中国沿海砂质海滩分布较广泛，其沉积物组成大多以沙、砾、粗砾等粗颗粒为主^[1]。由于自然因素和人为活动的影响，砂质岸滩泥沙侵蚀问题严重^[2]，为减缓砂质岸滩侵蚀和改善沙滩质量，常使用填沙护滩的方法进行砂质岸滩防护^[3-7]。由于海岸的波浪动力作用，海滩泥沙在外动力地质过程中将发生分选^[8-15]，人工护滩的泥沙会在海滩剖面上进行重新分布^{[16, 17]}，因此，泥沙粒径和补沙位置等问题对人工护滩成功有重要影响^[18]。自然海滩泥沙具有颗粒级配，海滩状态不仅是泥沙粒径大小、前滩坡度以及水动力条件之间相互作用的结果^[19]，也受到颗粒级配的影响。

海滩泥沙在波浪等动力作用下变化规律，可以利用现场调查及取样分析，利用泥沙组成及颗粒级配等特征，给出泥沙在海滩剖面上时空分布规律^[20-24]。海滩泥沙的实地调查结果，表明在近岸往复水动力作用下中潮站位与近岸站位之间表层泥沙发生粗化，中潮站位与低潮站位之间泥沙颗粒细化^[25]，以及在沿岸流作用下不同海滩断面相同地貌部位的沉积物粒径呈现由西向东逐渐变细的规律^[26]。室内模拟试验也是研究海滩泥沙分布与波浪动力条件关系的有效手段。在规则波作用下，开展的沿岸和向岸-离岸的沙滩组成变化试验研究，发现床沙分选作用对海滩地貌形态有重要影响，得到了细沙要比粗沙分选好的结果^{[19, 27]}；在海滩受到规则波和椭圆余弦波作用下，水槽试验表明海滩剖面演变受波浪类型、波高、周期的影响，粗颗粒泥沙在水流紊动强的地方沉积，细颗粒在水流紊动弱的地区沉积^{[28, 29]}；考虑到粒径大小和级配对海滩剖面演变的影响，水槽试验表明规则波作用下粗沙滩形成沙坝型海滩，细沙滩和粗细混合沙滩更容易形成滩肩型海滩，粗颗粒泥沙常常出现在海滨线和沙坝之间^[30]。

考虑到自然海滩泥沙粒度变化与动力和粒径、级配有关，本文采用中细、粗中、粗细和全级配4种不同的级配沙滩铺设成试验海滩，每种沙滩选择5种不同波浪动力，进行波浪水槽试验，测量波浪作用前后海滩剖面形态和沙滩组成变化，探讨波浪动力作用下沙滩表层沉积物粒径、级配和分选变化，提供海滩在波浪外动力地质作用下的变化规律，从而为了解海滩侵蚀规律及防护措施制定提供参考。

1.   试验概况

1.1   试验装置

波浪水槽试验主要设备为造波水槽，水槽总长14m，宽0.5m，高0.7m，水槽两端有消浪设施，一端配有推板式造波系统。试验水槽中沿波浪传播方向设置了3个波高仪，记录波高变化。在模拟沙滩的试验段，用高60cm的薄钢板将水槽均匀的分割成A、B两面。为方便试验结果分析，建立了二维坐标系，以沙滩斜坡的坡脚为原点，波浪传播的方向为X轴方向，沿水槽竖直向上为Z轴(水槽尺寸、沙滩初始滩形、波高仪等布置位置见图 1和图 2)。

图  1  水槽试验装置图

Figure  1.  Experimental setup of the flume

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图  2  水槽试验装置平面图

Figure  2.  The plan view of the flume

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1.2   试验材料

试验用沙取自青岛周边沙滩。将沙晒干后，用0.125、0.25、0.5、2mm的标准筛，筛分出粗沙、中沙和细沙3种单一粒径组的试验沙。试验用4种级配沙滩按照表 1的粒组含量进行配制。

表  1  试验级配沙滩粒径组成

Table  1.  The particle size composition of the testing graded beach

级配沙名称	试验沙配比(按质量百分比计)
	细沙(0.125~0.25mm)	中沙(0.25~0.5mm)	粗沙(0.5~2mm)
中细级配沙/%	50	50	0
粗细级配沙/%	50	0	50
粗中级配沙/%	0	50	50
全级配沙/%	33.3	33.3	33.3

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1.3   试验波浪条件与分组

对中细、粗细、粗中、全级配等4种沙滩，采用不同的波浪条件开展了试验(表 2)。每次试验底床初始坡度均采用相同的1:7和1:15的组合坡(图 1)。

表  2  级配沙滩水槽试验波浪参数

Table  2.  Wave parameters for graded beach flume experiment

级配沙滩	试验水深/m	H=12.5cm				T=1.68s
		T/s	T/s	T/s		H/cm	H/cm
		1.0	1.4	1.8		6.7	13.2
中细级配沙滩	0.35	√	√	√		√	√
粗细级配沙滩	0.35	√	√	√		√	√
粗中级配沙滩	0.35	√	√	√		√	√
全级配沙滩	0.35	√	√	√		√	√

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不同级配沙滩、不同波浪条件下，试验程序一致。(1)筛分试验沙：将沙晒干后用标准筛筛分出粗、中、细3种不同粒径组的试验沙，并按表 1配置试验所用的级配沙；对每种级配沙滩进行多次随机取样，测得试验原始沙滩级配曲线(见图 3)；(2)铺设试验沙滩：将级配沙按设计坡度铺设沙滩，滩面经压实整平后，往水槽中缓慢加水至淹没斜坡，若沙滩剖面有所下降，则将水槽中水排出并重新补沙至与设计滩面一致；(3)测量初始地形：把水位调至地形仪工作水位，对初始地形进行测量；(4)仪器布置：将水槽水深调整到试验水深35cm，然后在水槽上固定波高仪；(5)施加波浪作用：按设计波浪条件造波，对沙滩进行波浪作用，直至沙滩剖面稳定，停止造波；(6)最终地形测量：将水槽水位调整至地形仪工作水位，测量波浪作用后的最终地形；(7)取样分析：将水槽中的水排干后，在沙滩剖面不同位置取表层泥沙样品，对样品烘干进行筛分试验；(8)试验换波浪条件：将整个沙滩进行搅拌，使沙滩泥沙恢复均匀混合状态，重新按设计铺设滩面，进行下一组波浪条件的试验。

图  3  试验沙滩级配曲线

Figure  3.  Grain-size distribution of the sand used in this experiment

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在正式试验前，进行了造波机及仪器设备的稳定性、可靠性及重复性验证的预实验，保证各波浪参数与设计一致。预实验获得滩面形态稳定时间在波浪作用15min左右，正式试验时选择波浪作用造波时间20min。

2.   试验结果与分析

波浪作用在沙滩会因水深变化而变形，使得沙滩剖面各位置处表层泥沙发生分选变化。因此, 试验沙滩剖面从水深较大位置至滩顶依次划分为图 4中10个区域。

图  4  沙坝型海滩剖面区域划分

(图中黑色曲线为斜坡滩面的高程线，线上圆点表示表层泥沙取样点位置，圆点颜色深浅代表表层泥沙粒径的大小；图中三角形表示取样点表层泥沙的相对中值粒径D′₅₀，即取样位置处泥沙中值粒径d₅₀与原始沙滩泥沙中值粒径d_50-0的比值，对于粗细级配沙滩，采用粗沙质量与总质量之比m_粗/m_总表示；图中红色虚线为表层泥沙中值粒径d₅₀与原始沙滩中值粒径d_50-0相等线，当表层泥沙D′₅₀位于虚线上方表示该处泥沙变粗，位于虚线下方表示表层泥沙变细)

Figure  4.  A cross section of a bar type profile

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2.1   波浪动力对滩面泥沙变化的影响

使用全级配泥沙试验结果，分析波浪动力对表层泥沙粒径、级配和分选变化的影响作用。

2.1.1   波高的影响

(1) 波高对滩面泥沙粒径变化影响

在波高13.2cm和6.7cm的波浪作用下，全级配沙滩表层泥沙变化见图 5。在13.2cm波高的波浪作用下，试验沙滩形成沙坝型沙滩，6.7cm的波高情况下形成滩肩型沙滩。沙坝型沙滩，滩顶和坝顶处表层泥沙细化，上爬区、槽底、坝脊和坝脚处表层泥沙发生粗化，坝下区部分泥沙发生粗化现象。滩肩型沙滩，沙滩剖面划分为6个区域(见图 5的下半幅图)，滩脚和滩顶泥沙变细，坡脚泥沙部分变细，其他区域表层泥沙发生粗化。

图  5  不同波高作用下全级配沙滩面泥沙粒径变化(T=1.68s)

Figure  5.  Variation of surface grain size of full grade sand bed under different wave height(T=1.68s)

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(2) 波高对滩面泥沙级配和分选的影响

利用指标不均匀系数Cu和曲率系数Cc表示泥沙颗粒组成的级配特征。通常Cu>5、Cc=1~3时，泥沙的级配最好^[31]。利用分选系数σ表示泥沙的分选程度，σ越大表示泥沙分选程度越差，σ越小则泥沙分选程度越好^[32]。以Cc、Cu为横轴和纵轴，用各分析样品的Cc、Cu值画点，表示各样品的级配情况。全级配沙滩在T=1.68s、H=13.2cm的波浪作用试验中，泥沙级配和分选情况见图 6a。

图  6  滩面泥沙级配和分选变化

Figure  6.  Variation in sediment gradation and sorting in beach surface

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全级配沙滩滩顶和坝顶表层泥沙颗粒较细，级配较原始沙滩变差，其他表层泥沙粗化区域，泥沙级配比原始沙滩级配变好。整体上表明，在此波浪动力作用下，全级配沙滩表层泥沙由分选很差变为分选很好。

全级配沙滩在T=1.68s、H=6.7cm的波浪作用下，滩面表层泥沙样品级配大都好于原始沙滩(图 6b)。滩顶和滩脚由于水动力作用最小，细颗粒在此沉积，颗粒较均匀，泥沙级配较原始沙滩差；表层泥沙粗化位置处，由于波浪破碎挟带泥沙在该位置处沉积，使表层泥沙粒组范围变广，泥沙级配较原始沙滩变好；其中上爬区由于受到波浪上冲流和回流的交替作用，表层泥沙粗细颗粒填充均匀，级配明显好于其他区域。整体上，在该波浪动力作用下，全级配沙滩表层泥沙分选程度均由原始沙滩的分选很差变为分选很好。

2.1.2   波周期的影响

(1) 波浪周期对滩面泥沙粒径变化的影响

从全级配沙滩在3种不同周期的波浪作用下沙滩剖面及其表层泥沙变化的试验结果来看(图 7)，均形成沙坝型剖面形态，但波浪的周期不同对滩面塑造结果略有差异。波浪周期越大，形成的水下沙坝越宽，后滩滩肩高度越大；随波浪周期的增大，水下沙坝离岸越远。波浪作用下全级配沙滩表层泥沙整体上表现出：坝脚和上爬区泥沙粗化，滩顶表层泥沙细化。

图  7  不同周期波浪作用下全级配沙滩表层泥沙变化

Figure  7.  Variation in surface grain size of full grade beach under different periodic wave

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周期为1.8s的波浪塑造的斜坡明显较前2种周期波浪塑造的斜坡坡度大，水下沙坝随波周期增大，宽度增大，位置更靠海。原因在于沙滩表层泥沙粒径分布与沙滩地形、局部湍流和波能的消耗程度有关^[30]。试验过程中，波浪在沙槽附近破碎产生强烈紊动，导致滩面大量泥沙起动，波浪挟带泥沙沿着滩面上爬，波能从破波点向岸逐渐减弱，挟沙能力逐渐减小，粗颗粒先沉积，导致滩面表层泥沙粒径由上爬区向岸逐渐变细。波浪沿坡面爬升后产生回流，相同波高的波浪，周期越大，上爬波浪和回流时间间隔越大，在较大的滩面宽度上不会发生碰撞，水体紊动较小，此情况下回流冲刷作用大。试验中波浪在沙槽附近形成卷破波，波浪破碎后挟带一部分泥沙在惯性和回流作用下向海输移，堆积成水下沙坝，粗颗粒泥沙随回流作用沿沙坝坡面向海滚动，在坝脚聚集。

(2) 波浪周期对滩面泥沙级配的影响

从不同周期波浪对全级配沙滩表层泥沙级配影响的试验结果来看(图 8a)，周期为1.0s和1.4s的波浪作用下部分滩面位置泥沙级配变化趋势相似，周期为1.8s的波浪作用的滩面泥沙级配明显要好于前两种波浪作用。经周期1.0s的波浪作用后，坝顶和滩顶表层泥沙颗粒级配明显比原始沙滩差，在其他位置，呈现泥沙级配在原始沙滩级配附近变动；周期1.4s的波浪作用后滩面大部分位置处表层泥沙颗粒级配变差；周期1.8s的波浪作用后滩面表层泥沙粒组范围变宽，泥沙级配好于原始沙滩。

图  8  全级配沙在不同波况作用下沙滩表层泥沙变化

Figure  8.  Variation of surface sediment in full graded sand bed under different wave conditions

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试验中，由于周期1.0s和1.4s的波浪作用于沙滩的动力接近，导致这两种波浪作用后滩面泥沙级配变化趋势整体上相似。周期1.8s的波浪作用下，沙滩底部流速较小，滩面泥沙颗粒起动较少，泥沙级配变化整体上相接近；此外，小流速波浪挟带的泥沙粒径较小，泥沙颗粒的沉积流速与回流流速之间的差值较小，粗颗粒泥沙发生迁移变化不明显，导致1.8s的波浪作用后滩面泥沙级配整体上要好于原始沙滩和其他两种较小周期波浪作用的沙滩。

(3) 波浪周期对滩面泥沙的分选

波浪的周期不同对沙滩表层泥沙的分选作用以分选系数来表征。全级配沙滩的试验结果(如图 8b)给出：周期1.0s和1.4s的波浪作用后沙滩分选整体变化趋势相似，较原始沙滩分选好，其中表层泥沙在坝顶和滩顶处分选最好；周期1.8s的波浪作用后滩面大部分位置表层沉积物分选比原始沙滩分选稍好，上爬区到滩顶泥沙分选较好。整体上表现出，波浪周期越大，滩面泥沙分选作用越不明显。

产生以上分选结果是由于在同波高情况下，滩面表层水质点流速随波周期的增大而减小，由破波点向海相同位置处表层沉积物分选程度随周期增大而变差；滩顶是由波浪挟带的细颗粒泥沙沉积形成的，所以3种周期波浪作用下滩顶的泥沙分选程度较接近。在波浪破碎前，由于周期为1.0s和1.4s的波浪作用于滩面动力较接近，因此在槽底向海的区域表层沉积物分选变化趋势相似。

2.2   原始级配对滩面泥沙变化的影响

试验设计了中细、粗中、粗细3种级配的沙滩，用于研究在波浪动力作用下泥沙级配对滩面泥沙变化的影响。

(1) 原始级配对滩面泥沙粒径变化的影响

对中细、粗中、粗细等3种级配沙滩，整理给出在周期1.8s、波高12.5cm的波浪作用后沙滩剖面变化试验结果和滩面表层泥沙粒径变化结果(图 9)。中细级配沙滩，水下沙坝坝脚表层泥沙粗化，沙坝和冲刷槽表层泥沙细化，波浪上爬区表层泥沙粗化，形成的滩肩较高，滩顶和滩脚表层沉积物细化。粗中级配沙滩，坝脚和坝脊处表层泥沙粗化，上爬区表层泥沙粗化，滩肩表层泥沙细化，沙坝其他位置处表层泥沙与原始沙滩接近。粗细级配沙滩，表层泥沙在坝下区与原始沙滩接近，沙坝坝脚处细化，坝顶、沙槽和滩肩处表层泥沙均发生粗化。

图  9  波浪作用下不同沙滩表层泥沙变化(T=1.8s，H=12.5cm)

Figure  9.  Variation in surface grain size of different beaches (T=1.8s, H=12.5cm)

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沙滩原始级配对滩面泥沙粒径变化影响较大。总体上，同种波浪动力作用下，中细、粗中级配沙滩的水下沙坝表层泥沙粒径迎波面要粗于背波面，细颗粒在滩肩堆积；粗细沙滩粗颗粒则主要聚集在滩顶与沙坝之间，细颗粒更多地出现在坝脚及以下区域。

中细、粗中沙滩为连续级配沙滩，在周期1.8s、波高12.5cm的波浪作用下，中细、粗中沙滩的水下沙坝、破波点等位置相近，形成的海滩地形也相似；因此相同波浪动力作用下海底回流对滩面作用较为相同。中细、粗中沙滩被波浪挟带泥沙中，一部分随波浪发生向岸输移，较细的颗粒在波能最小的地方堆积形成后滩滩肩；另一部分泥沙在波浪回流作用下，沿着沙滩表层发生向海的输移，其中大颗粒泥沙被水流搬运距离较短，使得沙坝的迎波面泥沙粒径较大，导致沙坝的迎波面泥沙颗粒粗于背波面。

粗细沙滩为不连续级配沙滩，沉积物粒径差异大，在上冲流和回落流交替作用的波浪上爬区，水体紊动剧烈，波浪挟带的粗颗粒泥沙在该区域易于沉积，造成该区表层泥沙粗化。沉积物中细颗粒会增加粗颗粒的相对暴露度，促使粗颗粒更容易起动^[33]，加剧滩面的侵蚀，形成较陡的斜坡；从给出的沙滩剖面形态来看(图 9)，3种不同级配沙滩在同样波浪动力作用下，上爬区形成的斜坡坡度大小变化依次是粗细>粗中>中细。

(2) 原始级配对滩面泥沙级配的影响

从3种级配沙滩在相同波浪动力作用后沙滩表层泥沙级配变化看(图 10a)：中细、粗中和粗细3种级配沙滩表层泥沙级配变化幅度依次变大，中细级配沙滩和粗中级配沙滩表层泥沙级配变化趋势上相似；粗细级配沙滩表层泥沙级配变化最为明显，其中局部位置表层泥沙位于级配良好区(如坝背和槽底)，级配最差的区域是坝脚，其次是槽坡。

图  10  波浪作用下不同沙滩表层泥沙变化(T=1.8s，H=12.5cm)

Figure  10.  Variation in surface sediment in different sand bed under wave action (T=1.8s, H=12.5cm)

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中细、粗中、粗细沙滩泥沙粒组范围依次增大，同种波浪动力作用下沙滩表层泥沙级配变化幅度也依次增大。中细和粗中沙滩的沉积物级配、海滩地形、海底回流相似，在周期1.8s、波高12.5cm的波浪作用下滩面表层泥沙级配变化趋势也相似。对于粗细沙滩，由于坝脚波浪动力作用弱，细颗粒泥沙易于沉积，导致该区域表层沉积物级配最差；波浪上爬区粗颗粒泥沙在回流作用下沿着滩面滚动在槽坡沉积，使得该处表层泥沙粒径最大，泥沙级配差；槽底和坝背受底部回流和破波水流紊动影响，导致该区域粗细颗粒混合均匀，泥沙级配最好。

(3) 原始级配对滩面泥沙分选的影响

相同波浪作用后不同级配沙滩表层泥沙样品分选结果(图 10b)表明：沙滩原始级配对中细沙滩表层泥沙分选影响很小，对粗中、粗细沙滩表层泥沙分选影响显著。波浪作用后的中细级配沙滩的表层泥沙分选程度与原始沙滩接近，属分选差的类型。相同波浪作用后粗中和粗细级配沙滩沙坝部位表层泥沙分选程度均好于原始沙滩，分选良好；粗细级配沙滩的槽坡和滩顶表层泥沙的分选与其他部位相比显著变差，尤其是在滩顶出现了表层泥沙分选比原始沙滩差的结果。

中细沙滩沉积物粒组范围小，大小颗粒之间粒径差异小，泥沙粒径小，周期1.8s、波高12.5cm的波浪几乎能够挟带滩面所有泥沙发生输移，因此中细沙滩表层泥沙整体上与原始沙滩分选相近。粗中、粗细沙滩沉积物粒组范围较大，不同粒径所需的沉降速度差异性大，波浪动力将滩面泥沙输送到各适宜的自沉降位置，对滩面泥沙进行了很好的分选作用，导致该种波浪动力作用下，粗中、粗细沙滩表层泥沙整体上分选很好；由于粗细沙滩沉积物级配不连续，粗细泥沙颗粒粒径差别大，再加之上爬区坡度陡，导致该区水动力条件不同于粗中沙滩，因此，造成其槽坡和滩顶表层泥沙分选结果与粗中沙滩不同。

3.   结语

以自然海滩沙为材料，配制了中细、粗中、粗细和全级配4种不同的级配沙滩，在初始滩形一致的情况下，开展波浪对沙滩塑造的水槽试验工作，研究不同波浪作用下不同级配泥沙沙滩滩面变化特征，给出沙滩表层沉积物粒径、级配和分选发生的变化。试验结果给出：

(1) 全级配沙滩在周期1.68s、波高13.2cm和6.7cm的波浪作用下分别形成沙坝型海滩和滩肩型海滩，滩面表层泥沙分选变好；

(2) 全级配沙滩在波高12.5cm、周期1.0s、1.4s和1.8s的波浪作用下形成沙坝型海滩，整体上周期1.0s和1.4s的波浪作用后滩面表层泥沙级配和分选变化趋势相似，破波点向海区域在3种波浪作用下表层泥沙分选随周期的增大而变差；

(3) 原始沙滩级配对滩面泥沙变化有重要影响，同种波浪作用后中细、粗中沙滩沙坝表层泥沙迎波面粗于背波面，粗细沙滩粗颗粒聚集在沙坝与滩顶之间，中细、粗中沙滩表层泥沙级配变化趋势相似，而粗中、粗细沙滩表层泥沙分选变化趋势相似。

波浪作用下级配泥沙沙滩滩面的变化，具有分区特征，各个分区内泥沙的变化特点，未表现出与波浪动力单因素或粒径大小的线性相关性。从中值粒径的变化看，受到波浪作用强烈的坝槽区的滩面泥沙，并未表现为各个试验条件均粗化的现象。以上说明泥沙级配应该存在重要作用的影响，同时也与具体波浪条件有关。后续将在此试验结果的基础上，深入探讨分区变化与波浪动力、级配泥沙结构间的相互作用，给出可描述的关系表达。同时，在沙滩变化的研究中，应考虑建立沙滩沉积物粒径大小、级配、沙滩坡度以及水动力条件之间相互耦合的关系表达。