掩埋式护沙管新型养滩护沙技术试验研究

2021-11-21杨会利刘海成陈汉宝谭忠华

水道港口 2021年4期

杨会利，刘海成，陈汉宝，谭忠华

(交通运输部天津水运工程科学研究所港口水工建筑技术国家工程实验室工程泥沙交通行业重点实验室，天津 300456)

全球沙质海岸分布很广，约占全球岸线总长度的13%[1]，海岸带是海域陆交汇的界限，当波浪冲击海岸时，会造成岸滩的侵蚀与后退，沙质海岸尤为严重。全球70%以上的沙质海岸遭到侵蚀[2]。我国大部分岸线属于沙质海岸，海岸侵蚀十分严重，侵蚀速率多在1 m/a以上[3]。现有的养滩护沙技术主要是在海岸建设堤坝等“硬”工程手段或通过向海滩大量抛沙来解决海岸的侵蚀问题。传统的养滩护沙技术从一定技术程度上解决了沙滩侵蚀问题，但也存在明显的不足[4]：一方面“硬”工程在海岸环境中受到软泥基础承载力不足以及堤前冲刷的因素影响，导致工程建设的成本极高且施工工艺复杂，向沙滩大量抛沙也存在极大的资金投入，而且后期根据侵蚀情况需要定期进行人工补沙，维护成本高；另一方面突出水面的堤坝工程会破坏沙滩的自然美感和亲水环境，降低了海滨地区的旅游资源价值。

1 掩埋式护沙管工作原理及结构介绍

饱和海滩比不饱和海滩更易受侵蚀[5]，掩埋式护沙管养滩护沙方法是将护沙管掩埋至滩面以下，涨潮时海水携带着泥沙涌向沙滩，通过地下掩埋的护沙管增大海滩的渗透性，增加海水下渗速度，海水携带的泥沙随着海水下渗慢慢淤积在滩面上，与降低侵蚀相比，增大海滩渗透性可降低含沙水体回流速度，使其所含沙体停留在滩面上[6]，达到养滩护沙的效果，其工作原理如图1所示。

图1 掩埋式护沙管工作原理Fig.1 Working principle of buried sand protection pipe

掩埋式护沙管为土工布包裹的多孔形式，管体的横截面可以为正方形、圆形或长方形，管体材质为塑料、PVC或合成树脂材料高温喷丝形成的细丝，相互缠绕在一起形成的多孔柱体。掩埋式护沙管结构示意图如图2所示。掩埋式护沙管沙滩养滩方法是将护沙管掩埋在滩面以下，垂直或平行于海岸线方向亦或田字格型式布置于沿波浪破碎带至波浪最高爬高线的方向间隔设置[7]。

2-a 掩埋式护沙管平面示意图2-b 掩埋式护沙管侧视图2-c 掩埋式护沙管截面图图2 掩埋式护沙管示意图Fig.2 Schematic diagram of buried sand protection pipe

2 模型试验研究

2.1 模型设计

2D模型试验研究在波浪水槽中进行，水槽长45 m、宽0.5 m、净深1.1 m，水槽一端配有可吸收式造波设备，造波机后方及水槽另外一端均布置消浪装置，防止波浪在水槽形成二次反射。

试验研究中主要考虑了掩埋式护沙管在以波浪为泥沙动力主导条件下的护沙效果，遵照试验规程相关规定，模型试验需满足泥沙运动相似和波浪运动相似，根据试验场地及试验条件，模型采用正态模型，确定模型比尺λ=40。模型采用海砂D50=0.239 mm。

试验中掩埋式护沙管由合成树脂材料高温喷丝形成的细丝相互缠绕在一起形成多孔的柱体，断面为长方形，截面尺寸为0.3 m×0.5 m，长度1.0 m，外侧包裹土工布。模型试验中护沙管如图 3所示。模型中沙滩坡度取为1:18.6，坡度为3.08°，滩面坡底起始点距离造波机为20 m，具体尺寸详见图 4。

图3 模型试验中掩埋式护沙管示意图Fig.3 Schematic diagram of buried sand protection pipe in model test

图4 试验模型布置及水平垂直距离示意图(单位：m)Fig.4 Layout of test model and diagram of horizontal and vertical direction

2.2 模型试验条件

根据我国海域波高分布特点[8-10]，渤海大部分海域波高值小于1.2 m，黄海有效波高为1.2～1.6 m，东海有效波高一般在1.5～2.4 m，南海海浪分布比较复杂，有效波高为2.0～2.8 m。选取我国海域常见波高及风暴潮时波高值，本模型中选取1.5～4.0 m(原型值，下同)为代表波高，相对应周期根据《港口与航道水文规范》(JTS 145-2015)表6.4.2选取，模型中波浪采用规则波，具体波浪条件如表1所示。

表1 试验波浪条件Tab.1 Test wave elements

2.3 试验结果与分析

2.3.1 试验方法

试验采用对比的方法进行分析研究，在无护沙管方案前先进行岸滩在不同波浪条件下的坡面稳定，待滩面稳定后，再安装掩埋式护沙管继续观察方案后滩面在相同的波浪条件的变化，然后进行对比分析，得出结论。

在试验研究中，波浪作用时间采取逐步累积，剖面中沙坝或者沙纹大小稳定，位置基本保持不变，泥沙基本不存在从一个坡度输运到另一坡度的现象，认为剖面达到平衡。模型中水平距离坐标零点位于坡脚处，垂直距离零点位于水槽底部，详见图 4。

2.3.2 掩埋式护沙管养滩护沙效果分析

方案前波浪在岸滩的传播过程为：由于底摩阻的影响，波浪到达海滩后波高逐渐减小，但随着水深进一步的减小，波高开始增大，增大到一定程度后达到极限波高，波浪破碎，破碎后的波浪顺着沙滩继续向上爬升。在波浪整个传播过程中，泥沙运动主要集中在破碎带内，破碎带内水体剧烈紊动，将滩沙裹挟在水体内，滩沙随着破碎波水体向上爬升，一部分留在爬升的过程中，一部分滩沙随回流的水体回到破碎带附近。停留在爬升阶段的滩沙逐渐形成滩肩，形成淤积体；而破碎带附近的泥沙由于没有足够的沙源，出现冲刷。在风暴潮波高条件时，由于波能较大，泥沙会迅速发生离岸运动，岸滩会发生严重侵蚀，水下也会形成不同高度的沙坝。

图5-a～5-d给出了不同波高条件下不同试验模型时间后沙滩剖面变化情况，从图中可以看出，随着波高的增大，滩面达到平衡所需时间越长，离岸泥沙淤积也逐渐增大，向岸泥沙淤积量逐渐减小；离岸沙坝个数增加，高度、范围也在增大，位置向海移动；相应的向岸沙坝高度、范围在减小，位置向岸移动。

5-a H=1.5 m，T=5.0 s5-b H=2.0 m，T=6.0 s

5-c H=3.0 m，T=7.5 s5-d H=4.0 m，T=9.0 s图5 无护沙管方案前不同波浪条件不同时间沙滩剖面变化Fig.5 The beach profile under various wave conditions without buried pipe

在无护沙管各波浪条件下滩面稳定后，将护沙管用沙埋置在潮间带，模型试验中护沙管长度为1 m，护沙管埋深50 mm。在相同的波浪条件下对滩面继续进行试验，待滩面基本不再变化判断为稳定。

在不同波浪条件下，方案后与方案前最终平衡剖面变化如表2及图6所示。从表2及图6可以看出：岸滩滩肩最大淤积高度、岸滩滩肩最大淤积位置、岸滩最大冲刷深度均随波高的增大而非单一的增大或减小。从图6-a可以看出方案后滩肩最大淤积高度都有所增高，尤其在波高2.0 m时，滩肩最大高度增大最为明显。从图中可以看出波高对护沙管的养滩护沙作用影响较为明显，且方案后岸滩滩肩最大淤积位置均向岸有一定程度的移动，说明安装护沙管后岸滩宽度均有一定程度的增宽；从图 6-b可以看出，在波能量较大时水下会形成很多不同高度的沙坝，虽然冲刷程度增大，但最大冲刷深度可能会随着波高的增大而减小；岸滩最大冲刷深度离岸距离随波高增大没有太明显的规律，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，因此规律性不太明显。

6-a 不同波浪条件时滩面最大淤积高度及最大淤积位置变化6-b 不同波浪条件时滩面最大冲刷深度及离岸距离变化图6 方案前、后不同波浪条件时滩面最大淤积及最大冲刷变化Fig.6 Wave conditions influence on the maximum sedimentation and erosion

表2 方案前与方案后滩面变化结果Tab.2 Results of beach change before and after the scheme

在不同波浪条件下方案前、后剖面变化如图7-a～7-b所示，从图中可以看出在不同波浪条件下，安装掩埋式护沙管后滩肩最大淤积高度在四种波浪条件下均有不同程度的增高，滩肩最大淤积位置均有向岸移动，但由于下游供沙不足，滩肩的增高及加宽造成下游冲刷有所加剧。在波高1.5 m和2.0 m波浪条件下滩面有所加高加宽，养滩护沙效果较好，在波高3.0 m及4.0 m波浪作用时虽滩肩高度有所增大，位置有向岸移动，整体滩面宽度也有所增加，但总体冲刷面积有所增大，因此综合考虑在波高3.0 m和4.0 m波浪条件作用下掩埋式护沙管养滩护沙效果较差。通过埋管前后试验结果对比可以看出，掩埋式护沙管增大海滩的渗透性，加快泥沙沉积速度，达到养滩护沙的效果。