孤立波作用下沿海路基沖刷實驗研究

蔣昌波，楊 武，陳 杰，伍志元，肖桂振，劉 靜

(1.長沙理工大學水利工程學院，湖南長沙 410004;2.水沙科學與水災害防治湖南省重點實驗室，湖南長沙 410004;3.中交天津航道局有限公司，天津 300461)

近年來海嘯頻發，沿海公路路基被海嘯波侵蝕破壞，造成路基坍塌，給救援工作帶來極大不便，災害下近岸帶地區建筑物的保護成為當下熱點研究問題［1］。

學者們對海嘯波作用下近岸帶地區泥沙運動和建筑物局部沖刷開展大量研究工作［1］。Kobayashi［2］等在波浪水槽開展泥沙實驗，研究破碎孤立波作用下的泥沙運動和岸灘演變。Tsujimoto［3］用孤立波對三種不同水深情況下岸灘演變進行研究。Young［4］對破碎孤立波作用下岸灘演變和泥沙運動開展研究。Riggs［5］等對海嘯波作用下近岸建筑物淘刷開展實驗研究。蔣昌波［6-8］等研究海嘯波作用下的泥沙運動和岸灘剖面形態變化。劉崢［9］對濱海公路受風暴潮、巨浪和海岸侵蝕等因素破壞的特征和規律進行過總結，但未對該問題進行過實驗研究。目前開展實驗研究的只有陳杰等［10］對沿海公路路基在海嘯波作用下局部沖刷進行初步探討，發現路基的位置對沖刷影響較大，但是并沒有對位置因素影響進行深入探討和分析。

基于陳杰在實驗中初步得出路基位置因素對局部沖刷影響較大的結論，通過開展波浪水槽實驗，采用路基絕對變化和相對變化兩種方式，探討沿海公路路基位置變化對局部沖刷的影響，同時對各工況下路基沖刷形態、最大沖刷深度進行深入探討，并對沿海地區建筑物選址及合理規劃布局提出建議。

1 實驗概述

1.1 實驗布置

實驗在波浪水槽內進行。波浪水槽長40 m，寬0.5 m，高0.8 m。水槽兩側為透明玻璃，可以便于實驗現象觀察。水槽一端配有推板造波系統，兩端設有良好的消波設施。考慮到實驗研究尺度限制，本實驗模型為概化模型。實驗布置如圖1所示，將沿海近岸帶地形簡化為1∶10和1∶20組合斜坡，概化模擬海岸帶地形特征［6，7，10］。沿海公路模型采用混凝土制作而成，長0.1 m，寬0.5 m，高0.1 m。模型分別放置在靜水面以上不同位置。為便于實驗描述，取x軸正向為波浪傳播方向，z軸正向垂直向上，水槽寬度方向為y軸，坐標原點O(0，0)位于斜坡起點處。

圖1 實驗布置Fig.1 Experimental setup

1.2 土體參數

實驗用沙為經過人工篩分得到的無粘性沙，平均中值粒徑為d50=0.369 mm，平均不均勻系數(Cu=d60/d10)為2.82，平均曲率系數(Cc=d302/(d10d60))為1.117。

1.3 波浪參數

Kobayashi［2］和Tsujimoto［3］曾采用孤立波模擬海嘯波對岸灘剖面的演變情況開展試驗研究，取得了不少有價值的研究成果。本文同樣采用孤立波作為入射波，對沿海公路進行逐個多次作用，模擬海嘯多次侵襲情況。實驗共設置9組不同工況，具體實驗工況和波浪參數說明如表1所示。

表1 實驗工況Tab.1 Experimental cases

1.4 實驗步驟

實驗目的是觀測孤立波作用下沿海公路周圍局部沖刷的過程和形態，具體包括以下幾個步驟:1)在實驗前，進行相應的模擬準備實驗，以便得到實驗期望的波浪參數。2)清理水槽，以便于實驗觀測。3)平整床面及模型放置。實驗開始前要對斜坡床面進行平整抹面，為保證初始斜坡平整。模型放置時，將模型外側對準玻璃標記，確保模型位置準確。5)造波實驗。采用已經做好的造波文件進行正式的波浪實驗。6)測量地形變化。用地形儀對作用后的地形進行測量，本實驗選取y=0.167 m和y=0.334 m兩縱向剖面地形進行測量，兩者相差不大，最終地形取兩者平均值，文中所有工況地形數據都采用上述方法測量得到。7)完成一個組次實驗之后，把沙子全部翻動攪拌，使泥沙均勻混合，再重新鋪好斜坡并整平，放置模型，然后按5)、6)進行下一組次實驗。

2 實驗結果和分析

2.1 路基沖刷形態

如圖2所示，岸灘在孤立波作用下形成沙壩剖面和沖刷槽形態。文獻［2，3，4，6］對海嘯波作用下岸灘演變和沙壩形成機理進行了詳細闡述。為探討路基處于岸灘沖刷槽區域時路基局部沖刷問題，在孤立波作用后形成的沖刷槽區域選取四個不同位置進行討論，位置詳見圖2。其中位置Ⅰ、位置Ⅱ和位置Ⅲ處于沖刷槽內，位置Ⅳ遠離沖刷槽。通過改變路基絕對位置和相對位置，研究路基位置對路基局部沖刷的影響。

圖3給出本次實驗工況組次4～組次9經過15個孤立波連續作用后的路基沖刷形態，同時與無路基模型工況組次進行對比，其中有無模型波浪作用個數相同，都為15次波浪作用。從圖3可以看出通過改變路基絕對位置，組次4～組次6路基向海側都出現不同大小的沖刷坑，其中組次4向岸側也出現沖刷坑，沖刷坑深度小于向海側。組次5～組次7向岸側都出現不同程度的淤積形態。從組次5、組次8和組次9可以看出，改變路基相對位置對路基沖刷產生較大影響，組次8向海側基本無沖刷，而組次5和組次9向海側都有不同程度的沖刷出現。

從總體上看，加入沿海公路模型后的沙質岸灘經過多次孤立波作用后，會形成離岸沙壩形態，且隨著波浪作用個數的增加，沙壩有向海側運動的趨勢。在岸灘沖刷區域，路基向海側會形成深窄沖刷坑，沖刷坑隨波浪作用個數增加而增大，最終達到平衡狀態。路基向岸側沖刷相比向海測沖刷小，且隨著路基位置遠離海岸線，向岸側會出現淤積形態。對比有無公路模型最終沖刷形態，路基的存在對孤立波淤積區域無改變，相反加劇了路基向海側的沖刷。

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

2.2 路基絕對位置變化對沖刷影響

圖4給出同一水深下，路基分別位于位置Ⅰ、位置Ⅱ、位置Ⅲ、位置Ⅳ時路基沖刷坑深度值變化情況。從圖中可以看出路基位于位置Ⅰ、位置Ⅱ時，路基向海側前5個波沖刷深度較大，都有約4 cm深度的沖刷，占最終沖刷深度的50%左右。當路基位于位置Ⅲ時，前10個波作用過后，基本未出現明顯沖刷，最終沖刷深度僅約1 cm;路基處于位置Ⅳ時，向海側并未出現沖刷，而是呈淤積形態。位置Ⅰ向海側最終沖刷深度分別比位置Ⅱ和位置Ⅲ最終沖刷深度高30%和85%。從不同位置處沖刷深度值可以得出:路基向海側沖刷坑深度值隨著路基遠離海岸線，沖刷坑深度呈遞減趨勢，路基沖刷深度與離岸距離成正比關系。

2.3 路基相對位置變化對沖刷影響

本次實驗對路基位于4.5 m位置時，通過挪動沖刷槽區域位置來改變路基的相對位置。對應設置了工況組次8和組次9，組次9路基位置相對沖刷槽位置為位置Ⅰ，組次8路基位置相對沖刷槽位置為位置Ⅲ。圖5給出組次5、組次8和組次9路基最終局部沖刷深度圖。從圖中可看出，路基相對沖刷槽位置發生改變后，沿海路基周圍沖刷坑的形態和大小都發生變化。其中組次5和組次9路基向海側沖刷坑形態受路基影響，在路基邊緣形成深窄沖坑，沖刷坑寬度與路基模型寬度相當，其中組次9中路基向岸側出現與向海測對稱形態深窄沖坑，沖坑深度較向海側要小。如圖3(a)所示，路基處于沖刷槽位置Ⅰ，向岸側也發生沖刷。由此可以得出，當路基位置處于沖刷槽位置Ⅰ時，破壞范圍也會延伸到路基向岸側，形成雙側沖刷破壞。

圖3 路基沖刷形態Fig.3 Form of scour around coastal road

圖4 路基沖刷深度變化Fig.4 Change of scour depth around coastal road

圖5 路基沖刷深度Fig.5 Scour depth of coastal road

圖6 沖刷深度變化趨勢Fig.6 Scour depth versus water depth

從上述實驗可以看出，路基沖刷破壞主要是由于路基向海側出現較大沖刷坑。為探討分析路基向海測沖刷深度變化趨勢。對路基向海側最大沖刷深度進行無量綱化處理，取路基向海側最大沖刷深度值除以入射波波高值為相對沖刷深度。圖6給出了路基向海側最大沖刷深度隨孤立波作用個數變化情況。通過數據分析可以看出，本次實驗中各工況向海側沖刷坑經過15個波浪作用過后都達到沖刷平衡狀態。前10個波浪作用引起路基沖刷速率較大，沖刷深度基本達到最終深度的50%以上。圖6顯示路基位置處于沖刷槽位置Ⅲ時，向海側沖刷深度明顯較其他組次要小。路基處于位置Ⅰ、位置Ⅱ、位置Ⅲ時，路基向海側沖刷深度呈依次減小趨勢。因此沿海公路應該盡量避免修建在沖刷區域位置Ⅰ和位置Ⅱ附近，若不可避免在沖刷區域修建公路，應對向海側實施防沖刷措施。

2.4 沖刷形成原因探討

對于沖刷產生的原因，圖7和圖8分別給出了組次4(位置Ⅰ)和組次6(位置Ⅲ)第15個波作用沖刷過程。從圖7(a)中可以看出，上爬水流在路基向海側遇到阻礙形成第一次沖刷，同時被激起的飛濺水流越過路基對路基向岸側進行沖刷。圖7(b)回落水流在路基頂部形成高速水跌，對水流上爬形成的沖刷坑進行二次沖刷，出坑水流將泥沙帶出，在離岸區淤積。

圖7 孤立波(組次4，第15個波作用)沖刷過程Fig.7 Fifteenth solitary wave-induced scour process in case 4

圖8 孤立波(組次6，第15個波作用)沖刷過程Fig.8 Fifteenth solitary wave-induced scour process in case 6

如圖8所示，組次6沖刷過程與組次4大致相同。不同之處在于組次6上爬水流與回落水流強度都沒有組次4大，特別是回落水流在路基頂部形成的跌水厚度h值小于組次4。因此，不同組次的最終沖刷深度與路基頂部跌水厚度成正比關系。Vu Thanh Ca［11］通過實驗得到回落水流最大沖刷深度預測公式。提出路基向海測最大沖刷深度D與路基頂部水流厚度成正比關系。本次實驗所有工況得到的地形數據，與Vu Thanh Ca［11］提出的結論一致。

3 結語

1)實驗結果顯示，沿海公路路基在孤立波多次作用后，路基向海側出現明顯沖坑形態;且隨著路基距海岸線越遠，沖刷坑深度會慢慢減小，當距離達到一定程度時，向海側不會出現沖刷坑。

2)路基位置處于沖刷槽位置Ⅰ時，路基破壞范圍會延伸到路基向岸側，向岸測沖刷深度小于向海測。

3)對比有無路基實驗結果，路基的存在加速了路基向海側沖刷。路基模型對岸灘沙壩淤積與沖刷槽形態和位置并無多大影響。因此，沿海公路應該避免修建在岸灘沖刷區域范圍，若路基處于沖刷范圍之內，應當對沿海路基向海側加以防沖刷措施。

4)路基向海側沖刷坑深度會隨著波浪作用個數增加而加深，向海側沖刷速率呈先增大后減小趨勢，最終會達到平衡狀態。

5)孤立波作用下路基向海測最大沖刷深度與路基頂部回落水流厚度成正比關系。

［1］ 陳杰，蔣昌波，鄧斌，等.海嘯作用下岸灘演變與床沙組成變化研究綜述［J］.水科學進展，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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