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人工沙滩平衡剖面试验研究


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人工沙滩平衡剖面试验研究
李冰,王铮,冯卫兵
河海大学交通学院,南京 (210098)
E-mail:iceinglb@yahoo.com.cn

摘 要:本文从波浪及泥沙运动的相似规律出发,得到模型试验的基本相似准则,并采用天然 沙和轻质沙两种试验用沙,以正态整体模型进行人工沙滩平衡剖面的冲刷试验。 关键词: 人工沙滩,平衡剖面,相似准则 中图分类号:TV86

1.引言
我国从辽宁到广西有着漫长的海岸线,其中砂质海岸主要分布在福建、广东、广西和海 南部分海岸地区,由于海岸不断地受到波浪的侵蚀,在国民经济的发展条件下,对于沿海地 区的海滩保护,特别是可以供旅游开发的砂质海滩的维护就显得十分重要。目前,对于人工 沙滩平衡剖面的专门研究开展较少,为此,本文通过物理模型试验研究,探讨在波浪作用下 滩面泥沙运动这个现实的工程技术问题,以便为人工沙滩的设计研究和维护提供依据。

2.人工沙滩模型相似准则
海滩剖面冲淤变化的主要因素是波浪动力及其作用下的泥沙运动,因此,要正确模拟海滩 冲刷变化必须要保证波浪以及泥沙运动的相似[1-4].

2.1 波浪运动相似
波浪是导致近岸区(特别是破波区)泥沙运动的主要动力因素,根据本课题研究特点, 在模型中应保证波浪折射相似、破波形态相似、波浪掀沙、横向输沙相似等要求. (1) 波浪传播速度相似 由浅水波传播速度公式 C = 系: λC = λT = λh
1/ 2

gT thkh 可推导波浪传播速度与波周期及水深比尺相似关 2π

(1)

(2)波动水质点运动速度相似 根据艾利(Airy)波理论,波动水质点底部轨迹速度为 um = 底部轨迹速度与水深比尺相似关系 λum = λh (3)波浪折射相似 根据波浪折射的 shell 定律 :
1/ 2

πH
Tshkh

推导出波动水质点

(2)

sin α = const 可推导得,当取波长比尺和水深比尺相同 C

即 λL = λh (3)时,即可达到波浪折射相似。 (4)波浪破碎相似 波浪传至近岸时,由于水深变浅,波能集中,波浪变形发生破碎。破波的相对波高即 破碎指标 H h / hb 一般可表示为

Hh = f (hb / L0、m) 。由于本试验研究的海滩岸坡较缓,m hb

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值很小,m 值对波浪破碎指标影响很小。因此,当 λL = λh 时, λ H b =1,从而:
hb

λH = λh = λh (4)
b b

可见,波浪破碎是能够相似。 从上述波浪运动相似条件讨论可知,满足波浪运动全面相似,模型应做成正态。

2.2 滩面水流运动相似
滩面水流是指波浪上爬所形成的上爬流和回落流,其强度直接影响到岸滩泥沙的向、离 岸运动. 考虑滩面水流运动以重力和惯性力控制,佛罗德数Fr 是重要的参数,根据此参数相 等可以导得相似关系: λu = λH
1/ 2

(5)

2.3 泥沙运动相似
(1)波浪作用下泥沙运动相似 根据刘家驹[5]波浪作用下的泥沙起动公式可以推导出 λ ρs ? ρ λd
ρ
1/ 3

= λH 2λh ?5 / 3 (6)

(2)波浪作用下破波区岸滩剖面冲淤相似 由服部昌太郎公式: (3)波浪掀沙相似 在破波区内,由破碎波引起的平均水体含沙量为: S = K 式中 A 为破碎区内过水断面积。由上式可得: λs =

Hb ω tg β / = const ,可推导得: λω = λu (7) Lb gT

γs ?γ

γ sγ

g

H b 2 Cgh cos α b [6] 8A ω

λγ λh 3/ 2 (8) λγ ?γ λl λω
s s

γ

(4)碎波区外横向输沙相似 根据 Sunamura[7]研究,当 F>0.28Ur1/4,泥沙净离岸运动;当 F<0.28Ur1/4,泥沙净向岸 运动。式中 F =

ρU m 2 HL2 d ( )1/ 2 , U r = 3 , am 为床面处波浪最大振幅。 h ( ρ ? ρ s ) gd am
1/ 2

由此可导得, λ ρs ? ρ λd
ρ

= λH 5/ 4λh ?3/ 4 (9)

3.模型的比尺和模型沙选择
综上所述得,各种模型比尺的关系如下

λH = λL = λh = λl (10) λT = λω = λu = λH 1/ 2 (11)

利用式(10) 来确定沙滩模型的比尺和波浪模型的比尺,利用式(11) 来确定模型沙的沉 降速度。 在平衡海滩相似律的研究中,采用正态还是变态模型,模型沙采用轻质沙还是天然沙,至 今仍在试验研究中。本文采用正态模型,满足波浪水质点运动速度相似,波浪折射相似以及 波浪破碎相似等, 可以全面地模拟人工沙滩上波浪的运动, 从而保证人工沙滩平衡剖面冲淤
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变化相似。 对于模型沙的选择,是天然沙还是轻质沙至今没有确切的定论,它们休止角Ф、渗透性 和密度等方面有着不同,但在不同方面有着各自的合理性。对于天然沙,其渗透性以及休止 角特性, 与原型沙更为相似, 但是往往在实验过程中, 如果按比尺换算, 则天然沙粒径过细, 难以选择;或是冲淤变化过小,对测量产生困难[8]。轻质沙固然有它的一定合理性,合适的 轻质沙可以保证粒径比尺 λd 的成立。为了更好地模拟分析,实验采用天然沙和轻质沙分别 进行实验, 以便对天然沙和轻质沙的冲淤进行比较, 从而综合分析人工沙滩平衡剖面的冲淤 变化。

4.人工沙滩的波浪冲刷试验
本课题采用两种天然沙和煤粉三种模型沙进行试验研究,模型有1:20,1:30,1:40 三种比尺,试验分四阶潮位进行实验,分别为3.77m低潮位,5.5m平均潮位,6.59m高潮位, 7.76m风暴潮位;1:20,1:30的模型试验波高有3.0cm,5.0cm,7.5cm三个波高,作用时间比 例约为13:6:1 ,1:40的模型试验波高有3.0cm,5.0cm两个波高,作用时间比例约为9:1。 试验根据不同模型比尺 (1: 20、 30、 40) 不同波高级别进行组合从风暴潮位—— 1: 1: 、 高潮位——平均潮位——低潮位——平均潮位——高潮位——风暴潮位的循环性试验。 为了 比较正向波浪作用与斜向作用以及正向斜向混合作用条件下的岸滩变化区别, 本次试验对于 1:40的比尺条件下又分别进行了单纯正向波浪、单纯斜向波浪以及正向波浪与斜向波浪混 合作用三种组合。 对于泥沙粒径天然沙选取中值粒径D50=0.35mm,D50=0.23mm两种,轻质沙采用煤粉 D50=0.12mm,试验滩面斜坡角度为4度,模型比尺参数和各要素的选取见表1-表6,试验示意 图见图1
表1 Tab.1 比尺名称 波高比尺 水平比尺 周期比尺 流速比尺 沉速比尺 20模型比尺参数 20model proportion parameter 比尺关系
λH

表2 Tab.2 要素 波高 1(m) 波高 2(m) 波高 3(m)

20模型各要素的选取 20model parameter choose 波高(m) 原型 0.6 1 1.5 模型 0.03 0.05 0.075 周期(s) 原型 2.86 3.67 4.47 模型 0.64 0.82 1

计算值 20 20 4.47 4.47 4.47

采用值 20 20 4.47 4.47 4.47

λl = λH
λT = λ
1/ 2 h

λu = λH 1/ 2

λω = λH 1/ 2

表3 Tab.3 比尺名称 波高比尺 水平比尺 周期比尺 流速比尺 沉速比尺

30模型比尺参数

表4 Tab.4 要素 波高 1(m) 波高 2(m) 波高 3(m)

30模型各要素的选取 30model parameter choose 波高(m) 原型 0.9 1.5 2.25 模型 0.03 0.05 0.075 周期(s) 原型 3.51 4.49 5.48 模型 0.64 0.82 1

30model proportion parameter 比尺关系
λH

计算值 30 30 5.48 5.48 5.48

采用值 30 30 5.48 5.48 5.48

λl = λH
λT = λ
1/ 2 h

λu = λH 1/ 2

λω = λH 1/ 2

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表5 Tab.5 比尺名称 波高比尺 水平比尺 周期比尺 流速比尺 沉速比尺

40模型比尺参数 40model proportion parameter 比尺关系
λH

表6

40模型各要素的选取 Tab.6 要素 40model parameter choose 波高(m) 原型 1.2 2 模型 0.03 0.05 周期(s) 原型 4.04 5.18 模型 0.64 0.82

计算值 40 40 6.32 6.32 6.32

采用值 40 40 6.32 6.32 6.32

λl = λH
λT = λh1/ 2 λu = λH 1/ 2

波高 1(m) 波高 2(m)

λω = λH 1/ 2

滩肩平台 7.59m 模型沙 理基(0m) 0m

原始人造沙滩剖面 潮位7.76m
1:14.3
潮位5.5m

潮位6.59m 潮位3.77m 1.52m

25m

离滩肩平台距离(m)

50m

75m

100m

图1 试验示意图 Fig1 Experimental picture

5.试验成果分析
(1)在正向波浪作用下的冲淤分布情况。综合比较分析三个比尺正向波作用的情况, 可以看出整个沙滩剖面均形成有规律的沙纹, 基本没有出现沙源下移的现象, 沙滩剖面有一 定的冲刷, 年最大变化幅度一般在 10-14cm (换算为原型)整个剖面平均年变化幅度为 2-4cm , (换算为原型) ;而滩肩平台处也受到侵蚀向岸后移,年最大幅度约 2-6m(换算为原型) , 同时沙源向岸输移,在滩肩平台上部形成类似沙坝形状的堆积体,年堆积体的高度大约为 18-24cm(换算为原型) ,见图 2。

25 15 相 冲 (cm) 对 淤 5 -5 -15 -25 -40 -20 0 20 40 离岸距离(m) 60 80 100 试验前 试验后

图 2 人工沙滩正向波浪作用下的年冲淤变化量 (以原设计剖面为零线) Fig2 The silt annual change amount of artificial beach in the facade direction wave (Take that the plain designs section as null line)

(2)在斜向波浪作用下的冲淤分布情况。由 ESE,ENE 两个方向斜向波试验,整个沙 滩剖面均形成有规律的沙纹,同时可以清晰地看出沙源沿斜向波波峰线方向形成规则的沙
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波, 泥沙沿斜向波方向做沿岸输移; 沙滩出现了一定的沙源下移现象, 其宽度约为 8-22m (换 算为原型,一年波浪作用时间)左右,平均厚度为 10-16cm(换算为原型) ;在滩肩平台处 也受到侵蚀后移(向岸方向)年最大幅度约 3-7m(换算为原型) ,在滩面上部堆积体较正向 波作用小,高度约为 5-10cm(换算为原型) ;滩面有一定侵蚀,年平均侵蚀厚度 3-5cm(换 算为原型) ,见图 3。
25 相对冲淤(cm) 15 5 -5 -15 -25 -40 试验前 试验后

-20

0

20 40 离岸距离(m)

60

80

100

图 3 人工沙滩斜向波浪作用下的年冲淤变化量 (以原设计剖面为零线) Fig3 The silt annual change amount of artificial beach in the tilted direction wave (Take that the plain designs section as null line)

(3) 在波浪作用下的沙滩剖面平衡情况。 在正向波浪作用下滩面的沙源有所向上推移, 沙滩剖面上有一定冲刷,在斜向波浪作用下,沙源出现部分下移。但是试验经过充分长时间 的波浪作用后, 沙源的向上推移和向海下拉不再扩大, 沙滩剖面基本形成与来波条件相适应 的形状,而不再发生大的变化。由比尺 1:20 正向波试验得,波浪作用 9 小时最大冲刷约为 8cm(换算为原型) ,整个剖面年冲刷幅度约为 3cm(换算为原型) ,平均冲刷试验 15 小时 最大冲刷约为 10cm(换算为原型) ,整个剖面年冲刷幅度约为 2.5cm(换算为原型) ,由此 可见冲刷基本趋于稳定, 可以说人工沙滩可以在初期补沙后, 经过一定时间能够形成新的平 衡剖面。综合各比尺和各方向波作用,分析得沙滩剖面年冲刷情况见图 4-图 5。
10 垂直高程(m) 8 6 4 2 0 0 20 40 60 80 100 水平距离(m) 原始剖面 冲刷后剖面

图 4 人工沙滩波浪共同作用下的年冲淤变化量 Fig4 The silt annual change amount of artificial beach in the every direction wave

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25 相对冲淤(cm) 15 5 -5 -15 -25 -40 -20 0 20 40 60 80 100 离岸距离(m) 试验前 试验后

图 5 人工沙滩波浪共同作用下的年冲淤变化量 (以原设计剖面为零线) Fig5 The silt annual change amount of artificial beach in the every direction wave (Take that the plain designs section as null line)

6. 结语
(a)影响人工沙滩平衡剖面冲淤变化的主要因素是波浪动力与泥沙的相互作用,特别是波 浪破碎形态,要正确模拟人工沙滩冲淤变化必须保证这些影响因素的相似。 (b)对于人工沙滩物理模型,试验证明采用正态模型是正确的,可以较好地满足破波带的 水流泥沙相似;对于模型沙的选择,采用天然沙和轻质沙综合比较分析,可以更合理分析泥 沙运动规律。 (c)试验证明人工沙滩在一定波浪作用时间之后,其剖面基本趋于一种平衡状态,沙源的 向岸推移和向海下拉的情况也基本稳定; 在斜向波作用下, 泥沙在沿岸方向以规则沙波形式 输移。 (d)滩肩在波浪破碎带,侵蚀最大,部分泥沙做推移和层移输送至滩面上部,滩肩后移, 而由于水体紊动等作用, 剖面侵蚀的部分泥沙下拉补给侵蚀段下部, 所以剖面底部冲淤变化 不大。 (e)本次是在没有潮流的情况下进行的,其结果仅仅反映波浪作用,对于潮流的输沙损失 没有计算在内。

参考文献
[1] Noda.E.K. Equilibrium beach profile scale model relationship〔J〕.Journal of the Waterways, Harbors and Coastal Engineering Division, ASCE, 1972, (11):511-528. [2] Hsiang Wand,Takao Toue,Hans H Dette.Movable bed modeling criteria for beach profile response (A).In: Billy L Edge, eds.Proc 22th CEC(C).New York: ASCE, 1990.2566-2579. [3] Hideaki Nada.Scale relations of equilibrium beach profile(A).In:Billy L Edge,eds.Proc 16th ICCE(C).New York:ASCE,1978.1531-1541. [4] Dean R G.Physical modeling of littoral processes(A).In:Dalrymple R A,eds.Proc of Hydraulic Modeling 85 (C).San Francissco;Netherlands Press,1985,1461-1478. [5] 刘家驹,波浪作用下泥沙运动研究(A) ,见:中国水利学会泥沙专业委员会编,全国泥沙基本理论研 究学术讨论会论文集(C) 。北京:中国建材工业出版社,1992.145-177。 [6] 徐啸,波流共同作用下浑水动床整体模型的比尺设计及模型沙选择(J).泥沙研究.1998(2).17-25. [7] Sunamura T.A Laboratory study of offshore transport of sediment and a model for eroding beaches(A),In:Billy L Edge,eds.Proc 17th CEC(C).1980.1051-1069. [8] 童朝峰,盛祖荫,郑金海,二维砂质海滩的堤前冲刷试验研究,见:河海大学学报(自然科学报)第 30 卷第 4 期,2002

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Artificial beach equilibrium profile experimental study
Li bing,Wang zheng,Feng weibing
Traffic College of Hohai University,Nanjing (210098) Abstract This article embarks from the wave and the sediment movement similar rule, and obtains the similitude criterion of the model experiment. Experiment uses the natural sand and the light quality sand to carry on the artificial beach equilibrium profile experiment by the normal model. Keywords:artificial beach,equilibrium profile,similitude criterion

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