風暴浪作用下沙質岸灘穩定機制物理模型試驗研究*

王 俊 尤再進 梁丙臣

風暴浪作用下沙質岸灘穩定機制物理模型試驗研究*

王 俊1尤再進1①梁丙臣2

(1. 大連海事大學港口與航運安全協同創新中心 遼寧大連 116026; 2. 中國海洋大學 山東省海洋工程重點實驗室 山東青島 266100)

近年來風暴潮等海洋災害日趨頻發, 沙質海岸侵蝕問題也愈發突出, 沙灘穩定防護顯得日益重要。為研究風暴浪作用下沙質岸灘穩定機制問題, 設計了一系列的水槽試驗, 對風暴浪作用下沙質岸灘的穩定機制和演變過程進行了錄像觀察和研究分析。試驗中采用圖像處理技術, 根據水和岸灘床面的像素值差異, 對岸灘整體剖面進行實時動態提取; 對比和分析了不同入射波高、波周期、水深、岸灘初始坡度以及波高連續變化下沙質岸灘演變過程。試驗結果表明, 岸灘穩定與岸灘初始坡度和沙壩的發育直接相關, 而波參數主要影響岸灘擾動幅度和沙壩以及前灘侵蝕邊界的位置變化。當入射波高連續變化時, 沙壩迅速響應并向離岸遷移。岸灘變化幅值與入射波能流存在明顯正相關關系, 波能流越大對岸灘穩定性的危害越大。而水位升高會增強前灘向岸侵蝕風險。此外, 在本試驗尺度下, 前灘以侵蝕為主。當岸灘初始坡度小于穩定坡度且波陡較小時, 即Dean參數′較小時, 岸灘才發生明顯的前灘淤積, 這對于試驗尺度下岸灘恢復工況研究至關重要。具體來說, 當岸灘整體坡度為1:10且前灘坡度達到1:5～1:2.5時, 岸灘穩定性最好, 岸灘形態最接近最終平衡剖面, 岸灘趨于穩定的時間最短。

岸灘; 水槽試驗; 初始坡度; 波參數; 穩定性; 演變; 圖像處理

沙質岸灘作為海岸帶中的黃金海岸, 是優質的濱海旅游場所, 全球18%和中國30%的大陸海岸線均為沙質岸灘, 有著極其重要的經濟和社會價值。但由于沙質海岸地處海陸交互作用地帶, 環境敏感性較高, 侵蝕風險也尤為突出。我國作為遭受風暴潮災害最多的國家之一, 平均每年有10余次臺風經過, 近20年來近一半年份的經濟損失超過100億元, 風暴潮等自然災害所造成的海岸侵蝕問題已成為我國沿海地區可持續發展的嚴重阻礙(2002～2020年中國海洋災害公報)(中華人民共和國自然資源部, 2003～2021)。風暴潮誘發的強浪、增水等極端海況作用, 直接導致向岸波浪強度增大(蔣昌波等, 2014, 2017), 原有岸灘平衡受強非線性動力過程破壞, 使得在原有水深較淺的海灘發生波浪破碎、強烈紊動, 可在短時間內引起大量泥沙運動, 產生的回流挾帶泥沙離岸運動, 致使岸灘會出現不可逆的侵蝕。針對侵蝕海岸線, 進行人工補沙和養灘養濱, 詳細研究波浪作用下岸灘剖面向平衡剖面, 保持沙質海岸穩定性, 確定人工補沙位置、補沙量、防護物筑構位置等工程問題, 均具有十分重要的經濟、生態和社會價值。

從近岸泥沙橫向輸移上看, 一部分流失的泥沙離岸堆積形成沙壩, 抑制向岸侵蝕進一步加劇; 一部分受底部回流挾帶傳至深水處, 致使此部分沙灘泥沙完全流失, 如Seymour等(2005)長期測量美國加利福尼亞州南部Torrey Pines State海灘發現, 在2001年11月的一次風暴潮后, 近岸391 000 m3泥沙被侵蝕, 只有80%的侵蝕泥沙離岸堆積, 而剩余20%或者相當于該沙灘0.06 m平均厚度的泥沙完全流失。同時, 不同區域的現場實測研究也從不同角度, 證明了風暴潮對岸灘侵蝕的危害程度(Karunarathna, 2014; 李明杰等, 2015; 蔣昌波等, 2017)。目前對岸灘現場地形的動態提取較難, 主要難點在于對岸灘剖面高精度同步測量, 受現場觀測方法限制, 對岸灘研究多基于靜態統計分析, 而對岸灘沖淤演變過程研究較少。通過對大量岸灘實測剖面的統計分析, Dean (1977, 1991)認為岸灘平衡剖面主要與泥沙粒徑相關, 并提出Dean平衡剖面預測公式。Larson等(1995)指出平衡剖面下, 沙壩體積與入射波有關。Türker等(2006)發現岸灘初始坡度不同, 即使粒徑、入射波相同, 岸灘最終平衡剖面也明顯不同。Baldock等(2010, 2011)、蔣昌波等(2015)在實驗水槽內研究單色波、雙色波、長波、波群、隨機波等不同類型波浪對岸灘影響。

但是, 由于試驗尺度對測量精度要求更高, 傳統實測方法應用于實驗室尺度測量仍然存在較多問題, 尤其對于破碎區, 傳統侵入式測量方法通常會出現信號缺失等問題(Chardón-Maldonado, 2016; Puleo, 2016), 而且導致對岸灘演變過程的人為擾動, 試驗研究效果并不理想。因此, 本文通過視頻圖像分析的方法, 實現了對斷面水槽岸灘演變過程中岸灘剖面數據的高精度和無干擾的動態觀測, 并基于不同工況岸灘剖面實時觀測, 探究波參數和岸灘初始坡度對沙質岸灘穩定性和岸灘沖淤趨勢的重要影響。

1 試驗概況

1.1 試驗設備與儀器布置

本文開展兩次室內水槽試驗(試驗1和試驗2), 分別在山東省海洋工程重點實驗室的兩個斷面水槽中進行, 試驗1水槽具體參數為: 水槽總長為60 m, 除去造波段和消波段水槽實際試驗長約50 m、寬3 m、高1.5 m。為方便試驗過程觀測監控, 水槽兩側分別由28塊寬1.4 m、高1.4 m的透明鋼化玻璃組成, 為保證水槽側壁強度, 玻璃四周由寬0.1 m的鋼筋條固定。試驗2水槽總長為30 m, 除去造波段和消波段水槽實際試驗長約28 m、寬0.6 m、高1.0 m, 與試驗1水槽相似, 水槽兩側分別由23塊寬1.2 m、高1.0 m的透明玻璃組成, 每塊玻璃由寬0.1 m的鋼筋條固定并兩兩相連。

本文試驗均選用平直均勻坡度岸灘作為初始剖面, 在不同坡度下, 波浪破碎類型、地形演變趨勢以及爬坡特點均不相同, 特別是沖瀉區作為最大爬高與最大落深之間區域, 其最大落深在耗散型岸灘中高于波浪增水, 反射型岸灘中低于波浪增水。在試驗1中, 前灘選取1:5和1:15兩種坡度, 前灘頂高均為0.8 m, 坡頂布置高0.5 m坡度為1:3的陡坡延伸段(水平長度1.5 m), 用以模擬自然岸灘上端沙丘, 模型末端頂高為1.3 m; 水平方向從距造波機14.5 m處向岸布置10個波高儀, 20個壓力傳感器, 4個聲學多普勒流速儀(acoustic doppler velocimetry, ADV); 由于試驗為動床底床, 部分工況在試驗過程中, 底床在破碎區形成沙壩而抬高, 底床在沖瀉區出現侵蝕而降低, 為在試驗中更接近沖瀉區水動力測量, 傳感器具體位置會隨每種工況的變化而進行具體調整, 試驗岸灘模型及傳感器大致布置方式如圖1a所示。本文的試驗2在試驗1基礎上, 引入=1:5,=1:7,=1:10,=1:12,=1:15多種岸灘坡度, 詳細探究岸灘初始坡度對岸灘沖淤趨勢和平衡穩定速度影響, 水平方向從距造波機18.25 m處向岸布置5個波高儀, 2個ADV, 具體儀器布置如圖1b。

試驗波高儀及壓力傳感器采用中交天津港灣工程研究院生產電容式波高儀、空隙壓力傳感器, 傳感器與DS-30型智能測波儀及數據采集系統配合工作, 該采集系統具有實時監控、數據采集、數據處理等多項功能, 可以滿足波浪試驗中數據采集的各種要求, 采樣頻率可控, 試驗中采用20 Hz進行測量。流速儀采用Nortek公司開發和生產的小威龍流速儀, 測量精度可達±1 mm/s, 采樣頻率可控(1～200 Hz), 試驗中采樣頻率為50 Hz。為方便試驗描述, 將試驗水槽建立為二維笛卡兒坐標系, 以造波機與水槽底部相交處位置作為坐標軸原點以波浪傳播方向為軸正方向, 以水深增加方向為軸正方向。

本試驗中采用PointGrey公司生產的高速工業相機, 相機分辨率2 048×2 048, 幀率可調, 對試驗過程進行側向觀測, 并采用圖像處理技術實現岸灘剖面和自由液面實時動態提取。側向相機觀測系統試驗現場布置如圖2所示。在試驗中, 在較高懸沙濃度的情況下, 為提高觀測區域水沙交界面的分辨效果, 在相機觀測區域正上方布置探照燈, 對觀測區域進行打光。

1.2 試驗工況

試驗1和試驗2分別選取中值粒徑為50=0.21、0.36、1.07和0.21 mm, 涵蓋了細砂(0.10～0.25 mm)、中砂(0.25～0.5 mm)、粗砂(0.5～2 mm)三種類型自然砂進行試驗。試驗1包括50=0.21、0.36、1.07 mm (粗、中、細)三種中值粒徑試驗沙, 試驗2采用中值粒徑50=0.21 mm (細砂)進行試驗, 由于試驗為均勻沙輸運機理研究, 試驗沙分選度分別為1.26 (試驗1:50=0.21 mm)、1.24 (試驗1:50=0.21 mm)、1.43 (試驗1:50=0.21 mm)和1.12 (試驗2:50=0.21 mm), 均處于較好分選度的范圍, 表明模型沙顆粒比較均勻, 且為方便視頻觀測和分析, 泥沙經過精細篩選且在加入水槽試驗前先用水清洗干凈并烘干, 排除雜質對試驗觀測影響。

圖1 試驗布置示意圖

注:表示岸灘坡度角; tan表示岸灘坡度, tan=1:5/1:15表示1:5和1:15兩種坡度; STL表示靜水位, 0.5/0.7 m表示0.5 m和0.7 m兩種水深

圖2 試驗中相機觀測系統現場布置

試驗以規則波為主, 以便詳細對比分析不同動力參數對岸灘影響規律。依據實驗室造波機的性能參數, 試驗1選取0.1和0.2 m兩種波高, 1.2、2.1、3.0 s三種周期進行試驗。考慮到模型前灘頂高0.8 m, 沙丘頂高1.3 m, 試驗選取兩種0.5和0.7 m兩種概化水位, 0.5 m水位代表低潮時的情況, 通常情況下波浪上沖過程難以對沙丘造成影響, 沙丘形態和體積變化概率較小; 而0.7 m代表高潮水位(風暴增水), 沙丘底標高距離靜水位只有0.1 m, 在波浪爬高的作用下很容易對沙丘產生影響, 此時沙丘形態和體積變化概率較大。同時, 根據造波機沖程與輸出波高之間關系, 如公式(1)所示, 通過對造波機沖程控制, 保持周期不變, 成功實現了對風暴潮期間波浪強度遞增、遞減連續變化過程, 使波高進行先遞增后平衡最后遞減的變化趨勢, 模擬風暴浪變化過程。整個風暴浪過程, 包括20 min波高連續遞增, 20 min波高平衡, 20 min波高遞減, 總計1 h (Wang, 2020):

其中, H為造波機輸出波高, P為造波機沖程, 波數k是水深的函數(You, 2008), d為水深。由于不同坡度岸灘對造波機二次反射差異, 相同造波機沖程下, 相較于S=1:15坡度岸灘, S=1:5坡度岸灘由于坡度陡, 對波浪反射作用更為顯著, 進而對造波機二次反射問題也更為明顯, 而S=1:15坡度岸灘由于坡度緩, 大部分波能在破浪近岸淺化、破碎以及上爬過程中耗散掉,對造波機二次反射問題較S=1:5坡度岸灘弱很多, 因此, S=1:15坡度岸灘中實際測得波高變化過程更接近于理想變化過程(圖3)。

由于岸灘整體演變過程較慢, 試驗1過程中當波浪作用1 h后岸灘演變速率明顯減弱, 甚至部分工況岸灘相對穩定, 認為岸灘已趨近于平衡, 試驗1造波時長均在1 h左右。因此, 在保障試驗中岸灘達到相對穩定狀態的條件下, 考慮試驗周期成本, 試驗中各工況造波時間均控制在1 h左右。在每組試驗結束后, 均進行人工地形復原, 保證初始地形為相同的1:5或1:15均勻坡度?；谠囼?試驗水槽造波條件, 選取1.0、1.5、1.8 s三種周期和0.14、0.17 m兩種波高進行規則波常浪組合。通過對試驗1結果初步分析, 岸灘初始坡度對岸灘演變趨勢和穩定性都有明顯影響, 且規則波作用1 h后岸灘形態仍呈現明顯變化趨勢。為此, 試驗2詳細研究了不同岸灘初始坡度對岸灘演變特征影響, 并通過增加規則波作用時長, 更準確探究岸灘平衡演變過程。本文實驗發現,=1:10,=1:12,=1:15初始坡度可較快達到穩定, 常浪作用時長為8 h左右, 而對于=1:5、=1:7初始坡度岸灘穩定速度較慢, 常浪作用時長為20～40 h。此外, 針對風暴潮過程中強浪、增減水等極端海況作用下向岸波浪強度和水位變化, 岸灘侵蝕、風暴潮后岸灘恢復再平衡整個動態演變過程, 對比風暴潮對岸灘突變特變作用特點, 試驗2也增加了“常浪-風暴潮-常浪”工況, 探討常浪作用平衡岸灘在風暴潮作用下沖淤演變特點及風暴后常浪再恢復過程。水深設置方面選擇0.46 m為常浪水深和0.56 m為風暴潮高水深, 風暴潮增減水的三個演變過程(0.46 m-0.56 m-0.46 m)。風暴潮由1 h增水-1 h高水位-1 h減水過程組成, 共計造波時長3 h。試驗1和試驗2工況具體見表1。

表1 試驗波浪工況

Tab.1 Specifications of the wave cases

注: “–”表示緩變過程

為了方便本文的工況注釋, 分別采用G代表粗砂、M代表中砂、F代表細砂; S05、S07、S10、S12、S15分別代表初始坡度=1:5、=1:7、=1:10、=1:12、=1:15岸灘; 同理, H10、H14、H20分別代表波高=0.1 m、=0.14 m、=0.2 m; T10、T12、T15、T21分別代表波周期=1.0 s、=1.2 s、=1.5 s、=2.1 s; d4、d5、d7分別代表試驗水深=0.46 m、=0.5 m、=0.7 m?；谝陨系墓r注釋, MS15H10T21d5代表試驗1中的一種工況為: M中砂50=0.36 mm, 岸灘初始坡度=1:15, 波高=0.1 m, 波周期=2.1 s, 試驗水深=0.5 m, 而FS05H14T15d4代表試驗2中工況: F細砂50=0.21 mm, 岸灘初始坡度=1:5, 波高=0.14 m, 波周期=1.5 s, 試驗水深=0.46 m。

2 沙灘剖面數據采集

常用地形觀測方法主要基于超聲波、聲吶、激光等原理, 其中超聲波底床傳感器(acoustic displacement sensor, ADS)是底床高程實時觀測的主要方法, 但該方法為單點侵入式測量, 為獲得更高的空間分辨率, 需要布置足夠多的傳感器, 必然會影響觀測區域流場且存在信號缺失等問題, 特別對于試驗尺度下破碎區和沖瀉區地形測量(Puleo, 2016)。Atkinson等(2016)將激光雷達應用于試驗尺度下底床剖面實時掃描中, 此方法可以透過水介質進行非侵入實時剖面測量, 但地形掃描過程中, 仍存在測量不同步的缺點。因此, 一種高精度非侵入式、適用于試驗尺度的剖面動態測量方法亟待開發。基于上述問題, 本試驗采用一種相機(攝像機)結合斷面水槽的岸灘剖面實時觀測方法。該方法以圖像處理技術為核心, 通過對側向觀測相機拍照進行逐幀圖像處理, 實現對試驗岸灘剖面的實時動態提取, 相機幀率10 幀/s, 分辨率2 048×2 048, 主要流程包括:

(1) 相機標定: 通過對打印好的黑白棋盤進行多角度拍照, 提取每張標定圖片的角點信息, 求得相機自身的內參矩陣, 去除每臺相機成像畸變, 將原有扭曲圖像展平, 并基于提前布置好的校正點, 建立圖像內像素點的空間位置校正關系, 如圖4所示。

(2) 像素點空間校正: 試驗前在相機拍攝范圍內的水槽玻璃側壁平行布置4～6個黑白方格, 并以方格中心作為校正點, 其中水平方向2個, 垂向2～3個, 校正點之間橫向距離為1或2 m, 垂向距離為0.8 m。基于提前布置好的校正點, 建立圖像內像素點的空間位置校正關系(圖4)。

(3) 圖像后處理分析: 邊界識別算法的優化和程序編寫, 基于水、沙、氣介質像素值的差異, 實現了岸灘剖面和自由液面的同步提取(圖5)。為保障數據可靠性, 通過本文岸灘演變試驗剖面動態觀測方法測量岸灘剖面和自由液面數據與傳統觀測儀器全站儀和波高儀數據進行了對比(圖6), 二者數據基本吻合數據可靠。進一步展現了圖像觀測技術在岸灘演變試驗中的應用前景, 保障了地形數據和水動力數據的同步性。

圖4 校正網格照片及交點處像素提取

注: 括號中的數字表示黑白格中心點在空間坐標系實際坐標(單位: m)

圖5 圖像處理校正流程

由于試驗時長較長(每組工況均保持1 h以上波浪作用), 為節省存儲空間, 相機幀率調至10幀/s, 該幀率完全滿足在試驗設計工況下, 波周期內采樣次數大于10的基本要求。此外, 由于試驗獲得圖像分辨率為2 048(垂直)×2 048(水平), 根據不同初始坡度岸灘中相機水平觀測范圍, 如=1:5、=1:10岸灘模型每臺相機觀測范圍為2.6 m, 而=1:7、=1:12、=1:15岸灘模型每臺相機觀測范圍為3.5 m, 因此, 試驗岸灘剖面空間分辨率為1.2 mm (=1:5、=1:10岸灘模型)和1.7 mm (=1:7、=1:12、=1:15岸灘模型)。

3 結果及分析

在現場實測條件下, 定量對比分析不同海況影響下岸灘響應差異研究往往較難, 主要有兩個主要原因: 自然條件下岸灘初始地形無法保證一致,波參數、靜水面高度等動力參數不穩定。且由于現場實測技術限制, 往往較難獲取岸灘演變過程中實時剖面數據提取。而在室內試驗條件下, 能夠通過控制水動力參數和地形參數變量, 全面分析泥沙粒徑、岸灘初始坡度、沙壩發育等地形參數以及波高、波周期、水深等水動力參數對沙質岸灘橫向沖淤影響規律, 詮釋不同水動力參數和地形參數組合條件下近岸剖面演變過程的穩定機制。

圖6 圖像觀測方法實測剖面以及自由液面數據與全站儀和波高儀測量驗證效果

3.1 波浪要素對沙灘演變影響

初始坡度均勻的沙質海灘剖面在波浪作用下, 懸浮大量泥沙, 隨波浪作用定向輸移, 剖面快速響應,經過充分長時間恒定波浪作用后, 地形演變速度會逐漸減緩, 此時海灘形態與入射波條件相互適應, 岸灘逐漸趨于穩定, 地形不再明顯變化或在某一穩定狀態往復波動, 此時海灘剖面達到平衡剖面?；谠囼?和試驗2規則波試驗數據, 本文對不同入射波高、波周期及水深影響下, 岸灘演變特征進行了對比分析。

根據規則波試驗剖面和底床相對初始高程變化, 如圖7～9, 其中, 每組工況圖上、中、下分別表示每分鐘岸灘剖面時程變化和等間隔不同時刻岸灘剖面對比以及實時床面相對于初始床面變化量, 其中上窗口3D圖中剖面時間步長1 min, 隨時間變化剖面顏色由淺灰色變為深黑色, 而下窗口實時床面高程變化圖中藍色表示床面侵蝕深度, 紅色表示床面淤積高度。恒定入射波作用下, 均勻坡度人工岸灘以沙壩為界, 岸灘剖面呈明顯的單調性變化, 即前灘以侵蝕為主, 前灘侵蝕的泥沙在離岸淺水區不斷堆積, 致使淺水區和外破碎區床面不斷抬高, 形成沙壩, 且隨波浪持續作用, 前灘侵蝕不斷加劇, 沙壩不斷離岸遷移生長, 隨著沙壩發育發展, 沙壩逐漸發揮對前灘的保護作用, 前灘侵蝕速率明顯減緩, 岸灘逐漸趨于穩定,所以, 試驗中前灘變化幅度最大的階段往往出現在試驗開始階段, 沙壩的發育發展對岸灘剖面穩定性至關重要。

如圖8所示, 與不同波高影響下岸灘演變情況相似, 不同入射波周期下, 岸灘穩定后也呈現沙壩型剖面特點, 岸灘總體呈現岸灘持續向岸侵蝕范圍且垂向侵蝕深度增大、坡腳淺水區淤積并形成明顯沙紋以及沙壩離岸運動并沙壩逐漸抬高等現象, 前灘向岸侵蝕范圍以及淺水區床面擾動均隨波周期增大而增大。當波周期增大時, 由于波周期較大, 波陡較小, 波浪不易破碎, 相同岸灘初始坡度下, 破碎點隨波周期增大而向岸移動, 岸灘穩定后沙壩位置也隨破碎點向岸移動更趨于向岸方向, 如圖8a～8d。對比前灘侵蝕體積、向岸侵蝕距離以及淺水區床面擾動情況, 波高和波周期影響符合能量變化, 即當波高波周期較大時,單位波長波能更大, 對岸灘整體擾動更劇烈,對前灘侵蝕風險也更大, 岸線蝕退距離也更大。

注:50表示試驗沙中值粒徑,表示波高,表示波周期,表示水深,表示岸灘初始坡度,表示試驗時間

已有研究表明海平面上升或靜水面位置變化是引起海岸動力作用強度不同是破壞岸灘穩定的另一個重要因素。目前普遍認為, 海平面上升主要通過兩種方式引起岸灘侵蝕問題, 一種是海平面上升直接淹沒原有陸地, 使侵蝕基面升高, 造成岸線的整體侵退, 向岸侵蝕距離增大; 另一種為海平面上升, 原有水深改變, 原始淺水區水深升高, 近岸動力條件增強, 原有海岸水沙平衡被破壞, 加劇了岸線的侵蝕, 沙丘侵蝕體積增大(蔣昌波等, 2017)。如圖9所示, 本試驗不同水位下岸灘演變也存在相同特點, 不同水位下, 岸灘整體變化特征基本一致, 主要區別在于沙壩位置和前灘侵蝕距離的變化, 此外, 沙壩附近灘面淤積高度也存在差異。由于岸灘初始坡度=1:5, 當水位=0.7 m較大時(圖9b), 與=0.5 m相比(圖9a), 水位升高0.2 m后, 靜水面與岸灘交界面向岸移動了約1 m, 而穩定后前灘侵蝕范圍也隨之明顯增大, 侵蝕岸線也增加了約1 m, 同時, 由于水深增大, 原破碎點附近當地水深變大, 波浪破碎滯后, 破碎點也向岸移動, 更多波能可作用至更遠的向岸區域, 可能導致更多前灘泥沙流失, 因此除岸灘穩定后沙壩位置明顯向岸移動外, 沙壩附近床面抬高高度也更大, 表明更多前灘侵蝕泥沙離岸堆積, 水位增大后對岸線破壞風險增大, 進一步驗證了已有研究。

通過將上文不同波參數下岸灘剖面穩定特征進行對比, 可認為在與本試驗相近的中小尺度水槽內, 波參數差異對岸灘橫向沖淤關系和穩定后岸灘剖面特征影響較小, 當岸灘初始坡度≥1:10較陡時(具體見3.2節), 相同岸灘初始坡度下, 岸灘平衡剖面特征基本一致, 均呈現前灘侵蝕、岸線蝕退同時前灘侵蝕泥沙離岸淤積, 岸灘穩定后均呈現出明顯的沙壩型剖面特點, 波參數變化對岸灘影響主要表現于對岸灘床面擾動幅度、沙壩特征、前灘侵蝕強度以及岸線蝕退位置變化, 岸灘穩定后沙壩位置變化趨勢與波參數導致的破碎點位置變化趨勢一致, 即破碎點位置直接決定岸灘穩定后沙壩位置。

3.2 岸灘初始坡度對沙灘演變影響

本節針對不同岸灘初始坡度岸灘穩定性問題, 對比分析岸灘初始坡度由=1:5到=1:15變化時, 岸灘剖面向平衡狀態演變過程, 如圖10所示。雖然波況、泥沙粒徑均與試驗1不同, 但試驗2和試驗1中初始坡度=1:5岸灘均呈現相同的岸灘沖淤變化規律, 如圖10a中=59 min時刻岸灘剖面與試驗1中初始坡度=1:5岸灘剖面穩定特征相似, 均呈現前灘侵蝕岸線明顯蝕退, 在水下破碎點附近產生大幅度淤積, 形成明顯的沙壩型剖面, 同時, 波浪作用前期岸灘剖面變化速率最快, 隨著離岸沙壩形成, 岸線侵蝕速度明顯變緩。相較于試驗1波浪作用時間較短, 試驗2波浪作用時間更長, 可更明顯地看出反射型剖面(初始坡度較陡)向平衡狀態的調整過程, 前灘侵蝕泥沙首先在破碎點淤積形成沙壩, 但此時岸灘遠遠未達到穩定狀態, 沙壩并不穩定, 前灘侵蝕的泥沙可隨著沙壩迎浪面越來越陡進一步離岸淤積, 此處盡管水深較大、波浪未破碎, 波浪作用明顯較弱, 但在重力和波浪共同作用下, 泥沙會不斷向海流失堆積, 致使起坡點也不斷向海延伸, 這個過程時間歷程較長, 因此, 在試驗1中并未觀測到, 特別當岸灘初始坡度較陡時, 如=1:5和=1:7。在前灘侵蝕和侵蝕泥沙離岸堆積起坡點向海延伸的共同作用下, 整個岸灘剖面坡度不斷變緩。雖然在波浪作用60 min后, 得益于離岸沙壩的防護作用, 整個剖面變化明顯放緩, 但整個岸灘仍處于侵蝕狀態, 岸線不斷后移。

隨著岸灘初始坡度變緩, 相同波況下, 當岸灘初始坡度為=1:7時, 岸灘剖面整體沖淤特性基本與=1:5時相同, 如圖10b所示, 仍為前灘侵蝕, 侵蝕泥沙在離岸淺水區堆積形成沙壩與床面抬高, 淤積范圍在持續波浪作用下逐漸擴大, 大量泥沙向坡腳運動, 造成剖面底部高程增大, 坡腳向海延伸, 最大淤積高度0.1 m。但相較于初始坡度=1:5岸灘, 岸灘變化幅值明顯減弱, 最大沖刷深度變為0.18 m, 岸灘在1 000 min (17 h左右)后更快達到相對穩定狀態。

當岸灘初始坡度進一步變緩至=1:10時, 相同波況作用下, 岸灘剖面變化程度以及岸線區域趨于穩定效率明顯提高, 岸線侵蝕以及坡腳位移明顯減小, 表明該坡度岸灘剖面已經比較接近于平衡剖面坡度。如圖8b, 與初始坡度=1:5、=1:7岸灘變化相似, 前灘產生劇烈侵蝕, 表現為沙壩向岸方向沖刷槽的形成和岸線蝕退, 最大沖刷深度進一步減小至0.16 m, 但與初始坡度=1:5、=1:7岸灘變化形成顯著差異是, 雖然前灘出現明顯侵蝕并導致岸線后退, 但在岸線向岸側(≈5.7 m,<300 min)同時出現了少量淤積情況。當波浪作用480 min (8 h)左右后岸灘就基本穩定, 前灘侵蝕深度向岸侵蝕范圍不再發生明顯變化, 最大沖刷深度變為0.15 m。

圖9 不同水位下岸灘演變過程

由此可見, 當岸灘初始坡度達到=1:10時, 岸灘穩定性發生了明顯改變, 相較于岸灘初始坡度=1:5和=1:7, 坡腳處地貌變化發生特點明顯改變, 不再出現明顯的離岸泥沙不斷向海淤積、坡腳向海延伸現象, 盡管前灘仍然出現明顯侵蝕, 但侵蝕程度明顯小于岸灘初始坡度=1:5和=1:7, 且在試驗中后期, 岸線不再發生明顯后退, 且地貌不再發生明顯變化, 表明岸灘達到了相對平衡狀態。為進一步論證岸灘初始坡度在何種范圍內更容易達到平衡狀態、穩定性更高, 進一步補充了兩種更緩坡度岸灘初始坡度=1:12和=1:15。如圖10c、10d所示, 岸灘初始坡度=1:12和=1:15時, 岸灘演變特點與岸灘初始坡度=1:10時演變特征更為相似, 岸灘主要變化集中在前灘剖面調整, 同樣未出現明顯的坡腳處向海淤積問題。因此, 可認為波浪作用時, 灘面泥沙基本完全保留于整個閉合剖面內, 保障了整個剖面穩定性。此外, 當岸灘初始坡度較緩時, 在波浪上沖邊界(岸線向岸側)會出現更明顯的淤積, 如初始坡度=1:12時(≈6.5 m,<400 min)、初始坡度=1:15時(≈6.5 m,<450 min), 由于坡腳位置不變, 岸灘整體坡度趨陡, 證明岸灘穩定坡度應介于=1:10和=1:12之間。

初始坡度=1:12和=1:15時, 相對于岸灘初始坡度=1:10 (圖8b), 前灘侵蝕程度以及岸灘剖面變化程度明顯減弱, 且相較于初始坡度=1:10和初始坡度=1:15, 當初始坡度=1:12時, 前灘侵蝕程度、破碎點至坡度岸灘剖面變化均明顯更小。通過對相同條件下不同坡度岸灘演變特征對比分析, 可認為在本文試驗條件下, 當岸灘初始坡度<1:10時, 初始岸灘坡度設計已經比較利于岸灘高效趨近于平衡剖面, 且當初始坡度=1:12時更接近于平衡剖面坡度, 并不是坡度約緩越利于岸灘更高效達到平衡狀態。

試驗條件下, 岸灘剖面穩定速率與岸灘初始坡度密切相關。初始坡度越接近最終平衡剖面平均坡度或初始地形越接近平衡剖面形態的試驗岸灘剖面, 均可在不同侵蝕波況的動力作用下快速達到相對穩定狀態; 相反, 當初始地形與最終平衡剖面相差較大, 如本試驗中岸灘初始坡度=1:5與=1:7的岸灘模型則需在較長時間的波浪作用下, 通過前灘和起坡點剖面調整岸灘整體坡度, 使其逐漸趨近于平衡剖面坡度, 才能使地形地貌條件與水動力條件相互適應, 從而達到地形不再受波浪影響而發生明顯變化的穩定狀態。

3.3 灘肩型剖面形成條件

由上文可知, 對于本文試驗1和試驗2中小尺度試驗水槽中岸灘演變試驗, 波浪條件和岸灘初始坡度均對岸灘演變特點有明顯影響, 其中, 波參數影響主要表現于岸灘穩定后沙壩位置變化, 而岸灘坡度對岸灘穩定性至關重要, 因此, 不同初始坡度岸灘在波浪作用下均會通過泥沙橫向輸移驅使岸灘坡度逐漸趨近于相似的穩定坡度, 而當岸灘初始坡度較陡>1:10 時, 通過前灘侵蝕離岸淤積調整岸灘整體坡度至穩定坡度更為常見。但受限于造波條件限制, 如本試驗1水槽規則波造波極限<0.25 m,<3 s, 試驗2水槽規則波造波極限<0.2 m,<2 s, 不同工況組合下, 岸灘橫向沖淤規律以及最終平衡剖面類型基本一致, 即前灘侵蝕, 侵蝕泥沙離岸過渡區淤積形成沙壩并抬高淺水區床面, 最終演變成沙壩型剖面, 較難出現明顯的灘肩型剖面。

如圖11所示, 當入射波=0.1 m,=3.0 s,=0.7 m時, 盡管在初始坡度=1:5岸灘上岸灘沖淤趨勢與前文工況一致, 仍以前灘侵蝕離岸淤積形成沙壩型剖面。但隨著岸灘初始坡度變為=1:15時, 岸灘橫向沖淤規律發生了明顯變化, 盡管波浪作用初期前灘仍會出現部分侵蝕(<20 min), 但隨著波浪持續作用, 前灘內部沖淤情況發生明顯變化, 逐漸由前灘侵蝕泥沙流失轉變為內破碎區侵蝕并向沖瀉區淤進, 該沖淤關系變化主要發生于前灘內部, 盡管與前文緩坡岸灘工況相同, 破碎點前內破碎區仍會出現明顯沖刷坑, 但與前文緩坡岸灘工況不同的是沖刷坑侵蝕泥沙并未離岸堆積形成沙壩, 而是向岸淤進, 且隨著波浪持續作用, 逐漸形成明顯灘肩。由于泥沙在斜坡上的離岸輸移會疊加重力分量作用, 而向岸輸移需要克服重力分量作用, 因此向岸輸移需要條件相對更苛刻。如圖11b所示, 由于岸灘初始坡度較緩, 離岸重力分量較小, 且由于波周期較大, 而波高較小, 波陡很小, 更利于波浪適應更淺水深, 從而使更多能量用于前灘向岸輸移, 這與自然界中長波向岸輸沙理論相似。但對于圖11a岸灘坡度較陡, 試驗條件下, 由于重力分量較大, 仍以離岸輸沙為主。

圖11 長周期波況下不同初始坡度岸灘演變過程

3.4 風暴浪下岸灘演變過程

根據前文規則波作用下岸灘演變規律研究, 恒定入射波作用下, 岸灘沖淤呈單調變化, 隨波浪持續作用, 不同初始坡度下通過前灘泥沙離岸堆積或離岸泥沙向岸淤積, 使得岸灘剖面不斷調整, 隨著岸灘坡度趨近于穩定坡度和離岸沙壩發育, 岸灘演變速度逐漸變緩, 岸灘穩定性不斷提高, 直至岸灘達到相對穩定后呈動態平衡, 此過程中, 岸灘坡度對岸灘穩定性至關重要。但風暴潮期間, 波浪條件不斷變化, 與規則波作用時岸灘穩定機制相差較大, 同時, 風暴增水也是導致岸灘原平衡被破壞、岸線快速蝕退的重要原因。為此, 本節將詳細分析試驗1中風暴浪工況中波高連續變化下岸灘剖面演變特征。根據前文規則波研究, 當岸灘坡度<1:10時, 岸灘穩定性較好, 為研究風暴對岸灘穩定性的侵蝕破壞機制, 試驗選用了岸灘初始坡度=1:5和=1:15進行對比試驗, 如圖12所示。本研究風暴浪過程大致可以分為三個階段: 動力增強階段、極值穩定階段和動力減弱階段, 由于岸灘初始坡度=1:5時對造波機二次反射影響較大, 相同造波板沖程變化下, 實測波高變化明顯弱于岸灘初始坡度=1:15。其中床面相對高程時空變化圖中黑色線表征岸灘演變過程中沙壩實時位置變化。

圖12 波高連續變化下初始坡度S=1:15和S=1:15岸灘演變過程

與規則波相同, 初始坡度相差較大時, 岸灘橫向沖淤關系存在明顯差異, 而波高變化對岸灘橫向沖淤關系影響很小。當岸灘初始坡度較緩時=1:15, 岸灘剖面變化主要集中在前灘區域, 而起坡點附近淺水區床面凈沖淤變化較小, 主要表現為較長區域沙紋形成和變化。而前灘橫向沖淤更為明顯, 沙壩和壩前沖刷坑的位置隨波高變化向離岸運動, 但由于作用時間較短, 沙壩未得到最夠時間發育, 沙壩形態并不明顯。結合床面相對初始高程時空變化圖可見, 沙壩位置與波高變化呈明顯響應關系, 波高增大時, 由于破碎點不斷提前, 沙壩離岸運動, 而極值穩定階段波高達到最大后, 沙壩快速發育并趨于穩定, 沙壩位置變化并不明顯, 但當動力減弱階段波高逐漸減小, 沙壩又隨破碎點向岸遷移。相較于破碎區剖面變化, 整個風暴浪過程對沖瀉區和岸線影響較小, 沖瀉區侵蝕以及岸線蝕退主要發生在動力增強階段的前半程, 在=10 min以后盡管波高仍在持續升高, 得益于沙壩的保護作用, 岸線侵退速度明顯減緩, 且隨著前灘剖面的調整, 岸灘穩定性也明顯提高, 盡管>20 min后波高達到最大并持續作用, 但此過程中沖瀉區侵蝕和岸線蝕退并不明顯, 甚至在靜水面與岸灘交界點附近(=6～7 m)出現明顯淤積, 且動力遞減階段波高較小時, 岸灘淤積更為明顯。而當岸灘初始坡度較陡時=1:5, 同樣出現了前文規則波演變特征, 沖瀉區明顯侵蝕, 侵蝕泥沙離岸堆積形成沙壩, 岸灘整體坡度趨緩, 但由于前灘泥沙供給關系差異(Wang, 2020), 波高變化對前灘橫向沖淤關系影響更小, 沙壩變化與波高并無明顯響應關系。從上述地形變化與前文規則波研究基本一致, 由于岸灘初始坡度=1:15時岸灘穩定性較好, 本試驗造波條件下, 僅波浪變化對岸灘整體危害有限, 主要集中于前灘區域, 表現在破碎點向離岸變化過程中沙壩位置以及破碎區和沖瀉區之間橫向沖淤變化。

4 討論

根據前文規則波工況研究中不同波浪要素對岸灘影響特征, 試驗條件下, 由于波浪周期限制, 試驗波浪多為短波, 對岸灘影響程度與波浪強度正相關, 且已有研究也表明能量模型被應更適用于岸灘剖面的演變相關模擬(De Jesus Mari?o Tapia, 2003; Masselink等, 2006)。根據微幅波理論下波能流計算公式為

圖13 不同工況下岸灘穩定坡度、前灘沖淤與波參數數特征、類Dean參數Ω′的關系

注: G代表粗砂50=1.07 mm、M代表中砂50=0.36 mm、F代表細砂50=0.21 mm; S05、S07、S10、S12、S15分別代表初始坡度=1:5、=1:7、=1:10、=1:12、=1:15岸灘; H10、H14、H17、H20分別代表波高=0.1 m、=0.14 m、=0.17 m、=0.2 m; T10、T12、T15、T18、T21、T30分別代表波周期=1.0 s、=1.2 s、=1.5 s、=1.8 s、=2.1 s、=3.0 s; d4、d5、d7分別代表試驗水深=0.46 m、=0.5 m、=0.7 m?；谝陨系墓r注釋, FS05H14T10d4代表工況為: F細砂50=0.21 mm, 岸灘初始坡度=1:5, 波高=0.14 m, 波周期=1.0 s, 試驗水深=0.46 m

5 結論

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LABORATORY SIMULATION ON SANDY BEACH STABILITY UNDER STORM WAVE

WANG Jun1, YOU Zai-Jin1, LIANG Bing-Chen2

(1. Centre for Ports and Maritime Safety, Dalian Maritime University, Dalian 116026, China; 2. Shandong Provincial Key Laboratory of Ocean Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266100, China)

In recent years, marine disasters such as storm surges have become more and more frequent with increasing problem of sandy coast erosion. Therefore, the stability and protection of beach is an urgent task. To study the stability mechanism of sandy beach under storm wave action, a series of flume tests were designed to observe, study, and analyze the stability mechanism and evolution process of sandy beach under storm wave action. In the experiments, images were taken and processed, from which the overall profile of the beach were real-time extracted dynamically according to the difference in pixel value between the water and the beach bed. The evolution process of sandy beach under different incident wave height, wave period, water depth, initial slope, and continuous change of wave height were compared and analyzed. The test results show that the stability of beach was directly related to the initial slope of beach and the development of sand bar, and the wave parameters mainly affected the disturbance amplitude of beach and the position change of sand bar and front beach erosion boundary. When the incident wave height changed continuously, the sand bar responded quickly and migrated offshore. An obvious positive correlation was found between the variation scale of the beach and the incident wave energy flow. The greater the wave energy flow, the greater the harm to the stability of the beach. The rising water level could increase the risk of coastal erosion in the foreshore. In addition, under the scale of this experiment, the foreshore was dominated by erosion. When initial slope of the beach was below the stable slope and the wave steepness was small, that is, the Dean parameter′ is small, obvious foreshore deposition would occur on the beach. This is very important for the study of beach restoration conditions at the experimental scale. Specifically, when the overall slope of the beach is 1:10 and the slope of the foreshore reaches 1:5～1:2.5, the stability of the beach is the best, the shape of the beach is the closest to the final equilibrium profile, and the time for the beach to stabilize is the shortest.

sandy beach; flume test; initial slope; wave parameters; stability; evolution; image processing

* NSFC-山東聯合重點基金, U1806227號; 國家自然科學基金項目, 51739010號, 52001292號。王 俊, 博士后, E-mail: wangjun2021@dlmu.edu.cn

尤再進, 博士生導師, 教授, E-mail: b.you@dlmu.edu.cn

2022-01-28,

2022-04-13

P642

10.11693/hyhz20220100026