第5期 董丽红,等:海滩养护理论与试验研究进展 2海滩养护的相关物理和数值实验研究 沙坝海滩能给出良好的结果。 Swain等21对这 个模型加以改进,使之能适用于有潮汐水位变 2.1物理模型实验研究进展 化的情况。 Dally等[提出一个将水体分成两层 国外研究机构在海滩演变尤其是剖面演变的模型,可以模拟海滩冲淤变化及沙坝形成, 方面展开的实验研究很多。鉴于实验室小型设但输沙计算时并没有考虑推移质且剖面经长时 备在实际海滩剖面变化试验所得到的数据资料 段模拟不能达到平衡。基于 Bagnold0的输沙概 受尺度限制;对于海滩剖面变化的有效实测资念, Ballard假定瞬时输沙率正比于床面区域 料不易获得,所以大型波浪水槽提供近乎原型单位水体的能量耗散率,得到了计算时均沿岸 试验环境,解决了小尺度波浪水槽实验的不足。 和横向输沙率公式。 Stivel3应用并改进了 国外研究机构从1955年起就针对不同波浪 Bailard输沙模型,得到了 UNIBEST一TC 和水位条件下水下剖面和沙丘的发展变形、泥模型。 沙的运移开展了试验研究。研究在不同的波浪 此外,Nain3也从计算推移质边界层速度 条件与水位的组合下海滩的剖面形态、坡度及 及悬移质的上层速度算法上发展了 Bailard模 其稳定性之间的关系,以评估在不同岸滩坡度 型。 Kriebel等[3假定海滩剖面总是朝着Brun 下滩肩补沙设计指标,以及在不同波浪条件下 等平衡剖面方向发展,得到了与能量耗散率有 滩肩补沙的响应。1956-1957年,大型波浪水关输沙模型。 Delft hydraulic提出了有、无 槽( (large wave tank,简称LWT)实验开始于护面层情况下横向输沙公式。DHI泂开发了基 美国工程师兵团(CERC),后来日本中央电力于内波周期的悬移质和推移质输沙模型,可以 工业中心( CRIEPI)和德国 Hanove大学考虑护面、泥沙喂养条件下剖面的演变,但波 (UH)也相继进行了试验,其成果已由 Kajima 高沿断面的分布是经验性计算法。 Larson等 建立了求解养护海滩在风暴作用下的数学模型 等、 Kraus等t、 Larson等及Dete等[2 得到了风暴作用下养护海滩演变的定性和定量 整理发表。这些试验系统地测试了剖面变化与 特征。 Marie- Helene基于时间和深度平均的 始坡度及粒径大小等之间的关系。Dte等总维NS方程,开发了波流作用下准三维岸滩演 结了大型波浪水槽海滩剖面实验在中的应用。 变模型。 Srinivas等基于物理原理提出了 个相对完整的剖面输沙模型。 Rakha0建立 国内学者近年来也开展了不同规模的实验 了内部波浪( Intra-wave)泥沙输运模型,通过 研究,冯卫兵、李冰(3、杨燕雄和邹志利求解泥沙守恒方程来预测岸滩剖面的变化。Lar 等均各自独立开展了二维沙质海滩形态试验 son等[基于 Madsen的推移质输沙模型开发了 研究,通过系列试验分析对于不同泥沙粒径 冲流带内剖面演变模型,但是与破碎带模型的 不同重现期波浪及来波方向影响下人工沙滩平 衡剖面的形态特征。这些实验都是在分析海滩 耦合结果还有待提高, Mulet4基于 Martinez 和 Harbaugh的 SEDSIM模型开发了用于模拟 演变规律、优化人工海滩设计方面的有益尝试 风暴潮的泥沙水动力模型。 Yin Lu young建 但总体上看,我国在海滩养护方面进行的系统 立了沙质岸滩上孤立波破碎模型 性、有针对性的研究还比较少,应提倡合理开 展养滩工程的科学实验精神,从物理及数值试 我国海滩剖面研究,主要采用定性分析或 统计方法[-,而在地形和水动力之间耦合机 验两方面入手,加强对于养滩工程预测能力 制方面的数值研究相对较少。沈剑平、李国 提高工程的科学性和可靠性 谦[3分别建立的沙质海滩剖面演变的数学模 2.2数值模拟研究进展 型,为我国学者在此领域的有益尝试。 国外该方面的研究较多, Swart将计算横 由此可见,国内外学者开发的岸滩剖面演 向输沙率的概化方法加以完善,建立了一个模变模型很多, Seymour、 Broker、 Schooners和 型,该模型将海滩剖面分为3个水平层,对无 Van rijn49-3等分别从输沙率计算方法、边界第５期 董丽红，等：海滩养护理论与试验研究进展 ４７ ２ 海滩养护的相关物理和数值实验研究 ２１ 物理模型实验研究进展 国外研究机构在海滩演变尤其是剖面演变 方面展开的实验研究很多。鉴于实验室小型设 备在实际海滩剖面变化试验所得到的数据资料， 受尺度限制；对于海滩剖面变化的有效实测资 料不易获得，所以大型波浪水槽提供近乎原型 试验环境，解决了小尺度波浪水槽实验的不足。 国外研究机构从１９５５年起就针对不同波浪 和水位条件下水下剖面和沙丘的发展变形、泥 沙的运移开展了试验研究。研究在不同的波浪 条件与水位的组合下海滩的剖面形态、坡度及 其稳定性之间的关系，以评估在不同岸滩坡度 下滩肩补沙设计指标，以及在不同波浪条件下 滩肩补沙的响应。１９５６—１９５７ 年，大型波浪水 槽 （ｌａｒｇｅｗａｖｅｔａｎｋ，简称 ＬＷＴ）实验开始于 美国工程师兵团 （ＣＥＲＣ），后来日本中央电力 工业 中 心 （ＣＲＩＥＰＩ） 和 德 国 Ｈａｎｏｖｅ 大 学 （ＵＨ）也相继进行了试验，其成果已由 Ｋａｊｉｍａ 等［２０］、Ｋｒａｕｓ等［２１］、Ｌａｒｓｏｎ等［１９］及 Ｄｅｔｔｅ等［２２］ 整理发表。这些试验系统地测试了剖面变化与 理想化的广域入射波高及波长、水位、海滩初 始坡度及粒径大小等之间的关系。Ｄｅｔｔｅ等［２３］总 结了大型波浪水槽海滩剖面实验在中的应用。 国内学者近年来也开展了不同规模的实验 研究， 冯 卫 兵、 李 冰［２４－２５］、 杨 燕 雄 和 邹 志 利 等［２６］均各自独立开展了二维沙质海滩形态试验 研究，通过 系 列 试 验 分 析 对 于 不 同 泥 沙 粒 径、 不同重现期波浪及来波方向影响下人工沙滩平 衡剖面的形态特征。这些实验都是在分析海滩 演变规律、优化人工海滩设计方面的有益尝试。 但总体上看，我国在海滩养护方面进行的系统 性、有针对性的研究还比较少，应提倡合理开 展养滩工程的科学实验精神，从物理及数值试 验两方面 入 手，加 强 对 于 养 滩 工 程 预 测 能 力， 提高工程的科学性和可靠性。 ２２ 数值模拟研究进展 国外该方面的研究较多，Ｓｗａｒｔ［２７］将计算横 向输沙率的概化方法加以完善，建立了一个模 型，该模型将海滩剖面分为 ３ 个水平层，对无 沙坝海滩能给出良好的结果。Ｓｗａｉｎ等［２８］对这 个模型加以改进，使之能适用于有潮汐水位变 化的情况。Ｄａｌｌｙ等［２９］提出一个将水体分成两层 的模型，可 以 模 拟 海 滩 冲 淤 变 化 及 沙 坝 形 成， 但输沙计算时并没有考虑推移质且剖面经长时 段模拟不能达到平衡。基于Ｂａｇｎｏｌｄ［３０］的输沙概 念，Ｂａｉｌａｒｄ［３１］假定瞬时输沙率正比于床面区域 单位水体的能量耗散率，得到了计算时均沿岸 和横 向 输 沙 率 公 式。Ｓｔｉｖｅ［３２］ 应 用 并 改 进 了 Ｂａｉｌａｒｄ 输 沙 模 型， 得 到 了 ＵＮＩＢＥＳＴ － ＴＣ 模型。 此外，Ｎａｉｒｎ［３３］也从计算推移质边界层速度 及悬移 质 的 上 层 速 度 算 法 上 发 展 了 Ｂａｉｌａｒｄ 模 型。Ｋｒｉｅｂｅｌ等［３４］假定海滩剖面总是朝着 Ｂｒｕｕｎ 等平衡剖面方向发展，得到了与能量耗散率有 关输沙模型。ＤｅｌｆｔＨｙｄｒａｕｌｉｃｓ［３５］提出了有、无 护面层情况下横向输沙公式。ＤＨＩ［３６］开发了基 于内波周期的悬移质和推移质输沙模型，可以 考虑护面、泥沙喂养条件下剖面的演变，但波 高沿断面的分布是经验性计算法。Ｌａｒｓｏｎ等［３７］ 建立了求解养护海滩在风暴作用下的数学模型 得到了风暴作用下养护海滩演变的定性和定量 特征。ＭａｒｉｅＨｅｌｅｎｅ基于时间和深度平均的二 维 Ｎ－Ｓ方程，开发了波流作用下准三维岸滩演 变模型［３８］。Ｓｒｉｎｉｖａｓ等［３９］基于物理原理提出了 一个相对完整的剖面输沙模型。Ｒａｋｈａ［４０］建立 了内部波浪 （ｉｎｔｒａｗａｖｅ）泥沙输运模型，通过 求解泥沙守恒方程来预测岸滩剖面的变化。Ｌａｒ ｓｏｎ等［４１］基于 Ｍａｄｓｅｎ的推移质输沙模型开发了 冲流带内剖面演变模型，但是与破碎带模型的 耦合 结 果 还 有 待 提 高，Ｍｅｕｌｅ［４２］基 于 Ｍａｒｔｉｎｅｚ 和 Ｈａｒｂａｕｇｈ 的 ＳＥＤＳＩＭ 模型开发了用于模拟 风暴潮的泥沙水动力模型。ＹｉｎＬｕＹｏｕｎｇ［４３］建 立了沙质岸滩上孤立波破碎模型。 我国海滩剖面研究，主要采用定性分析或 统计方法［４４－４６］，而在地形和水动力之间耦合机 制方面 的 数 值 研 究 相 对 较 少。 沈 剑 平、 李 国 谦［４７－４８］分别建立的沙质海滩剖面演变的数学模 型，为我国学者在此领域的有益尝试。 由此可见，国内外学者开发的岸滩剖面演 变模 型 很 多，Ｓｅｙｍｏｕｒ、Ｂｒｏｋｅｒ、Ｓｃｈｏｏｎｅｅｓ和 ＶａｎＲｉｊｎ［４９－５２］等分别从输沙率计算方法、边界