PEM透水管养滩护沙效果试验研究

2020-11-25杨会利刘海成谭忠华

中国港湾建设 2020年11期

杨会利，刘海成，谭忠华

（交通运输部天津水运工程科学研究院，天津 300456）

沙滩往往是滨海旅游资源开发的基础设施和首要条件，不具备沙质海岸的地区，也经常通过建设人工沙滩等手段营造相应的休闲旅游氛围，受到了沿海各地区的高度重视。但由于世纪性的海平面上升以及陆续大规模的填海造地和围垦养殖等人类活动对海岸环境影响的加剧，我国海岸沙滩的受侵蚀范围日益扩大，海滨沙滩资源正在逐年萎缩，海滩变窄变陡、沙粒粗化、岸线快速蚀退等问题日益严重，形成了严重的海岸侵蚀灾害。科学合理地保护海滨沙滩，对滨海旅游产业有着举足轻重的现实意义。

1 现有海岸防护工程建筑物类型与效果分析

现有的海岸防护建筑物可分为“硬结构”和“软结构”两种[1]，“硬结构”相对较为传统且应用广泛[2]，如海堤可使陆地免遭风暴潮、大风浪等的破坏，但海堤对堤外海滩的侵蚀没有任何防护措施；丁坝防止沿岸输沙引起的泥沙流失和岸滩冲刷，但仅能对岸滩局部冲刷起作用；离岸堤能有效阻拦外海来浪，但对于单向沿岸输沙较强的海岸不太适用。人工岬湾主要适用于沿岸输沙率较小的砂质海岸，是一种介于“硬工程”和“软工程”之间的防护措施，岬头可以起到消浪和改变波浪入射方向的作用，但岬头附近将成为新的防护重点区。“软结构”中人工补沙具有不破坏海滩景观且可有效改善海岸景观和休闲娱乐价值的优点[3]，但人工补沙不易找到合适的沙源，且后期需长期进行维护；人工盐沼植被适用于弱侵蚀性和稳定性及淤长型的淤泥质海岸，可减小波浪和潮流对岸滩和海堤的作用，但在强烈侵蚀的岸段难以实现，且引进外来物种可能冲击海岸原有的生态系统并带来一系列的危害，如：互花米草在2003年初就被列为外来入侵种名单[4]。综上所述，目前存在的现有海岸防护工程措施各有自身特点[5]，但无论是“硬结构”还是“软结构”均存在成本较高，后期维护工程量较大等缺陷。

2 养滩护沙新技术工作原理及结构介绍

PEM透水管沙滩养护新技术的原则是遵循自然界客观规律[6]，充分利用海岸动力环境和已有沙滩资源，通过改变沙粒间水压力，增加颗粒间摩擦力，有效减缓波浪对沙滩的冲刷，加快泥沙沉降，从而起到促淤养滩的作用，是一种绿色、低碳的养滩护沙方法。PEM透水管系统是以矩形形式沿海岸线放置的竖直过滤器。涨潮时海水携带泥沙涌向沙滩，此时的沙滩湿润而不饱和，大量的海水通过PEM透水管快速流入沙滩内部，海水携带的泥沙沉积在PEM透水管周围，由于PEM透水管的存在，涨潮时沉积在沙滩上的沙料要多于落潮时海水带走的沙料，从而使沙滩慢慢淤积，达到沙滩修复的目的。

PEM透水管包括管体和管帽两部分，管体四周设有透水不透沙的水平缝，管体上端设有管帽，管帽中间留有透气孔，透气孔用防沙多孔材料封堵。透水管管体和管帽材质均为PVC。透水管沙滩养滩方法是将透水管（平行或交错）间隔布置在波浪破碎带至波浪最高爬高线之间，PEM透水管布置图见图1。

图1 PEM透水管布置图Fig.1 Layout of PEM permeable pipe

3 模型试验研究

3.1 模型设计

模型试验研究在交通运输部天津水运工程科学研究院临港试验基地进行，水槽长45 m，宽0.5 m，高1.1 m，水槽配有吸收式造波机，末端布置消波装置，防止二次反射[7]。

试验中主要研究波浪作用为泥沙主导动力条件下的试验研究，本物理模型试验研究需要满足波浪运动相似和波浪作用下泥沙运动相似等要求，模型试验设计遵照相关规程规定[8-9]，采用正态模型，模型比尺为1∶40。在模型中采用的海砂中值粒径为D50=239.1μm，筛分结果见图2。

图2 海砂筛分结果Fig.2 Sea sand screening results

模型试验中PEM透水管采用φ50的PVC管制作，底部用PVC板封住，PEM透水管长400 mm（模型值，下同），水平缝单宽1 mm，间距4 mm，总长200 mm。模型试验中PEM透水管结构设计细部图见图3。根据试验场地及规范要求，本模型中取坡度为1∶18.6，坡面坡度为3.08°，沙滩滩面距离造波机20 m，具体尺寸见图4。

图3 模型试验中PEM透水管设计图（mm）Fig.3 Design drawing of PEM permeable pipein model test(mm)

图4 试验模型布置图（m）Fig.4 Layout of test model(m)

3.2 模型试验条件

根据我国海域波高分布[10]，本次研究波高值考虑常态波高和风暴潮波高，波高值选取范围为1.5～4.0 m（原型值），试验采用规则波，具体试验波浪要素见表1所示。

表1 试验波浪要素Table 1 Test wave elements

3.3 试验结果与分析

本次试验研究采用对比方法得出透水管的养滩效果，首先在初始剖面条件下模拟不同波浪条件下的坡面稳定，待初始剖面达到基本平衡后，安装透水管继续观察在相同波浪条件下的滩面变化，并进行对比分析。

本次试验研究过程中，在波浪累积作用下观察沙滩剖面变化，直至剖面达到基本平衡为止。模型试验结果统计中，横轴坐标水平距离零点位于坡脚处，垂直高度零点位于水槽底部。如图4所示。

3.3.1 PEM透水管养滩效果分析

通过海滩稳定性试验得出波浪的整个传播过程为：达到海滩后的波浪在海床底摩阻的作用下，波高逐渐减小；随着水深的进一步减小，波浪的浅水效应逐渐加强，波高增大；波高增大一定程度后达到对应水深的极限波高，出现破碎；破碎后波高衰减，波浪顺着沙滩向上爬升。在整个波浪的传播过程中，泥沙运动主要集中在波浪破碎带内，在波高较大时，泥沙会迅速发生离岸运动，岸滩发生严重冲刷侵蚀[11]，水下会形成不同高度的沙坝。

从图5可以看出，随着波高的增大，向岸运动的泥沙淤积量逐渐减小，而离岸运动的泥沙淤积量逐渐增加，离岸沙坝高度、范围在增大，其位置向海移动；向岸沙坝高度、范围在减小，其位置向岸移动；侵蚀沙槽深度、范围也逐渐增大，其位置向岸移动。在整个波浪的传播过程中，泥沙运动主要集中在波浪破碎带内。

图5 方案前各波浪条件下平衡剖面图Fig.5 Balanced profile under variouswaveconditions before thescheme

待初始剖面平衡后，将4根透水管用沙均匀固定在潮间带，模型试验中安装透水管过程中保持初始平衡剖面不被破坏。试验中透水管间距d与波长L比值分别取0.08，0.11，0.15和0.21[11]。在相同的试验条件下对滩面继续进行波浪试验，待滩面基本不再变化判断为平衡。

从图 6（a）～（d）中可以看出随着波高的增大，岸滩滩肩最大淤积高度、岸滩滩肩最大淤积位置并非单一的增加或减小，方案后波高对滩肩最大淤积高度及滩肩最大淤积位置的影响更为明显；岸滩最大冲刷深度均随着波高呈非等比例的增加，方案后波高对冲刷深度的影响更为明显；岸滩最大冲刷深度离岸距离沿波高没有太明显的规律，由于在波高变大后，水面以下沙坝个数增多，数据中仅统计了最大冲刷深度的离岸距离，因此最大冲刷位置可能出现向岸或向海移动，随波高的变化规律不太明显。

图6 波高对最大淤积及最大冲刷的影响Fig.6 Wave height influence on maximum sedimentation and erosion

在不同波高条件下初始和方案后平衡剖面变化见图 7（a）～（d）所示，图 7（e）为波高 2.0 m 波浪作用时试验照片。方案后平衡剖面与初始平衡剖面相比，在不同波高条件作用下滩肩淤积均有向岸移动，整体滩面均有所加宽；在原型波高1.5 m、2.0 m和3.0 m时，滩肩最大高度有所增高，原型波高4.0 m时略有减小；最大冲刷深度均有不同程度的增大，由于下游供沙不足，滩面的加宽导致水面以下冲刷有所加剧；最大冲刷位置在原型波高1.5 m、2.0 m和4.0 m时向岸移动，在波高3.0 m时最大冲刷位置向海移动。

综合考虑在原型波高1.5 m、2.0 m和3.0 m时PEM透水管养滩效果较为明显，在原型波高4.0 m时养滩护沙效果较差。

图7 PEM透水管安装后剖面试验结果Fig.7 Profiletest resultsof PEM permeable pipe after installation

由试验结果分析可以看出，通过布置PEM透水管，在一定的波高条件下可以通过改变沙滩的渗透性，减缓海水后退速度，加快泥沙沉积速度，达到沙滩修复的目的。

3.3.2 PEM透水管间距的影响

试验中透水管间距d与波长L的比值分别取0.08、0.11、0.15和0.21，d/L对滩肩最大淤积高度及位置的影响如图8所示，可以看出滩肩最大淤积高度并非随着d/L的增加呈现单一的增加或减小，滩肩最大淤积位置也不是随着d/L的增加呈现单一的增加或减小，因此合理的透水管间距可以提高透水管养滩护沙效果。