,点ο逐渐左移,且偏移量逐渐减小。而当H=0.12 m、0.15 m时,随φ的增大,点ο先左移后右移。可见,点ο位置的变化受H和植物因素的综合影响。图5(f)给出了无海堤情况下H不同时点ο位置随φ的变化对比。当H=0.06 m时,随φ增大,点ο逐渐右移0.01 m；当H增大至0.09 m后,点ο先左移后右移。可知无海堤存在时冲淤平衡点ο的位置变化并不依赖于波高。

3 讨 论

由于受海啸波、植物、泥沙和岸滩等因素的共同影响,植物影响下的海堤附近床面冲淤变化规律较为复杂。参考陈杰等[17]的研究,发现其主要影响因素有海啸波波高、植物带密度、植物带长度、堤顶出水高度、泥沙粒径、泥沙比重、岸滩坡度等,因此刚性植物对海啸波作用下海堤局部冲淤规律可用下式表示:

f(Ae,Ad,χo,H,L,B,δ,φ,d50,γs,γw,tanα)=0

(3)

式中:χο为冲淤平衡点相对水平距离;d50为泥沙中值粒径;γs为泥沙容重;γw为水的容重;tanα为斜坡坡度。将式(3)中参数作无量纲变换后可变为如下形式:

(4)

图6 堤前冲刷坑、淤积沙坝、冲淤平衡点相对水平位置的尺度与植物、波陡、泥沙和岸滩坡度之间的关系

式中:Ae/d2为堤前冲刷坑的尺度;Ad/d2为堤前淤积沙坝的尺度;χο/H为冲淤平衡点相对水平位置尺度,以上 3个参数可用来表征海堤局部冲淤变化的影响;H/L为海啸波波陡,可用来表征海啸波水动力的影响;B/L为植物带相对长度,与植物带密度φ共同表征植物因素的影响;δ/H为堤顶出水高度尺度,用于表征海堤堤顶出水高度的影响;Sd=γs/γw为泥沙比重,可用来表征泥沙的影响;tanα可用来表征岸滩的影响。

如图6所示,基于本文的试验数据,建立堤前冲刷坑、淤积沙坝以及冲淤平衡点相对水平位置的尺度分别与植物带长度和密度、海啸波波陡、堤顶出水高度尺度、泥沙比重和岸滩坡度之间的关系式(式(5)(6)(7)),趋势线拟合度分别为 0.86 、0.78和0.98。由于越浪水体上爬后回落,回落水流在海堤周围产生复杂的次生流,对岸滩局部的冲淤产生影响,导致考虑δ后拟合度较差。

(7)

其中ζ=tanα/(Sdφ)

由于植物影响下的海啸波作用下海堤局部冲淤变化非常复杂,造成部分数据点与拟合线偏离较大,但从整体上看成幂函数关系。从式(6)可以看出,Ad/d2随H/L、δ/H和ζ的增大而减小,随B/L的增大而增大;而Ae/d2则随H/L和δ/H的增大而减小,随B/L和ζ的增大而增大。海啸波引起的岸滩冲刷对海堤的危害巨大,海堤附近冲淤面积的大小是值得关注的指标,因而此处重点讨论。由式(5)(6)可以推求出组次20情况下产生的淤积沙坝面积为6.91 cm2,冲刷坑面积为8.82 cm2。试验测量得到的淤积沙坝面积为5.63 cm2,冲刷坑面积为8.32 cm2,可见计算值与实测值吻合度较高。因此可由式(5)(6)推测出本试验没有开展的部分工况结果。图7给出了B=0.5 m、δ=0.1 m,H从3 cm增大至18 cm以及φ分别为0.01、0.0396、0.075 2、0.150 5、0.18、0.2、0.25、0.3时海堤离岸侧冲刷坑尺度和淤积沙坝尺度的计算结果。由图7可以看出随H增大,Ad/d2和Ae/d2都增大。φ从0.01增大至0.150 5,Ae/d2迅速减小65%,Ad/d2增加16%,植物带的防护效果明显;当φ继续增大至0.3时,Ad/d2和Ae/d2的变化趋于平缓,可见植物带的防护效果有限。

图7 堤前冲刷坑、淤积沙坝面积计算值与入射波高、植物密度的关系

4 结 论

a. 基于试验数据的分析,分别建立了岸滩冲刷坑、淤积沙坝以及冲淤平衡点相对水平位置的尺度与植物带长度和密度、海啸波波陡、堤顶出水高度尺度、泥沙比重和岸滩坡度之间的关系式,揭示了海堤局部冲淤变化与植物因素、水动力因素、泥沙因素以及岸滩因素之间的内在联系,可为海堤防护提供一定的有效依据。

b. 植物带使得堤后近岸侧相对最大冲刷深度显著减小,堤前离岸侧冲刷位置由原堤脚处前移至植物带所在位置,冲刷范围大幅增大。堤前冲淤面积受入射波高和植物因素的共同影响,同一植物模型下,冲刷坑面积和淤积沙坝面积都随入射波高H的增大而增加。当H较小时,随植物带密度φ(或植物带长度B)增大,冲淤面积比λ先增大后减小。而H较大时,λ则随φ(或B)的增大逐渐增大,海堤使得岸滩的局部冲淤变化依赖于波高。

c. 堤前冲淤平衡点ο位置移动范围为0～0.06 m,合理优化植物带宽度和密度使冲淤平衡点前移,可有效减小堤脚冲刷,增强海堤稳定性。