规则波作用下刚性植被海岸准静态平衡剖面试验.docx

1、ExperimentofquasistaticequilibriumproiileofrigidvegetationcoastunderregularwaveactionJIANGCherfhuF,CAOHaijin2,FENGWebing，FENGXi1(1.CollegeofHarbor,CoastalandOffshoreEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098,China:2.CollegeofOceanography,HohaiUniversity,Nanjing210098,China)Abstract：Coastalvegetationh

2、asreceivedwidespreadattentionasanewwayofemergingecologicalrevetment.Aimingattheeffectofhydrodynamicfactorsonthecoastevolution,westudytheinfluenceofwaveandwaterdepthonthequasistaticequilibriumprofileofvegetationcoast.Bymeansofphysicalmodelexperiment,weobtaintheinfluencelawsofdifferentwaveheightsanddi

3、fferentperiodicregularwavesontheequilibriumprofilesofvegetationcoastbyqualitativeandquantitativeanalysis,andgetthepowerfunctionrelationshipbetweenthewavesteepnessandthedimensionlesssizeofthecoastandthevariationtrendofdimensionlessindexunderdifferentwaterdepthconditions.Theresultsshowthattheeffectofw

4、aveheightontheequilibriumprofileisobvious,andtheinfluenceofwaveperiodandwaterdepthisrelativelyweak.Wavesteepnessfitswellwiththedimensionlesssizeofshorebeach,andthefittingresultofrelativedepositionscaleisbetterthanerosionsize,andtheresultofwaveletsteepregionisbetterthanthatoflargewavesteepnessregion.

5、Keywords：regularwave;vegetationcoast;equilibriumprofile;dimensionlessnumber近年来海滩定位观测显示 B 全球70%的砂质海防护工程迫在眉睫月红树林等刚性植被海岸作为生岸均处于不同程度的蚀退状态N我国平直砂岸海滩蚀退率达1m/a左右11产”的海二侵蚀电将了沿海炮区经济的w实锁经济有效的湘岸一基金项目：国家自然科学基金青年科学基金项目（51709092）加江苏省自然科学基金青年基金项目（BK20170865）作者简介：江晨辉（1993一前男角硕士研究生由研究方向为河口海岸水动力学N二基金项目：国家自然科学基金青年科学基金项目

6、（51709092）加江苏省自然科学基金青年基金项目（BK20170865）作者简介：江晨辉（1993一前男角硕士研究生由研究方向为河口海岸水动力学N2019年4月第4期总第554期水运工程Port&WaterwayEngineeringApr2019 规则波作用下刚性植被海岸准静态平衡剖面试验*江导辉1打曹海锦2目冯卫兵1用冯曦1（1河海大学港口海岸与近海工程学院江苏南京2100982河海大学海洋学院。江苏南京210098）摘要：海岸植被作为新兴的生态护岸方式受到广泛关注中针对水动力要素对岸滩演变的作用祥进行波浪及水深条件对植被岸滩准静态平衡剖面的影响规律研究M采用物理模型试验的方法

7、府通过定性和定量分析府得出不同波高、 不同周期规则波对植被岸滩平衡剖面的影响规律R以及波陡与岸滩无量纲尺寸的赧函数关系式和不同水深条件下各无量纲指标的变化趋势冲结果显示砰波高对平衡剖面的影响规律较明显祥波周期及水深的影响规律性相对较弱仲波陡与岸滩无量纲尺寸相关性良好府相对淤积尺寸的拟合结果优于冲刷尺度R小波陡区域拟合结果优于大波陡区域关键词：规则波加植被海岸川平衡剖面0无量纲数中图分类号：P753U652文献标志码：A文章编号:10024972(2019)04000708态防护工程的典型 B 其岸滩平衡剖面问题亟待深入海岸平衡剖面概念起源于意大利学者Cornaglia2)CEM和EurOtop

8、均为国际工程中常用的标准规范K针对不同形式的斜坡式海堤提出了较为详细的计算公式*计算方法综合考虑了坡面糙率、肩台、水深变浅及波浪入射怕度等影响因子i并对各影响因子进行了论述R具有较强的实用性#3)由于斜坡式海堤形式多样)不同标准计算出的波浪爬高值离散性较大f因此应当根据坡面形状和水文条件。 合理选择最适合的计算方法8实际工程还应当采用物理模型试验进行验证月参考文献：1俞聿修，柳淑学.随机波浪及其工程应用M.大连大连理工大学出版社，1992.2U.S.ArmyCorpsofEngineers.EM111021100EngineeringandDesignCOASTALENGINEERINGMAN

9、UALPartVIS.WashingtonDCU.S.GovernmentPrintingOffice,2011.3PULLENT,ALLSOPNWH,BRUCET.etal.WaveovertoppingofseadefencesandrelatedstructuresAssessmentManualM.HamburgBoyensMedienGmbH,2007.4中交第一航务工程勘察设计院有限公司.港口与航道水文规范JTS1452015S.北京人民交通出版社,2015.5薛鸿超，过达，潘少华，等.斜坡上的波浪爬落幅度J.海洋工程,1991,9(1)39一46.6DeWAALJP,vander

10、MEERJW.WaverunupandovertoppingoncoastalstructuresC/Proc.23rdInt.Conf.onCoastalEngng.NewarkASCE,199217581771.7杨克勤， 路卫卫.国内外斜坡式海堤平均越浪量计算方法的对比分析J.水运工程,2014(6)17_20.8HUGHESSA,BORGMANLE.BetaayleighdistributionforshallowwaterwaveheightsC/ProceedingsofConferenceSponsoredbyWWDiv.NewarkASCE,1987.本文编辑武亚庆3DEANR

11、G.EquilibrimbeachprofilecharacteristicsandapplicationJ.Journalofcoastalresearch,1991,1(7)5384.4BODGEKR.RepresentingequilibriumbeachprofileswithanexponentialexpressionJ.Journalofcoastalresearch,1992,8(1)47飞5.5LEEZF.ThesubmarineequilibriumprofileaphysicalmodelJ.Journalofcoastalresearch,1994,10(1)117.6

12、INMANDL,ELWANYMHS,JENKINSSA.ShoreriseandbarbermprofilesonoceanbeachesJ.Journalofgeophysicalresearchoceans,1993,98(10)1818118199.7LARSONM,KRAUSNC.WISERA.EquilibriumbeachprofilesunderbreakingandnonbreakingwavesJ.Coastalengineering,1999,36(1)5985.coastcasestudyfromSandKey,WestCentralFloridaJ.Journalofc

13、oastalresearch,1998,14(3)981991.9冯卫兵，李冰，王铮，等.二维沙质海滩剖血形态试验研究J.海洋通报,2008(5)110_115.10苟大荀.海岸沙坝的产生及海岸剖面恢复的研究D.大连大连理工大学，2013.11蒋昌波，伍志元，陈杰.等.波浪动力因素变化对沙质岸滩演变的影响J.海洋学报(中文版)，2015,37(3)106113.12蒋昌波，管吉吉，陈杰，等.红树林对规则波作用下岸滩剖面变化影响实验研究J.热带海洋学报，2017,36(1)95105.13曹海锦，冯卫兵.人工柔性植被场中波浪衰减特性研究J.海洋工程,2014,32(3)36/4.8 WANGP,

14、DAVISRA.Abeachprofilemodelforabarred(本文编辑王璃)于1898年在研究地中海沿岸泥沙的横向运动时it提出的中立点假说N随后以Bruun、Dean、Bodge、Lee为代表的大量学者结合实测资料提出了公式化的海岸平衡剖面模型穴J近年来iInman、Larson.Wang等学者根据破波带内存在沙坝的自然现象*将海岸平衡剖面分为多段进行研究R求得了平衡剖面分段计算公式会1冯卫兵、苟大旬、蒋昌波、曹海锦等通过物理模型试验的方法寸探讨了植被带对波浪水动力以及对岸滩剖面演变的影响规律i取得了良好效果9*I然而R现有的平衡剖面模型中并未考虑植被带的作用*植被海岸的平衡剖面

15、理论有待进一少研究H因此#本文基于波浪水槽试验R研究规则波作用下刚性植被海岸准静态平衡剖面形态$旨在寻求平衡剖面的形成规律以及波陡与岸滩无量纲衡量尺寸之间的关系K为海岸生态防护工程提供科学依据N1理论基础通过前人试验及理论成果分析,影响岸滩准静态平衡剖面的因素繁杂r目前试验结果多采用定性分析的方法,在定量分析时彳需对各个要素进行无量纲化i以便探求各项指标与波陡HIL这一波浪特征要素之间的函数关系N本文采用文献12的无量纲化方法进行分析N具体公式如下二%上：-(p-tp.=o(D折2H2HHL$d式中：A。 为冲刷坑面积Ad为淤积沙坝面积idemax为最大冲刷深度Dd血”为最大淤积高度DH为波高

16、】L为波Kjp为植被覆盖率j甲为植被排列系数少tana为岸滩坡度DSd为泥沙有效密度与重力加速度的乘积K结合前述学者对于刚性植被海岸的研究彳本文采取以下公式计算植被覆盖率二式中：V.为模型植被带体积DV为整个分布区域体积jn为植物在分布区域内的总根数S，为单个植被模型的横截面积S为整个分布区域总面积月2物理模型试验21试验设备与布置本试验在河海大学海工实验室波浪水槽中进行i波浪水槽长80m、宽1m、高12m；试验中H为尽量减少人工沙堤反射波以及水槽宽度对试验结果的影响H将水槽试验段分隔为等间距的两部分i取外侧05m宽度水槽作为有效试验段铺设地形进行试验J另一侧用以扩散二次反射的波能月水槽一端配

17、有液压式造波机巾由计算机控制造波彳另一端铺设消波栅R以减少水槽尾部反射对试验的影响试验布置如图1所示H以斜坡起点为原点、 波浪传播方向为x轴正方向*竖直向上为z轴正方向彳建立立面二维坐标系统N试验采用DJ800型波高采集系统测量沿程波高值8图1中G1G6为波高仪编号J采用武汉大学开发的URMIU型高精度河床模型地形测量仪进行地形剖面测量H该仪器利用超声波准确测量水下地形地形测量水深为055m(测量精度达1mm-垂直误差小于03mm:图1试验布置（单位:cm)22试验方法及步骤试验采用概化模型*在波浪水槽中铺设坡度为110的单一砂质斜坡概化岸滩彳采用刚性小木杆模拟刚性植物杆木杆半径为05cm：平

18、均每100cm2分布12根木杆寸木杆间距见图2#为了对比分析不同波浪要素（波高、周期、水深）对岸滩准静态平衡剖面的影响K试验采用规则波作为入射波I采用中值粒径034mm-密度为265g/cm3的天然砂i不均匀系数Cu1713（曲率系数*为0995：砂的粒径范围较窄；图2植被覆盖率计算（单位：mm）试验采用控制变量法植被覆盖率943%/m2（参数变量包括03、045、06m3种水位i005、010、015m3种波高i10、13、16、20s4种周期冲根据红树林允许一定时间段内海水淹没的生长特性A将植被带前缘设置于平均水位（045m）处；通过预备试验和理论总结。 将前后两次波浪序列作用后*海岸剖面

19、垂直于岸线位移变化小于3mmP冲刷坑深度、沙坝淤积高度、滩肩高度变化均小于2mm的剖面视为岸滩准静态平衡剖面JI预备试验发现波浪作用1h后岸滩剖面趋于平衡#且在水槽垂直方向上基本无变化R展现出良好的二维特性*达到准静态平衡要求#因此彳每组试验均在波浪连续作用1h后进行地形剖面测量月正式试验中:以015m的水深变化模拟潮差变化；以03m水位条件下的岸滩平衡剖面为初始地形剖面随后缓慢加水至045m的试验水深H开始试验S断面测量选取水槽1/3、1/2、2/3宽度的3个断面进行地形测量*取3组数据的平均值作为最终床面地形剖面形态数据#光滩剖面试验组次完成后。加入植被模型斤重复上述步骤彳得出含植被岸滩的

20、准静态平衡剖面形态3试验结果与分析探求波要素对植被岸滩准静态平衡剖面的影响规律时 选取水深h=045m的平均水位工况进行分析 分析波高的影响时N同时列出4组周期条件下的岸滩准静态平衡剖面形态：分析波周期的影响时，同时列出3种波高条件下的岸滩准静态平衡剖面形态*以便探讨变化规律的整体性31试验结果试验结果处理中A将岸滩剖面冲刷坑尺寸、位置H淤积沙坝的尺寸、位置以及滩肩高度的变化情况f作为定性分析波高及周期对岸滩准静态平衡剖面的影响程度的主要依据3I1波高改变对植被岸滩平衡剖面的影响不同波高规则波作用下A植被岸滩准静态平衡剖面形态见图3.彳4种波周期下V不同波高规则波作用后的植被岸滩均形成了明显的

21、槽-坝地形H波高H=005m时；植被岸滩侵蚀淤积现象不明显，滩肩高程较大j波高H=010m时i植被海岸侵蚀淤积程度明显增强K滩肩高程略有减小0当波高H=015m时i植被海岸的侵蚀淤积程度最大I）滩肩明显降低1在周期较小的情况下滩肩消失R在原滩肩位置出现冲刷坑N水平位置/m波frl) )/=0.05m波高/=0.10m波高=0.15m植被带IIIIIIIHII0.81.0水平相对位性a)P=1s0080604020020406080I-0080604020020406080I-波高-0.05m波m波A/-0.15m植被带mimm1.01.21

22、.41.6水平相对位置b) )r=1.33s水平位置/m- 与窸卖E E=002377X1-1“、Hn3）式（5）、（6）中i嘉函数的指数均大于-n相对冲刷深度domax/Hs相对淤积高度ddmax/H均随着波陡HIL的增大而减小i其拟合曲线如图8所示总体上，相对冲刷深度demax/H的实测值较为分散i当波陡大于004时i实测值偏离拟合曲线较大相对淤积高度dmax/H实测值则相对均匀地分布于拟合曲线两侧H两条曲线在小波陡区域拟合结果相对较好&实测值均匀分布于拟合曲线两侧j随着波陡的增大K实测值偏大于拟合值月化所引起N本质上则是随着水深改变H各项水动力指标变化下共同作用的结果1其具体演变

23、规律不明显X深化研究相对困难#本文以3种水深为主要区分依据R在x轴分区域列出3种不同波高并以不同点型区分4种不同周期K依次列出试验中各实测点以探讨试验水深对岸滩演变的影响规律H试验中*因h=03m水深条件下无法生成H=015m的波浪i故在试验中， 加测1组波高H=010m的工况i结果如图9所示#.O.O8O8O. .64o.O.64o.O./?2=0.59=O.OI496xOW500.050.100.15波高/ma）相对冲刷深度 I*周期： 1.33a厢期: 1.66调期;。2、周期;万-0.60m区域J00.050.10

24、0.150.050.100.15波高/mb）相对淤积高度图9各水深区域内相对冲刷深度、相对淤积高度的变化图8波陡与相对冲刷深度、相对淤积高度的拟合曲线323水深要素与植被岸滩无量纲尺寸的关系水深改变对植被岸滩的演变的影响R从表面上看N是由静水面与植被岸滩地形相对位置的变由图9可知i除T二2s、H=005m的波浪外8植被岸滩相对冲刷深度demax/H、 相对淤积高度ddmax/H均介于0由此可见R长周期、短波高的波浪 B 其相对波高的冲刷深度、淤积高度较大N总体上#冲刷深度指标的分布点更为密集彳而淤积指标则相对分散月o!oIs/njwjI!1.33s周期:+1.66s周期:。28周期:力=0.4

25、5m区域人=0.60mK域0.010.020.030.040.050.060.070.080.090.100.11波陡/Aa）相对冲刷深度波陡h）相对淤积高度2.01.21.00.2方=0.45m区域中通过比较不同的水深区域的各实测点发现二水深变化与相对冲刷深度demax/H和相对淤积高度ddmax/H总体呈A形走势1水深由030m增长至045m-各波浪要素条件下无量纲尺寸呈上升趋势i而当水深由045m增长至060m时由于植被带的存在相对冲刷深度、淤积高度总体呈下降趋势#各水深区域内相对冲刷面积、 相对淤积面积的变化如图10所示N相对冲刷面积指标的实测点分布

26、较为集中i除T=2s、 波高H=005m的波浪外iAc/H2岫介于。 项相5Ad/H2实测点则相对分散S但长周期、短波高的波浪相对淤积面积较大#由此可见 B 长周期、短波高的波浪f其相对波高的冲刷、淤积尺寸较大#.,周期,；5o:o竖喂曹1.66$周期:。2调期:Lh0.30mlX域hQ45m区域hO60mlK域j51000.050.100.15波高/ma）相对冲刷而积!Ols周期：1.33s/fijVfl!oI1.66期!。2调期:A=0.45m区域J,4=0.60mK域*T1000.050.100.15波高/mb）相对淤积面积总体上it周期相同时3种波高对应的Ae/H2值呈V形分布N相对淤积面积Ad/H单调减