规则波作用下沙质海岸岸滩演变规律三维试验研究

陆聪，王宁舸，孙林云*，张继生

（1.河海大学港口海岸与近海工程学院，江苏 南京 210098；2.南京水利科学研究院水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏 南京 210029）

0 引言

根据沿岸输沙沿程变化，将沙质海岸分为平衡沿岸输沙海岸和不平衡沿岸输沙海岸。前者沿岸输沙大小沿程变化不大，岸滩演变受泥沙的“离岸—向岸”运动的影响，表现为岸滩剖面形态的季节性变化。后者除横向输沙影响外，在海岸工程建设或外部沙源供给变化等因素的影响下，沿岸输沙发生沿程变化，岸滩会发生累积性的冲淤变化，首先表现为岸线长期性的进退，其次受纵向沿岸输沙和横向输沙的综合作用，岸滩剖面形态也同步调整。

物理模型试验是探究沙质岸滩演变的重要手段，传统用于研究沙质海岸岸滩演变的物理模型主要以二维波浪水槽试验为主，探究泥沙在“向岸—离岸”方向上的运动规律[1-3]，研究季节性的岸滩剖面演变趋势[4-5]和沙坝运动规律[6]，因此一般适用于平衡沿岸输沙海岸的岸滩演变研究，不能反映沿岸输沙的影响。三维模型试验对比二维模型试验不仅能模拟泥沙横向输移，也能模拟沿岸流对泥沙的驱动作用。上世纪70 年代以来，南京水利科学研究院针对友谊港上游岸滩淤积、下游冲刷与防护等重点问题开展了一系列三维物理模型试验研究，揭示了岸滩冲淤坡度变化等现象[7]。Bruno 等[8]开展了裂流作用下的三维岸滩演变试验，探究了岸滩形态对裂流特性响应规律，但其试验波浪只有正向入射工况；Ramy 等[9]开展了近岸沙丘系统地貌形态对风暴条件下斜向波作用的响应研究，探究了短期风暴过程中沿岸输沙和岸滩演变规律。

本文以毛里塔尼亚某沙质海岸为原型开展三维波浪泥沙物理模型试验，研究沙质海岸在长时间序列斜向规则波作用时不同沿岸输沙状态下的岸滩演变规律。

1 研究区域概况

本试验研究区域是位于毛里塔尼亚友谊港以南175 km 的沙质海岸，岸线大致呈 12°N～192°N走向，岸线长约10 km，研究区域的地理位置如图1 所示。海岸面向开敞大西洋，沿岸波浪强、潮流弱，泥沙运动以波浪作用下的沿岸输沙为主要特征。

图1 研究区域位置——毛里塔尼亚某沙滩Fig.1 Location of study area-A beach in Mauritania

研究海域常浪向为NW 和WNW 向，强浪向为WNW 和W 向。近岸代表波向与岸线法线夹角19°，代表波高1.99 m，代表波周期10.88 s。近岸潮流较弱，不是近岸泥沙运动的主要动力。近岸坡度较陡，平均坡度约1/54，离岸坡度较缓，近岸和离岸泥沙平均中值粒径分别为0.23 mm、0.1 mm。近岸泥沙运动形式以沿岸悬移质输运为主，净输沙方向由北至南，年均沿岸输沙率约100×104m3。

2 模型概述

2.1 模型设计与布置

本试验在南京水利科学研究院水文水资源与水利工程科学国家重点实验室的波浪港池中进行。港池长宽为45 m×35 m，港池两侧及造波机后方布置了消能设施，可以有效地耗散波能，减少进入模型区域的反射波。造波系统采用摇板式造波机，长约40 m。

根据试验场地大小和研究区域范围，选取模型平面比尺λl=250，出于试验效率的考虑，模型变率取2，垂直比尺λh=125，模型波高、波长比尺λH、λL均与垂直比尺相等，以满足波浪运动相似。按以往模型试验经验，选择密度ρs= 1 270～1 400 kg/m3、干密度为870 kg/m3的轻质煤粉作为模型沙。根据波浪作用下的泥沙沉降比尺：λω=和泥沙起动比尺计算得泥沙粒径比尺在0.58～0.82 之间，原型岸滩泥沙中值粒径约为0.23 mm，综合分析选择泥沙比尺为0.58，模型沙中值粒径约为0.4 mm。

为模拟斜向波作用下的岸滩演变过程，模型岸线走向与造波板夹角布置成约19°。研究区域的海岸泥沙运动和岸滩演变主要限于天然水深为-12 m 以浅区域，因此本物理模型采用局部动床处理方法，经模型垂直比尺换算后以-9.6 cm等深线为界，-9.6 cm 以深为定床，-9.6 cm 以浅为动床，模型动床范围在沿岸方向长约39 m，离岸方向宽约5 m。模型地形采用2016 年研究海域1 ∶1 000 实测地形来制作模型地形，初始岸滩坡度在 1/30～1/25 左右。

模型上游不设置加沙系统，通过保留足够长岸线，利用波浪对上游岸滩冲刷，使沿岸输沙逐渐发育至平衡输沙状态。通过这种方式，达到模拟不同沿岸输沙状态下岸滩演变过程的目的。在模型动床下游边界设置集沙池以收集沿岸输移的泥沙。

本试验不考虑潮汐、潮流运动，在固定水位+1.6 m 位置进行模拟试验。水位通过潜水泵调节、自记式水位仪测量进行控制。模型中沿岸选取了5 条断面，共布置16 台波高仪，用以试验过程中波浪率定。动床区域建立局部坐标系，x 表示离岸方向坐标，x=0 m 处为测量基准线，大致与岸线方向平行；y 表示沿岸方向坐标，y=0 m 处位于模型动床中间部位。模型布置见图2。

图2 物理模型试验布置图Fig.2 Experimental layout of the physical model

2.2 试验内容

本模型的试验主要内容是利用规则波对岸滩持续作用，研究斜向入射波作用下不同沿岸输沙状态下沙质岸滩较长时间序列的演变规律和沿岸输沙横向分布规律。当原型海岸波高在2～2.4 m时，泥沙起动水深在-10～-12 m 处，经比尺换算，模型波高1.6～1.92 cm，经过刘家驹波浪下泥沙起动公式（1）校验，该波高范围满足模型沙起动相似。且以往试验结果表明，在采用类似模型沙的条件下，模型波高小于2 cm 的试验结果也有代表性[10]。基于此，模型规则波波要素选取为平均波高周期T=0.9 s。造波机前水深h=0.55 m，岸滩演变试验共持续30 h，每隔5 h 对试验后地形等深线和下游收沙量进行量测。

式中：带“*”脚标的为泥沙起动波要素；ρs、ρ 为泥沙和水密度；D 为泥沙中值粒径。

3 结果分析

3.1 岸滩地形变化

图3 所示的岸滩高程等深线图展示了规则波作用下岸滩地貌形态变化。随着规则波作用时间的增加，近岸地形等深线变密集，岸滩坡度变陡，这是近岸剖面在波浪作用下形成与入射波条件相适应剖面形态的结果。随着时间的推移，岸滩近岸冲淤变化表现出明显的沿岸特异性，这主要受沿岸输沙状态平衡与否的影响。根据其近岸沿程冲淤变化可将试验岸滩分为3 个区域：在y=0～18 m 的上游岸滩呈现侵蚀状态，为上游冲刷段；在y=0～-7 m 间岸滩冲淤变化不明显，为冲淤平衡段；在y=-7～-19 m 的下游岸滩呈现冲刷侵蚀状态，为下游冲刷段。

图3 高程等值线图Fig.3 Contour maps of elevation

对于上游冲刷段，由于边界无额外沙源供给，波浪挟沙能力大于沿岸输沙量，岸滩呈侵蚀状态。上游冲刷段等深线分布不均，近岸处-0.8～+1.6 cm水位等深线分布较密，离岸处-7.2～-3.2 cm 水位等深线分布较密集，岸滩坡度较陡；其余等深线分布稀疏，岸滩坡度相对较缓，地形相对平坦。-3.2 cm 以上等深线不平顺，抖动频繁，说明该处泥沙运动剧烈，岸滩演变显著。通过不同时段的地形高程差，可以分析岸滩冲淤变化趋势。上游冲刷段离岸方向冲淤变化呈“淤积—冲刷—淤积”的特征。近岸以淤积为主，最大淤积深度接近1 cm，在x=4～5 m 处的岸滩区域以冲刷为主，从上游至下游沿程冲刷深度不同，位于y=14 m、10 m、3 m 左右的岸滩侵蚀较多，最大冲深约1.5 cm，且最大冲刷点位置有向上游移动的趋势。在x=2～4 m 处的外海部分岸滩出现泥沙沉积，最大淤积深度略大于1 cm。离岸处岸滩淤积说明泥沙在规则波作用下发生持续的离岸输运，在初始调整阶段过后，横向方向上离岸输沙占主导地位。对比t=0 h 和30 h 岸滩高程变化可以发现，上游冲刷段呈近岸侵蚀，离岸淤积的状态，在y＞3 m 处的岸滩最大冲刷深度约为3 cm，最大沉积高度略小于2 cm；在0＜y＜3 m 处的岸滩处于过渡段，冲淤变化逐渐减小。

冲淤平衡段在经过初始岸滩调整后，岸滩地貌形态相对稳定。平衡段等深线均比较顺直，等深线分布比较均匀。在5～30 h 时间段内的岸滩虽仍有局部冲淤变化，但整体冲淤深度的变化小于0.3 cm，岸滩整体处于动态平衡状态。

下游冲刷段的地形等深线分布、形态以及冲淤变化与上游冲刷段类似。在0～10 h 阶段岸滩冲淤变化剧烈，在y＜-13 m 范围内的岸滩近岸最大冲刷深度接近3 cm，离岸处呈淤积状态，总体看来越向下游泥沙运动越剧烈。

岸滩不同位置的岸线变化速率大小如表1 所示，+值表示岸线淤积前进，-值表示岸线侵蚀后退。在试验开始后的前5 h，岸线呈向海淤积前进的趋势，受沿岸输沙侵蚀影响，岸滩上游冲刷段淤积速率略小。随着波浪作用时间的增长，冲刷段岸线侵蚀后退，上游岸线蚀退距离沿程交替变化，在y=12 m、6 m 处的岸线蚀退距离最大，在y=0～6 m 处的岸滩岸线蚀退距离逐渐减小；下游冲刷段岸线蚀退距离在y＜-15 m 后沿程增大。上、下游冲刷段的岸线平均蚀退速率为接近。冲淤平衡段岸线在经过试验初期的岸线调整后，岸线平均蚀退速率很小，岸线位置相对稳定。

表1 不同位置岸线进退速率Table 1 Advance and retreat rate of shoreline at different regions cm/h

沙滩各段典型岸滩剖面形态变化如图 4 所示。图4（a）位于冲刷段，岸滩剖面以持续的冲刷为特征。随着规则波作用时间的增长，高程-2 cm之上的岸滩不断被侵蚀。在x=4～5 m 处的岸滩的中部坡度较缓，形成岸滩平台。在x=3～4 m 处，岸滩坡度变陡，出现离岸泥沙堆积，部分泥沙从近岸侵蚀搬运至此处并沉积，且泥沙堆积体随着规则波作用时长的增加有逐渐向外海移动的趋势。-9.6 cm 等深线相对于初始地形向外海移动，在小于等深线-9.6 cm 的外海处，仍然有少量的泥沙运动。上述现象表明，冲刷段剖面具有较活跃的离岸泥沙运动。图4（b）位于冲淤平衡段，岸滩剖面形态与冲刷段有所不同，离岸处没有泥沙堆积，-3 cm 等深线以下岸滩坡度变化较小；在不同波浪作用时段的岸滩剖面轮廓及位置变化也不大。

图4 岸滩不同区域剖面形态变化Fig.4 Beach profile changes in different regions

上述现象表明，冲刷段属于不平衡沿岸输沙海岸，冲淤平衡段属于平衡沿岸输沙海岸。上游不平衡沿岸输沙海岸受无外界沙源的供给的影响，岸线持续后退；同时在连续的规则波作用下，离岸输沙在该段影响较大，岸滩近岸发生离岸侵蚀，使水下地形等深线分布不均匀，形态不平顺，岸滩剖面形态发生些许变化。下游冲刷段岸滩演变规律与之类似，该段的形成可能与模型地形的沿岸不均匀性、波浪条件变化等因素有关，导致该段离岸和沿岸输沙能力有所增大，岸滩进一步侵蚀。随着上游沿岸输沙的逐步发育，冲淤平衡段岸滩基本处于沿岸输沙平衡状态，岸线位置变化较小，岸滩冲淤不明显；该段离岸输沙同样处于平衡状态，岸滩剖面轮廓基本不变，该段岸滩剖面为平衡剖面形态。

3.2 沿岸输沙量变化

每5 h 收集称量集沙池中泥沙重量，离岸方向上每隔50 cm 对泥沙质量称重，以研究泥沙横向分布规律。选取不同试验组次泥沙进行烘干，称量干沙重量，计算得到模型沙平均干湿比为0.78，由此计算每次试验收沙的干沙质量。

试验中每5 h 收沙量如表 2 所示，可以发现不同时刻总收沙量大小变化不大，平均沿岸输沙率为18.02 kg/h。在x=5～5.5 m 处，收沙量最大，x ＜4 m 的范围内，收沙量较小。在 x=5～6 m 处，随着规则波作用时间的增加，收沙量也增加；但x=4～5 m 处呈现相反的规律，收沙量随波浪作用时长的增加而减少。上述现象表明，沿岸输沙主要发生在近岸破波带，其中破波点附近输沙最为集中，在近岸或离岸区域输沙量明显减小，泥沙沿岸输沙量在离岸方向上呈先增大后减小的趋势。

表2 沿岸输沙量统计Table 2 Statistics of longshore sediment transport

4 结语

通过分析斜向规则波作用下的岸滩地貌形态及沿岸输沙率变化，得出以下结论：

1）在斜向规则波作用下且上游边界无沙源供给的条件下，沙质岸滩将形成平衡沿岸输沙海岸和不平衡沿岸输沙海岸。不平衡沿岸输沙海岸呈冲刷状态，岸线持续后退，伴随着持续的离岸输沙，岸滩剖面形态也发生调整，离岸处泥沙持续沉积，等深线也变得曲折；平衡沿岸输沙海岸处于冲淤平衡状态，离岸向岸输沙不明显，岸线和剖面形态变化不大。

2） 沿岸输沙在横向方向上呈现近岸和外海小，中间大的规律，沿岸输沙主要发生在近岸破波带，且随波浪作用时长的增加，近岸沿岸输沙量增加。

3）规则波在一定程度上可以反映岸滩演变的一些现象，但由于与天然不规则波作用存在差异，尚不能完全反映出基本规律，未来可用不规则波展开对比研究。