孤立波作用下沿海路基冲刷实验研究

蒋昌波，杨 武，陈 杰，伍志元，肖桂振，刘 静

(1.长沙理工大学水利工程学院，湖南长沙 410004;2.水沙科学与水灾害防治湖南省重点实验室，湖南长沙 410004;3.中交天津航道局有限公司，天津 300461)

近年来海啸频发，沿海公路路基被海啸波侵蚀破坏，造成路基坍塌，给救援工作带来极大不便，灾害下近岸带地区建筑物的保护成为当下热点研究问题［1］。

学者们对海啸波作用下近岸带地区泥沙运动和建筑物局部冲刷开展大量研究工作［1］。Kobayashi［2］等在波浪水槽开展泥沙实验，研究破碎孤立波作用下的泥沙运动和岸滩演变。Tsujimoto［3］用孤立波对三种不同水深情况下岸滩演变进行研究。Young［4］对破碎孤立波作用下岸滩演变和泥沙运动开展研究。Riggs［5］等对海啸波作用下近岸建筑物淘刷开展实验研究。蒋昌波［6-8］等研究海啸波作用下的泥沙运动和岸滩剖面形态变化。刘峥［9］对滨海公路受风暴潮、巨浪和海岸侵蚀等因素破坏的特征和规律进行过总结，但未对该问题进行过实验研究。目前开展实验研究的只有陈杰等［10］对沿海公路路基在海啸波作用下局部冲刷进行初步探讨，发现路基的位置对冲刷影响较大，但是并没有对位置因素影响进行深入探讨和分析。

基于陈杰在实验中初步得出路基位置因素对局部冲刷影响较大的结论，通过开展波浪水槽实验，采用路基绝对变化和相对变化两种方式，探讨沿海公路路基位置变化对局部冲刷的影响，同时对各工况下路基冲刷形态、最大冲刷深度进行深入探讨，并对沿海地区建筑物选址及合理规划布局提出建议。

1 实验概述

1.1 实验布置

实验在波浪水槽内进行。波浪水槽长40 m，宽0.5 m，高0.8 m。水槽两侧为透明玻璃，可以便于实验现象观察。水槽一端配有推板造波系统，两端设有良好的消波设施。考虑到实验研究尺度限制，本实验模型为概化模型。实验布置如图1所示，将沿海近岸带地形简化为1∶10和1∶20组合斜坡，概化模拟海岸带地形特征［6，7，10］。沿海公路模型采用混凝土制作而成，长0.1 m，宽0.5 m，高0.1 m。模型分别放置在静水面以上不同位置。为便于实验描述，取x轴正向为波浪传播方向，z轴正向垂直向上，水槽宽度方向为y轴，坐标原点O(0，0)位于斜坡起点处。

图1 实验布置Fig.1 Experimental setup

1.2 土体参数

实验用沙为经过人工筛分得到的无粘性沙，平均中值粒径为d50=0.369 mm，平均不均匀系数(Cu=d60/d10)为2.82，平均曲率系数(Cc=d302/(d10d60))为1.117。

1.3 波浪参数

Kobayashi［2］和Tsujimoto［3］曾采用孤立波模拟海啸波对岸滩剖面的演变情况开展试验研究，取得了不少有价值的研究成果。本文同样采用孤立波作为入射波，对沿海公路进行逐个多次作用，模拟海啸多次侵袭情况。实验共设置9组不同工况，具体实验工况和波浪参数说明如表1所示。

表1 实验工况Tab.1 Experimental cases

1.4 实验步骤

实验目的是观测孤立波作用下沿海公路周围局部冲刷的过程和形态，具体包括以下几个步骤:1)在实验前，进行相应的模拟准备实验，以便得到实验期望的波浪参数。2)清理水槽，以便于实验观测。3)平整床面及模型放置。实验开始前要对斜坡床面进行平整抹面，为保证初始斜坡平整。模型放置时，将模型外侧对准玻璃标记，确保模型位置准确。5)造波实验。采用已经做好的造波文件进行正式的波浪实验。6)测量地形变化。用地形仪对作用后的地形进行测量，本实验选取y=0.167 m和y=0.334 m两纵向剖面地形进行测量，两者相差不大，最终地形取两者平均值，文中所有工况地形数据都采用上述方法测量得到。7)完成一个组次实验之后，把沙子全部翻动搅拌，使泥沙均匀混合，再重新铺好斜坡并整平，放置模型，然后按5)、6)进行下一组次实验。

2 实验结果和分析

2.1 路基冲刷形态

如图2所示，岸滩在孤立波作用下形成沙坝剖面和冲刷槽形态。文献［2，3，4，6］对海啸波作用下岸滩演变和沙坝形成机理进行了详细阐述。为探讨路基处于岸滩冲刷槽区域时路基局部冲刷问题，在孤立波作用后形成的冲刷槽区域选取四个不同位置进行讨论，位置详见图2。其中位置Ⅰ、位置Ⅱ和位置Ⅲ处于冲刷槽内，位置Ⅳ远离冲刷槽。通过改变路基绝对位置和相对位置，研究路基位置对路基局部冲刷的影响。

图3给出本次实验工况组次4～组次9经过15个孤立波连续作用后的路基冲刷形态，同时与无路基模型工况组次进行对比，其中有无模型波浪作用个数相同，都为15次波浪作用。从图3可以看出通过改变路基绝对位置，组次4～组次6路基向海侧都出现不同大小的冲刷坑，其中组次4向岸侧也出现冲刷坑，冲刷坑深度小于向海侧。组次5～组次7向岸侧都出现不同程度的淤积形态。从组次5、组次8和组次9可以看出，改变路基相对位置对路基冲刷产生较大影响，组次8向海侧基本无冲刷，而组次5和组次9向海侧都有不同程度的冲刷出现。

从总体上看，加入沿海公路模型后的沙质岸滩经过多次孤立波作用后，会形成离岸沙坝形态，且随着波浪作用个数的增加，沙坝有向海侧运动的趋势。在岸滩冲刷区域，路基向海侧会形成深窄冲刷坑，冲刷坑随波浪作用个数增加而增大，最终达到平衡状态。路基向岸侧冲刷相比向海测冲刷小，且随着路基位置远离海岸线，向岸侧会出现淤积形态。对比有无公路模型最终冲刷形态，路基的存在对孤立波淤积区域无改变，相反加剧了路基向海侧的冲刷。

图2 模型位置示意Fig.2 Schematic of model location

2.2 路基绝对位置变化对冲刷影响

图4给出同一水深下，路基分别位于位置Ⅰ、位置Ⅱ、位置Ⅲ、位置Ⅳ时路基冲刷坑深度值变化情况。从图中可以看出路基位于位置Ⅰ、位置Ⅱ时，路基向海侧前5个波冲刷深度较大，都有约4 cm深度的冲刷，占最终冲刷深度的50%左右。当路基位于位置Ⅲ时，前10个波作用过后，基本未出现明显冲刷，最终冲刷深度仅约1 cm;路基处于位置Ⅳ时，向海侧并未出现冲刷，而是呈淤积形态。位置Ⅰ向海侧最终冲刷深度分别比位置Ⅱ和位置Ⅲ最终冲刷深度高30%和85%。从不同位置处冲刷深度值可以得出:路基向海侧冲刷坑深度值随着路基远离海岸线，冲刷坑深度呈递减趋势，路基冲刷深度与离岸距离成正比关系。

2.3 路基相对位置变化对冲刷影响

本次实验对路基位于4.5 m位置时，通过挪动冲刷槽区域位置来改变路基的相对位置。对应设置了工况组次8和组次9，组次9路基位置相对冲刷槽位置为位置Ⅰ，组次8路基位置相对冲刷槽位置为位置Ⅲ。图5给出组次5、组次8和组次9路基最终局部冲刷深度图。从图中可看出，路基相对冲刷槽位置发生改变后，沿海路基周围冲刷坑的形态和大小都发生变化。其中组次5和组次9路基向海侧冲刷坑形态受路基影响，在路基边缘形成深窄冲坑，冲刷坑宽度与路基模型宽度相当，其中组次9中路基向岸侧出现与向海测对称形态深窄冲坑，冲坑深度较向海侧要小。如图3(a)所示，路基处于冲刷槽位置Ⅰ，向岸侧也发生冲刷。由此可以得出，当路基位置处于冲刷槽位置Ⅰ时，破坏范围也会延伸到路基向岸侧，形成双侧冲刷破坏。

图3 路基冲刷形态Fig.3 Form of scour around coastal road

图4 路基冲刷深度变化Fig.4 Change of scour depth around coastal road

图5 路基冲刷深度Fig.5 Scour depth of coastal road

图6 冲刷深度变化趋势Fig.6 Scour depth versus water depth

从上述实验可以看出，路基冲刷破坏主要是由于路基向海侧出现较大冲刷坑。为探讨分析路基向海测冲刷深度变化趋势。对路基向海侧最大冲刷深度进行无量纲化处理，取路基向海侧最大冲刷深度值除以入射波波高值为相对冲刷深度。图6给出了路基向海侧最大冲刷深度随孤立波作用个数变化情况。通过数据分析可以看出，本次实验中各工况向海侧冲刷坑经过15个波浪作用过后都达到冲刷平衡状态。前10个波浪作用引起路基冲刷速率较大，冲刷深度基本达到最终深度的50%以上。图6显示路基位置处于冲刷槽位置Ⅲ时，向海侧冲刷深度明显较其他组次要小。路基处于位置Ⅰ、位置Ⅱ、位置Ⅲ时，路基向海侧冲刷深度呈依次减小趋势。因此沿海公路应该尽量避免修建在冲刷区域位置Ⅰ和位置Ⅱ附近，若不可避免在冲刷区域修建公路，应对向海侧实施防冲刷措施。

2.4 冲刷形成原因探讨

对于冲刷产生的原因，图7和图8分别给出了组次4(位置Ⅰ)和组次6(位置Ⅲ)第15个波作用冲刷过程。从图7(a)中可以看出，上爬水流在路基向海侧遇到阻碍形成第一次冲刷，同时被激起的飞溅水流越过路基对路基向岸侧进行冲刷。图7(b)回落水流在路基顶部形成高速水跌，对水流上爬形成的冲刷坑进行二次冲刷，出坑水流将泥沙带出，在离岸区淤积。

图7 孤立波(组次4，第15个波作用)冲刷过程Fig.7 Fifteenth solitary wave-induced scour process in case 4

图8 孤立波(组次6，第15个波作用)冲刷过程Fig.8 Fifteenth solitary wave-induced scour process in case 6

如图8所示，组次6冲刷过程与组次4大致相同。不同之处在于组次6上爬水流与回落水流强度都没有组次4大，特别是回落水流在路基顶部形成的跌水厚度h值小于组次4。因此，不同组次的最终冲刷深度与路基顶部跌水厚度成正比关系。Vu Thanh Ca［11］通过实验得到回落水流最大冲刷深度预测公式。提出路基向海测最大冲刷深度D与路基顶部水流厚度成正比关系。本次实验所有工况得到的地形数据，与Vu Thanh Ca［11］提出的结论一致。

3 结语

1)实验结果显示，沿海公路路基在孤立波多次作用后，路基向海侧出现明显冲坑形态;且随着路基距海岸线越远，冲刷坑深度会慢慢减小，当距离达到一定程度时，向海侧不会出现冲刷坑。

2)路基位置处于冲刷槽位置Ⅰ时，路基破坏范围会延伸到路基向岸侧，向岸测冲刷深度小于向海测。

3)对比有无路基实验结果，路基的存在加速了路基向海侧冲刷。路基模型对岸滩沙坝淤积与冲刷槽形态和位置并无多大影响。因此，沿海公路应该避免修建在岸滩冲刷区域范围，若路基处于冲刷范围之内，应当对沿海路基向海侧加以防冲刷措施。

4)路基向海侧冲刷坑深度会随着波浪作用个数增加而加深，向海侧冲刷速率呈先增大后减小趋势，最终会达到平衡状态。

5)孤立波作用下路基向海测最大冲刷深度与路基顶部回落水流厚度成正比关系。

［1］ 陈杰，蒋昌波，邓斌，等.海啸作用下岸滩演变与床沙组成变化研究综述［J］.水科学进展，2013，24(5):750-758.(CHEN Jie，JIANG Chang-bo，DENG Bin，et al.Review of beach profile changes and sorting of sand grains by tsunami waves［J］.Advances in Water Science，2013，24(5):750-758.(in Chinese))

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［7］ 蒋昌波，陈杰，程永舟，等.海啸波作用下泥沙运动:Ⅱ:床沙组成变化分析［J］.水科学进展，2012，23(6):802-807.(JIANG Chang-bo，CHEN Jie，CHENG Yong-zhou，et al.Study of sediment transport by tsunami waves:Ⅱ:sorting of sand grains on seabed［J］.Advances in Water Science，2012，23(6):802-807.(in Chinese))

［8］ 蒋昌波，陈杰，程永舟，等.海啸波作用下泥沙运动:Ⅲ:数学模型的建立与验证［J］.水科学进展，2013，24(1):91-97.(JIANG Chang-bo，CHEN Jie，CHENG Yong-zhou，et al.Study of sediment transport by tsunami waves:Ⅲ:numerical model development and verification［J］.Advances in Water Science，2013，24(1):91-97.(in Chinese))

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