近岸取沙对岸滩稳定性影响 ——波浪动床物理模型试验

徐 啸，佘小建，崔 峥

(南京水利科学研究院，南京 210024)

在近岸区采沙涉及到岸滩稳定、生态、环境等诸多因素。本研究主要致力于对岸滩稳定性的影响；迄今国内外对此课题研究，特别是应用物理模型试验的研究成果甚少。本文以曹妃甸东侧滩涂为对象，研究各取沙方案实施后，波浪引起的向离岸输沙运动及相应岸滩剖面的冲淤类型变化，据此评估取沙对岸滩稳定性的影响程度。

1 波浪动床泥沙试验技术路线

1.1 基本思路——主要研究向-离岸(横向)输沙规律

在一个相对稳定的岸滩海域，如果没有人工建筑物阻挡沿岸输沙，岸滩在较大波浪作用下短期的侵蚀问题一般主要与近岸区泥沙的向-离岸运动密切相关。这与南京大学1997年对曹妃甸滩槽稳定性分析中“沙坝沿岸泥沙运动以横向为主、纵向较弱”结论是一致的[1]。如取沙区布置在破波区附近，取沙区将起“集沙坑”作用，沿岸输沙将有利于取沙区的淤积和恢复，对维持当地岸滩的稳定性是有利的因素，暂不考虑沿岸输沙作用更为合理[2-3]。

1.2 主要指标——向岸─离岸输沙净输沙量

岸滩的稳定性取决于岸滩受侵蚀的程度，而能定量描述岸滩受侵蚀的指标主要为：

(1)岸线(或水边线)向岸方向后退的速率；

(2)岸滩剖面上向-离岸输沙量的相对大小和分布特点[4]。

(1)

可导得波浪作用t时后，通过x点的净输沙总量为

(2)

这样，只要掌握任一时刻剖面地形，与初始剖面相比较，即可计算出某时段内岸滩剖面上任一点处泥沙净输运量的大小和方向。剖面上净输沙量分布规律与岸滩冲淤类型有内在的联系，特别是最大净输运量Qm的位置是研究岸滩输沙运动和冲淤规律的一个重要特征量。

1.3 沙质岸滩剖面类型

依据实验室观测资料，并对比了前人所进行的工作，仍以岸线(水边线)的冲淤变化和近岸带泥沙输运特点为主要指标，将岸滩分为以下几类[5]：

侵蚀型或用字母表示： Ⅰ型

过渡型 Ⅱ-1型及Ⅱ-2型

淤积型 Ⅲ-1型及Ⅲ型

为方便起见，现将这几种类型剖面定义及特点绘于表1。关于侵蚀型和淤积型，定义较清楚；但过渡型输沙情况较复杂，下面对此种剖面输沙特点作简要介绍。

(1)过渡型海滩剖面与相应动力条件处于相对比较协调的状态，这时净输沙量较小，Qm数也较小。

(2)过渡型岸滩的岸线也处于相对稳定状态，表现为对动力条件的变化甚为敏感，岸线时淤时冲，时进时退，但净输沙量却很少。

(3)当泥沙颗粒较细时，一般多呈Ⅱ-1；泥沙颗粒较粗时多为Ⅱ-2型岸滩形态。

表1 各类岸滩剖面特点Tab.1 Characteristics of various types of beach profile

1.4 沙质岸滩剖面类型的判数

本文采用Hattori & Kawamata判数[6]，此判数既可用于现场也可用于实验室资料，即

1.5 拟选沙源区岸滩剖面类型及对应特征波要素

拟选曹妃甸沙源区范围内自西向东岸滩坡度从1/225减缓为1/500(图1)，说明它们的岸滩剖面形态有较大差别；这反映了沙源区复杂的动力机制和泥沙运动特征。即同样的波浪条件在东侧可能淤积而在西侧发生侵蚀(参看文献[2]中表5)。为了研究拟选沙源区对岸滩稳定性的影响，需在整体模型中研究波浪作用下的向离岸二维泥沙运动问题，为此须进行必要的概化处理，即选择代表性较好的岸滩剖面作为拟选沙源区的“特征剖面”，并设法确定对应的特征波要素。

在文献[2]中，我们业已通过验证试验证明，本波浪泥沙动床模型可以较好地符合岸滩特征剖面理论。

1.6 评价取沙方案对岸滩稳定性影响的基本原则

我们将未取沙条件下波浪泥沙试验作为取沙工程实施前的比照对象；然后进行同样波况条件下不同取沙工程方案实施后的波浪动床泥沙试验，分析比较取沙方案实施后对岸滩冲淤造成的影响，设法从定性上判断对岸滩稳定性的影响；因为对复杂的波浪泥沙问题而言，正确的定性理解比定量掌握更为重要。

通过对试验资料的整理和综合分析，初步考虑，评价取沙方案对附近岸滩稳定性影响的指标以及是否可取的原则有以下几种：

A 不要因实施取沙而改变岸滩剖面冲淤类型，特别是不要将“淤积型”或“过渡型”岸滩因取沙而转换成“侵蚀型”岸滩，这是本文遵循的基本原则；

B 最大侵蚀的位置应尽量远离岸线(围堤轴线)，以免影响近岸围堤的稳定性；

C 发生最大侵蚀的位置也应尽量远离“取沙坑”，以避免发生岸坡崩塌现象；

D 取沙引起的岸滩侵蚀幅度，与未取沙相比，平均冲刷深度和冲刷范围均不得有明显的增加。

2 波浪动床泥沙试验成果分析

表2 动床试验组次和条件[7]Tab.2 Movable bed test cases and condition[7]

2.1试验方案、组次

物理模型中波浪泥沙动床试验组次和条件如表2。其中边界条件“围海”表示石化工业区围海工程建成，“现状”即围海工程未建；如未加说明取沙深度均为5 m；而“优化方案”系在基本方案试验结果的基础上提出的方案。图1为沙源区水深观测断面位置图。

图1 拟选沙源区地形观测断面位置示意图Fig.1 Sketch of the topographic observation sections of selected sand source area

2.2 未取沙时沙源区岸滩冲淤特点

首先进行了未取沙时、各种波况条件下拟选沙源区岸滩剖面冲淤特点试验。

由试验结果，可归纳出不同波况条件下岸滩剖面冲淤变化几个特点：

(1)西端的1#断面，岸坡较陡，各种波浪条件下均呈“侵蚀型”剖面特征。

(2)而位于取沙区中间的3#断面，岸滩坡度较缓，在小浪条件下基本为淤积型，在中浪条件下呈微淤型；在大浪条件下，为弱侵蚀型。

(3)中、小浪情况下，近岸1 200 m范围内岸滩冲淤幅度最大；大浪在深水区即发生破碎(类似于崩破波)，破波带范围较大，波能沿程耗散，加上作用时间短，导致床面冲淤范围大但冲淤幅度反而小于中、小浪。

以上分析表明，进行4#、8#拟选沙源区取沙方案试验和分析时，以中浪为主、辅以大浪较合理；进行2#沙源区方案试验时，以中浪为主，辅以大浪和小浪较合理。

(4)石化工业区等围海建堤后，原岸滩剖面上“淤积区”范围将向海方向扩移。

(5)石化工业区等围海建堤后，原岸滩剖面上“侵蚀区”范围同样向海方向移动，而且侵蚀强度有所下降。

(6)未围海条件下大浪的能量可以在较宽阔的滩涂逐渐沿程耗散；在围海后，波能只能在大堤前近岸区耗散。其结果是围海建堤后，近岸区岸滩的侵蚀范围和强度均大于围海建堤前。

即在目前曹妃甸特定岸滩地形条件下、在大浪动力环境下，石化工业区围海建堤，对稳定附近岸滩是不利的。

以上分析表明，为了偏于安全，在分析中小浪试验资料时，宜采用未围海建堤边界条件的成果；在分析大浪试验资料时，宜采用围海建堤边界条件。

2.3 取沙方案实施后试验结果

模型中分别进行了“大浪(Ho=4.3 m)”、“中浪(Ho=2.2 m)”，有、无围堤等各种取沙方案的动床波浪泥沙试验。表3、表4分别为中浪和大浪条件下各沙源区取沙方案实施后各断面平均冲刷深度增大值，边界条件均为有石化工业区围海建堤。

根据前面提出的评价取沙方案对附近岸滩稳定性影响的指标以及是否可行的原则，对已进行的波浪泥沙动床试验成果综合分析后，得到以下结论：

(1)在8#沙源区取沙影响最小，但取沙西边界应适当东移(建议现西边界东移1 km或更远，亦即离甸头距离不得小于7 km)。

(2)在4#和8#沙源区取沙后，岸滩侵蚀强度与未取沙情况相比，有增大趋势；基于曹妃甸岸滩稳定性的重要性，建议4#沙源区的岸侧边缘需适当向海方向调整。

(3)在2#沙源区取沙，将使大部分岸滩由“淤积型”剖面特征转变成“侵蚀型”剖面特征，同时会导致近岸1 200 m范围内岸滩加大侵蚀强度，直接影响到曹妃甸近岸岸坡的稳定性。为此，不宜在2#沙源区取沙。

据此可知，取沙方案的优化重点是4#拟选沙源区。

表3 “中浪”条件下取沙后各断面 平均冲刷深度增值Tab.3 The increases of the average erosion depth of each section under "medium wave" m/a

表4 “大浪”条件下取沙后各断面 平均冲刷深度增值Tab.4 The increases of the average erosion depth of each section under "big wave" m/a

注：增值=取沙后冲刷值-未取沙条件下冲刷值，下同。

表5 优化方案组次和试验条件Tab.5 The optimization test cases and conditions

2.4 取沙优化方案试验[7]

基于曹妃甸岸滩稳定性的重要性，4#沙源区的岸侧边缘需适当向海方向调整。取沙区优化试验的目的即设法确定4#沙源区合适的岸侧边缘位置。共进行了5组优化试验。

取沙优化方案沙源区基本位于-7.5 m以下深水区，小浪一般不起作用，为便于进行方案比选，模型中主要进行了“中浪”及“围海”条件下的试验，部分方案进行了“大浪”试验(表5)。

表6为“中浪”和“围海”条件下，各工况的拟选沙源区4个地形观测断面向、离岸输沙量变化情况，表中图上虚线表示未取沙现状条件下试验结果，实线表示各取沙方案实施后试验结果。表7为各优化方案条件下各断面岸滩年平均冲刷深度增大值。由表6和表7可以总结如下：

① 1#断面为侵蚀型剖面，取沙后剖面冲淤类型不变；8#沙源区取沙、优化方案1、2、4条件下离岸输沙量有较明显的增大，优化方案3和5离岸输沙量基本不变。

② 2#断面属过渡型剖面类型，取沙后剖面类型不变；优化方案1、4条件下离岸输沙量有较明显的增大，其它方案变化不明显。

③ 3#断面和4#断面属淤积型剖面类型，取沙后剖面类型不变，除优化方案3和4向岸输沙量有所减小，其它方案变化不大。

表6 各种工况条件下，拟选沙源区4个断面向—离岸输沙量变化图Tab.6 Variation of on-offshore sediment transport discharge in the sections of selected taking sand area in each test case

如前所述，我们希望取沙方案实施后，岸滩发生冲刷的区域尽量远离围堤，以免影响围堤的稳定性。表8为各优化取沙方案条件下，滩面冲刷区离规划围堤轴线的距离。

表7 各优化方案条件下各断面岸滩平均冲刷深度增值Tab.7 The increases of average scour depth in each section of the optimized test case m/a

表8 各优化方案条件下各断面取沙冲刷区离岸距离Tab.8 Offshore distance of the sand erosion area in each section of each optimized case m

对优化取沙方案的综合评价：

根据以上分析和岸滩冲淤图，可以对各优化取沙方案对各观测断面冲淤影响作出评价，综合评价结果见表9。对评价结果可总结出以下几点：

① 1#断面附近地形冲淤对取沙较为敏感，即使在8#沙源区取沙深度2 m的情况下，岸滩冲刷强度仍出现一定量值的增大，因此，建议拟选沙源区西侧边界离甸头距离不得小于7 km(或拟选沙源区西边界以东1 km以外)。

② 在各种边界和波况条件下，优化方案1(-7.5 m等深线以下取沙)对2#断面附近岸滩冲淤均有一定影响，因此取沙区岸侧边缘宜取在-7.5 m等深线以下，从试验结果看优化方案5较好。

③ 从优化方案3和4试验结果看，如取沙区东端岸侧边缘位于-5 m附近，不论取沙深度2 m还是5 m，3#、4#断面岸滩均发生一定程度冲刷；综合考虑各方案对岸滩影响后认为， 3#断面取沙区岸侧边缘可以取在-10 m等深线与优化方案2之间； 4#断面取沙区岸侧边缘可以取在-7.5 m等深线附近。综上所述，优化取沙方案5稍优于其它优化方案。

表9 各工况条件下，对各取沙优化方案的综合评价Tab.9 A comprehensive evaluation on each sand-taking optimization schemes

3 波浪动床泥沙试验小结

(1)评价取沙方案是否可行的原则和技术路线。

通过对大量试验资料综合分析，充分考虑本研究课题的目的和意义，反复斟酌后确定评价取沙方案对附近岸滩稳定性影响的指标和是否可行的原则(见前面1.6节内容)。这些原则在以往的研究中均未系统研究，它们对今后取沙问题研究具有探索性意义。

(2)取沙方案试验成果分析主要结论。

取沙西边界距曹妃甸甸头以东距离不得小于7 km。

不宜在-7.5 m等深线以上浅滩取沙。

(3)小结。

在近岸区取沙是个相当敏感的课题，它不仅涉及岸滩稳定性问题，还涉及生态、环境影响等问题。迄今国内外对此课题研究、特别是应用物理模型试验的研究成果甚少[11-12]。本试验研究带有探索性意义，研究方法和所得结论尚需得到更多资料的印证。