风暴波浪作用下沙坝剖面运动特征研究

苟大荀/辽宁省交通厅港航管理局

风暴波浪作用下沙坝剖面运动特征研究

苟大荀/辽宁省交通厅港航管理局

对风暴期波浪作用下沙质海岸上沙坝剖面运动进行了物理模型实验，研究了波浪条件、海岸坡度对沙坝剖面运动的影响，讨论了规则波和波群作用在不同坡度海岸模型上的沙坝剖面的运动。实验中发现，在不同波浪作用下沙坝剖面会呈现不同的运动状态，且运动趋势与入射波的波高有关。

沙坝剖面；波浪；海岸坡度；运动；坝峰

一、引言

海岸带是陆海的交汇区，研究海岸的变化对沿海地带环境影响是至关重要的。沙质海岸的一个重要性质就是他的动态变化特性，位于海底的泥沙在近海水域水动力的影响下，必然会引起岸滩的冲淤演变。风暴期，沿岸形成的沙坝是沙质海岸重要的海底特征之一，沙坝的存在使得波浪在离岸较远处破碎，使得击打在基岸或者滩面的波浪力和侵袭作用减弱，从而减少了岸滩的泥沙的流失，起到软防护的作用[1][2]。岸滩的这种自我保护由于它得天独厚的自然条件越来越被人们重视，其在岸滩保护的课题中由于经济花费低、符合自然和谐规律及有利于自然环境的美化而备受瞩目。

研究人员最新的成果证明[3]，沙坝的位置在风暴期所表现出一种不稳定状态，主要是离岸和向岸的震荡运动。沙坝运动在自然界实际观测比较艰难，因此通过物模试验，来研究沙坝剖面的运动特征是有着重要意义的。本文通过考虑不同波浪形态，包括波群、规则波作用在不同坡度的海岸上，沙坝剖面运动的特征，来探讨海岸坡度和波浪对风暴期沙坝剖面的影响。

二、实验布置

本实验是在大连理工大学海岸及近海工程国家重点实验室浑水水槽中完成的，水槽长为56m、宽度0.7m、高度0.7m。在水槽的一侧安置推板式造波机，另一侧布置为1: 10和1:20坡度的沙质海滩模型[4]。实验中取中值粒径为D50=0.224mm的天然沙作为模型沙，水深始终保持0.45m。图1所示（附后，后同）为实验的具体布置方案。

实验所采用的造波控制系统，可以生成多种类型的波况。实验中波浪包括波群、规则波和。波群运用JONSWAP谱分析。对波群考虑了不同的波幅调制，波面升高由下式计算

式中，T为波浪周期，a为波群中短波波幅，Tg为波群包络周期：Tg=nT,n为波群中的短波的个数。δ为波群调制系数。实验中可见，取a=0.084m和0.080m可使所生成波群的三分之一最大波高为0.9m和0.13m。

实验中波高由浪高仪测量。海岸剖面模型变化的测量采用URT-III三维河床地形测量系统，每隔30min测量一次海岸剖面，主要测量贴近水槽壁的断面，如图2所示。表1给出了实验中所采用的波要素。

三、规则波作用下沙坝剖面运动特征

通过实验发现在波浪的作用下沙坝形成后没有静止不动，而是随时间存在离岸和向岸的往复振荡运动，且不同的波浪作用下沙坝剖面呈现出不同的运动状态。为了更直观地了解沙坝形成后的运动，图3、4给出规则波作用下的沙坝峰随时间变化的位移图，考虑到实验的重复性，图中给出了同一个波况下的两组实验结果。通过图3、图4可以看出，实验中规则波作用下1:10和1:20的海岸模型，沙坝的离向岸的振荡都很剧烈，H=9cm、H=14.5cm和16cm时，振荡的幅值要更大，说明在一定小的和一定大的规则波作用下沙坝的振荡幅值会更大。由沙坝的最终运动距离可以看出，波高较小时，沙坝运动最终呈现出向岸运动趋势，随着波高的增大，最终运动趋势逐渐呈离岸。于是可得出规则波作用下，在波高H=9cm时沙坝运动趋势均是向岸的，H=16cm沙坝的运动趋势基本上都是离岸的。H=14.5cm，沙坝的运动趋势近似于离向岸的临界。从而可以得出沙坝运动趋势的临界植依赖于入射波的波高，与地形坡度无关。

四、波群作用下沙坝剖面运动特征

图5是根据有效波高 H1/3=9cm和13cm，系数δ=0.25、0.5、1.0的波群作用在1: 10的海岸模型，形成的沙坝剖面随时间的运动历程得到沙坝峰位移图。由图5可见，在相同有效波高的情况下，随着调制系数的增大，波群作用下沙坝的振荡运动次数逐渐减少，说明振荡逐渐减弱。由于调制系数越小，波群越近似于规则波，系数越大波群的群性越明显，所以可以说明这个现象跟规则波的结论是类似的。同时由图和表中可得到沙坝的运动趋势，发现在有效波高较小的 H=9cm的波群作用下，沙坝均表现为向岸运动。在有效波高较大的 H=13cm的波群作用下沙坝是离岸运动的。这与规则波得到的小波高作用下沙坝呈向岸运动趋势，大波高作用下是离岸的趋势结论也是一致的。

图6是根据有效波 H=9cm和13cm，系数δ=0.25、0.5、1.0的波群作用在1: 20的海岸模型，形成的沙坝剖面随时间的运动历程得到沙坝峰位移图。由图6得到的结论与1:10坡度下波群实验的结果类似，在有效波高较小的 H=9cm的波群作用下，沙坝均表现为向岸运动。在有效波高较大的 H=13cm的波群作用下沙坝是离岸运动的。沙坝的运动振荡次数随着波群调制系数的增大而减少，这种振荡次数少于同种波况作用在1:10坡度下的结果。

五、结论

本文研究了规则波和波群作用下沙坝剖面在不同坡度海岸上的运动特征，得出结论如下：

1.规则波情况下，沙坝存在离向岸的振荡运动，沙坝离向岸运动的临界值依赖于入射波高，不受地形初始坡度的影响。但沙坝离向岸的运动幅值和运动速度还是受初始坡度的影响。实验中发现大波高H=16cm作用下的沙坝总的运动趋势是离岸的，小波高H=9cm作用下沙坝的总体运动趋势是向岸的，波高H=14.5cm的规则波介于离向岸的临界波高。

2.波群情况下，沙坝的振荡运动弱于规则波作用下，沙坝较多时刻处于离岸或者向岸的单一方向运动，振荡运动随着波群调制系数的增大而减弱，且明显弱于规则波作用。与规则波结论类似，在较小波高（ H=9cm）作用下，沙坝呈向岸运动趋势，在较大波高（ H1/3=13cm）作用下，沙坝最终呈离岸运动趋势。

[1]柯马尔.海滩过程与沉积作用，邱建立、庄振业、崔成琦译，北京：海洋出版社，1985.

[2]陈士荫，顾家龙，吴宋仁编.海岸动力学[M].北京：人民交通出版社，1995.

[3]Hoefel F,ElgarS.Wave-induced sediment transport and sandbar migration [J].Science,2003, 299: 1885-1887.

[4]尹晶，邹志利，李松.波浪作用下沙坝不稳定性实验研究 [J].海洋工程，2008,26（1），40-50.

图1 实验设置

图2:海岸剖面地形测量

表1 实验波浪要素

图3 规则波作用在1:10坡度沙坝峰运动位移

图4 规则波作用在1:20坡度沙坝峰运动位移

图5 波群作用下的沙坝峰运动位移（1:10坡度）

图6 波群作用下的沙坝峰运动位移（1:20坡度）

国家自然科学基金资助项目(项目编号：50479053；10672034)