海啸是一种极具破坏力的海浪,不仅会引起岸滩的侵蚀和淤积变化[1-3],而且在建筑物周围产生剧烈的淘刷[4-6],严重影响其稳定性[7-9]。海堤作为一种常见的海岸防护建筑物,能有效抵挡海啸灾害,因此如何减小海啸引起的海堤局部冲刷问题已成为海岸工程的研究热点。

近年来,国内外学者针对近岸海堤局部冲刷问题开展了大量的研究工作。陈杰等[10-11]对海啸波作用下直立堤、潜堤局部冲刷规律进行了研究;Sumer等[12]对防波堤、潜堤周围的冲刷过程进行了归纳总结,得出了冲刷深度计算经验公式;高学平等[13-14]探讨了堤前滩地的冲淤形态和冲刷机理;庞启秀等[15]研究了潜堤高度对局部冲刷的影响。这些研究主要分析了波浪与海堤的相互作用。王俊等[16-22]研究发现植物的消浪缓流特性会改变波浪的破碎和爬高,对岸滩冲淤变化产生较大影响。而现阶段综合考虑植被因素影响下海堤局部冲淤问题的研究较为少见,目前蒋昌波等[23]已开展了植物对孤立波作用下直立堤局部冲刷的试验研究,发现植物带对海堤局部冲刷形态的影响较大,但尚未对冲淤面积和冲淤平衡点的变化进行深入探讨和分析。

为弥补现有研究不足,本文拟在已有的研究基础上,开展植被区海啸波作用下海堤附近床面冲淤变化试验,探讨植物因素对冲淤面积、最大冲淤高度以及冲淤平衡点的影响。

图1试验布置(单位:m)

图2植物分布方案

1试验方案

试验在长沙理工大学水利实验中心波浪水槽内进行,水槽长40 m、宽0.5 m、高0.8 m,配有造波系统,两侧为透明玻璃,且两端设有良好的消波设施。试验布置如图1所示,沿水槽长度方向为x轴,宽度方向为y轴,高度方向为z轴,坐标原点位于斜坡起点。参考蒋昌波等[23]试验,将海岸地形简化为1∶10和1∶20的组合斜坡,并在水深0.35 m处变坡。参考众多海啸泥沙试验[1,4,5,17],模型用沙不考虑比尺效应,斜坡采用粒径d为0.293 mm的细颗粒均匀沙,以保证波浪作用下泥沙的起动符合实际情况中泥沙起动的条件。

现场观测表明,海啸波的首波与孤立波非常接近,因此目前学术界多采用孤立波来近似模拟海啸波。为了更好地研究各因素对孤立波作用下海堤局部冲刷的影响,引入孤立波波长因素,理论上讲,孤立波波长为无限长,但由于孤立波的波面曲线显示,在离波峰x=±∞处,曲线均无限地接近于静水表面,且输送的水体中,绝大部分都集中在波峰附近,因此定义孤立波波长其中H为孤立波入射波高,h为水深,k为相对系数。考虑海堤尺寸与植物尺寸的差别以及造波机的性能,难以统一比尺。本文旨在对植物对海啸波作用下海堤局部冲刷的影响作机理性探究,因此将试验模型进行概化处理,海堤与波浪要素的比尺采用1∶100,植物模型比尺选取1∶20。海堤模型由混凝土制成,x轴方向长10 cm,y轴方向宽50 cm,z轴方向的海堤出水高度δ随着试验工况的不同而改变,选用0.10 m、0.05 m、0 m 3种海堤出水高度，从斜坡坡脚处起位于x=3.0 m处。刚性植物模型采用直径为1.0 cm的PVC圆管,高度hv=45 cm以保证均处于非淹没的状态,植物模型放置在x=2.0～2.5 m处。根据植物的常见种植分布方式,选取了3种分布方案(图2),其中间距l=2.5 cm。根据实际情况,结合本试验模型比尺以及实际底板尺寸,植物模型为矩形布置形式。试验采用下式计算植物带密度φ:

式中:Vs为植物分布区域的体积;V为整个区域的体积;n为植物根数;Si为单株植物横截面面积;S为所有植物分布的区域面积。

试验工况如表1所示,选用4种不同的孤立波入射波高H,3种不同的植物带密度φ和植物带长度B，5种不同的植物模型，其中模型M1、M2、M3按照图2中方案1分布，模型M4按照方案3分布，模型M5按照方案2分布。考虑到海啸波一般是多次侵袭,因此试验进行多个波逐个作用,当一个波作用过后,15～20 min后待水面平静再进行下一个波浪作用。通过前期预备试验发现,作用15个波后冲刷基本达到平衡状态,因此每组试验开始前测量初始地形,并在冲刷15个波之后测量最终地形。试验开始前对造波机的可靠性和重复性、地形变化的重复性、仪器的可靠性进行了验证。确定各仪器性能良好后,进入正式试验阶段。

表1试验工况组次植物模型B/mφδ/mH /...

2试验结果与分析

2.1植物对海堤附近冲淤变化的影响

图3有、无植物情况下在海啸波作用下海堤局部冲淤的变化

图3给出了有植物(模型M2)与无植物情况下,海堤附近岸滩冲淤形态变化的对比,其中δ=0.10 m,H=0.15 m。由图3可以发现,植物的存在使得堤后相对最大冲刷深度显著减小,堤前岸滩剖面冲刷面积大幅增大,冲刷位置由原堤脚处前移至植物带所在位置,表明植物的消浪作用对海堤的防护效果较明显。同时原始地形冲淤量不明显平衡是由于波浪上爬后回落水流将堤后泥沙挟带至堤前落淤所致。