海岸带是具有海陆过渡特点的环境体系^[1]。活跃的波浪动力会不断改变海滩的滩形和泥沙粒径分布，认识波浪作用对滩形塑造和泥沙粒径分配的作用规律，对于了解自然海滩演变过程与人工养滩等具有指导意义^[2]。

在岸滩演变中，海滩会形成与波浪动力相适应的平衡剖面。研究者给出了包括Dean模型^[3]、Bodge模型^[4]、Lee模型^[5]、Larson-Kraus模型^[6]等平衡剖面形态模型，用以描述海滩形态、泥沙粒径与波浪之间的关系。Holmes等开展的实验，给出了波浪作用下的沙滩床沙沉积物的分选规律特征^[7]。实验室的波浪水槽试验测量结果表明，沙质沙滩剖面形态时空演化特征受波浪类型、波高、周期等因素影响；沙滩床面沉积物在波浪作用下产生了明显的分选现象^[8-10]。对粒径混杂的级配沙沙滩试验表明，滩面泥沙变化受到波浪的波高和波周期以及沙滩泥沙原始级配的影响^[11-12]。相应地，滩形变化也受到波浪动力和级配沙的泥沙粒径影响，波周期较长时，影响水下沙坝高度的主要因素为泥沙粒径；波周期较短时，粒径的影响较小。

海滩泥沙粒度变化规律的野外调查给出了泥沙粒径沿海滩剖面变化规律。周连成、何宝林在对沙质海岸垂向沉积物粒度调查分析中发现：海滩沉积物垂向分布并不均匀，部分海滩垂向沉积物在一定厚度层内粒径差别小，但在此厚度层外，粒径差别较大^[13-14]。自然海滩在不同深度层粒径差别明显，即自然海滩垂向泥沙粒径分布存在分层现象。以上学者通过野外调查对海滩存在层状现象有一定认识，但是他们未开展室内模拟试验来探讨波浪作用下层状沙滩滩形塑形及粒径分配关系，未研究层状沙滩与纯粒径沙滩和全级配沙滩滩形演变和粒径分布的联系与区别。

本文运用波浪水槽试验，选择2种波浪动力(H=6.7 cm，T=1.68 s；H=12.5 cm，T=1 s)作用在上粗下细和上细下粗两种层状沙滩上，测量波浪作用前后沙滩剖面演变和沙床泥沙粒径分布变化。

1 试验概况 1.1 实验装置与仪器

实验在波浪水槽中进行，水槽的一端装有推板式造波机，可形成规则波，另一端铺设1:15和1:7的组合坡层状沙滩模型(见图 1a)。试验中使用了波高仪(误差小于1 mm)、体视显微镜等测量仪器。为了减少工作量和形成对照试验，水槽末端用高60 cm的薄钢板将水槽均匀的分割成A、B两面(见图 1b)。

1.2 实验材料与波况

试验沙取自青岛海滩，将其筛分为粗细两种单粒径组的试验沙，试验沙的级配曲线和粒径范围分布如图 2。试验选用两种波况，为了便于描述将H=12.5 cm、T=1 s称为大波；将H=6.7 cm、T=1.68 s称为小波，试验工况如表 1。层状沙床的表层沙与下层沙粒径不同，上粗下细沙床的组成为沙床表层3 cm是粗沙，表层以下部分全为细沙；上细下粗沙床表层3 cm是细沙，其余部分全是粗沙。

1.3 试验程序

在水槽A面铺设上粗下细沙床，在B面铺设上细下粗沙床，加水浸泡12 h。待沙滩和水面稳定后，进行造波。造波1 h滩面稳定，停止造波。实验过程中，用相机记录滩面动态变化。滩面稳定后，用马克笔在水槽边壁上描出沙滩地形，测量记录滩形坐标。然后将水槽中的水排干，根据剖面形态，取不同位置表层沙，厚度约0.5 cm，烘干样品，进行筛分实验。用PVC管在沙床不同位置，取相同深度的垂直样，将样品烘干后，用体视显微镜进行观察分析。另对柱状样每2 cm间隔分割，进行筛分实验。最后将沙滩扰动位置处泥沙铲出，按原沙床组成，重新铺上试验沙，准备下一组实验。

2 实验结果

为了便于描述沙滩剖面演变和各位置沉积物变化情况，将沙滩依次划分为坝下区、坝脚、坝脊、坝顶、坝背、槽底、槽坡、上爬区、滩脚、滩顶。沙滩起点处记为零点，至水槽后400 cm为整体沙滩长度(见图 3)。表层泥沙粒径占比用层状沙床的下层沙表示，即上粗下细沙床用细沙粒径占比表示，上细下粗沙床用粗沙粒径占比表示。试验中与之对照的三种沙床：粗沙沙床、细沙沙床、全级配沙床来自孙昶领和朱旺平试验研究^[11-12]。全级配沙床是粗、中、细沙各占三分之一均匀混合而成。

2.1 沙滩剖面变化

试验中对上粗下细沙床与粗沙沙床在两种波况下的滩形进行了比较(见图 4a)。波高H=6.7 cm作用下粗沙沙床出现沙坝，坝高7.4 cm，滩肩位置更靠岸。而上粗下细沙床未出现水下沙坝，滩肩位置更离岸。波高H=12.5 cm作用下粗沙和上粗下细两种类型沙床都出现水下沙坝，粗沙沙床沙坝位置更离岸，宽度较宽，而坝高较低。

试验还对比了两种波况下细沙沙床和上细下粗沙床滩形。细沙沙床滩脚起伏较大，而上细下粗沙床则没有明显起伏。波高H=6.7 cm作用下细沙沙床出现水下沙坝，上细下粗沙床未出现。波高H=12.5 cm作用下，细沙和上细下粗沙床都出现水下沙坝，细沙沙坝和滩肩位置更靠岸，沙坝高度较低而滩肩较高(见图 4b)。

试验中对两种层状沙床剖面进行了比较，见图 5。大波作用时容易形成沙坝型剖面，小波作用时易形成滩肩型剖面。波高H=6.7 cm，上粗下细沙床剖面起伏变化相对较小，上细下粗沙床在滩前出现规则沙纹；此波况下两种沙床的滩肩位置相近。波高H=12.5 cm作用下，B面沙床沙坝更离岸，更高更宽；滩肩也更离岸，而高度较低。

2.2 表层沙粒径分布

不均匀系数和曲率系数(Cu和Cc)是表征泥沙颗粒的组成特性参数，工程上认为当Cu>5、Cc=1~3时，沙土的级配最好，最容易压实^[15]。分选系数σ表示沉积物分选程度，σ越大，沉积物分选程度越差^[16]。本文以试验样品的Cc、Cu为X和Y轴绘图，可清楚的表示各样品的级配性能，以取样点所在区域和分选系数为X、Y轴绘图可以表示各样品的分选程度情况。

滩肩形剖面泥沙运移量较小，而沙坝形剖面泥沙运移更为剧烈，所以实验中选择沙坝形剖面进行分析。全级配沙床Cu较层状沙床大；A面沙床在滩肩处不均匀系数最大，槽底最小；B面沙床在槽底处不均匀系数系数最大，上爬区最小(见图 6a)。波浪作用后的层状沙滩分选系数比全级配沙床的小，而比原始沙床的分选系数大(见图 6b)。

泥沙粒径占比可以反应波浪作用后，粗细泥沙的运移量。试验中用表层泥沙粒径占比，其计算方法为波浪作用后，样品中原下层沙的质量与其表层沙总质量的比值。

试验中首先对不同波况下表层沙粒径分布变化进行了分析观察。小波条件下表层细沙粒径占比变化趋势比大波更陡，峰值更高更靠岸。A面沙床在1.6 m凹槽处，小波作用下细沙占比远大于大波；小波作用下粒径占比最大位置处是凹槽处，大波是上爬区(见图 7a)。B面沙床在坝下区和滩后表层粗沙粒径占比最少。小波作用下，第二个峰值比第一个高，而大波作用下相反(见图 7b)。

相应地，试验中对相同波况下不同层状沙床表层沙粒径占比进行了比较(见图 8)。B面沙床表层沙粒径占比变化较大，波峰较高，峰值点更靠岸。图 8a是在小波作用下表层沙粒径占比图，A面沙床在坝下区几乎全是粗沙，1.75 m处细沙占比升高至87.6%。B面沙床在上爬区和滩肩处出现两个粗沙占比峰值点，峰高差值小。图 8b是大波作用下表层沙粒径占比图，B面沙床变化趋势比A面更大，粒径占比的峰值较高。

2.3 垂向沙粒度分布变化

柱状沉积物粒径在表层以下一定深度内比较均匀(即此深度范围内粒径差别小)，称为粒度均匀层，均匀层上方称为不均匀层。图 9是波浪作用后层状沙床不均匀层深度变化图。同波况作用于不同沙床，不均匀层深度变化趋势一致。大波作用下不均匀深度更深，变化更大。

大波柱状样平均粒径变化趋势比小波剧烈，相同沙床不同波况作用下变化趋势相似，相同波况作用于不同沙床，粒径变化趋势相反(见图 10)。大波作用下，A面沙床在沙坝处平均粒径最大，在凹槽处平均粒径最小；B面沙床沙坝处平均粒径最小，凹槽处最大。

沙坝处波浪卷起的泥沙较多，但在小波条件下无沙坝产生，滩肩处受来波冲力和海底回流影响作用，泥沙往复运动，而沙滩其他各处泥沙运移量较小。为了研究相同区域泥沙粒度分布的影响因素，所以本文选择滩肩处柱状样进行粒度分析。图 11是上爬区表层沙粒径分布图，小波(H=6.7 cm，T=1.68 s)条件下峰值较低，大粒径泥沙多；大波(H=12.5 cm, T=1 s)条件下峰值较高，变化趋势大，小粒径泥沙多。A面沙床粒径分布出现规律的双峰分布，无大于150 μm的泥沙颗粒，B面沙床出现多峰分布，有大于200 μm的泥沙。

根据海洋调查规范标准对获得的粒度数据进行计算, 得到各站位沉积物粒度的平均粒径、偏态和峰态(见图 12)。其中图a、b是小波作用下A、B面沙床粒度参数图；图c、d是大波作用下A、B面沙床的粒度参数图。柱状样平均粒径在表层2 cm下较均匀，大部分沉积物粒度参数垂向变化小。大波B面沉积物偏态的正偏和负偏占一半, 其他条件下都是以正偏为主。4种情况下的峰度差别较大, 大波A面的峰度值最大(都大于1)表现出尖锐的峰度特征，而大波B面峰度值较低，大部分在0.7以下。

3 讨论 3.1 沙床滩面变化分析

小波作用下纯粒径沙床出现水下沙坝而层状沙滩未出现(见图 13a)。波浪会使床沙起动，由于小波波能较小，层状沙滩只有部分位置的下层沙被波浪卷起。细沙质量小，以悬移质形式随波浪运动；而粗沙的起动量相对于纯粒径沙滩较少，难以堆积形成沙坝。沙床的孔隙比随着沙粒径的增加而增大，当波浪在滩面上破碎，由于孔隙率高，波能耗散更为彻底^[12]，泥沙向岸、向海运动量较小。因此，滩面泥沙粒径越粗，波浪作用后的滩形越平整。而对于上细下粗沙床，波浪作用下会将部分下层粗沙带到表层，致使表层孔隙比变大，所以滩面起伏程度小于细沙沙床。

大波作用下，层状沙滩比纯粒径沙滩沙坝位置更离岸、高度更高而宽度较窄，滩肩位置更为离岸、高度较低(见图 13b)。波浪渗流力对海床泥沙起动有重要作用，在渗流力作用下，沙床部分泥沙产生失重，泥沙起动流速大幅下降^[17]。滩肩处波能较小而渗流流速较大，层状沙滩上下渗流速度不同，产生速度差。泥沙不能同步聚集，使滩肩更为离岸，高度更低。破波点附近形成沙坝，此处水动力影响较大。相比纯粒径沙床，层状沙床沙坝处级配好，泥沙堆积相对密实，波浪对已形成的水下沙坝破坏较小，所以坝高较高。

3.2 表层沙粒度分布变化分析

层状沙床比全级配沙床级配差，这和沙床初始组成有关系。全级配沙床是由各占三分之一的粗、中、细沙充分混合组成，层状沙床都缺失中沙粒径。所以波浪作用后两种层状沙床沙的级配虽然比初始情况好，但是没有全级配沙床好。原始层状沙床表层沙粒径单一，所以分选系数较小。而波浪作用后，下层沙被波浪带到表面，粗细沙混合，使泥沙粒径极差变大，分选性变差。

大波作用后，层状沙滩的下层沙粒径占比小于小波、峰值低，且变化趋势更缓。小波作用时，波能较弱，由于水体紊动影响，水流挟沙力下降，粗沙在紊动较强区域沉积，细沙会在强烈的紊动作用下从床面中被筛选出来，被搬运到低紊动地区，这个过程造成了紊动地区沙的粗化^[18]，使表层沙粒径变化很大(见图 14a)。大波作用时，波浪回流作用更剧烈，可以携带更多的泥沙运动。水中泥沙浓度变大, 泥沙颗粒之间相互交换重新分配，沉积于滩面时更加均匀(见图 14b)。

B面上细下粗沙床表层沙粒径占比变化比A面上粗下细沙床变化大。A面上层粗沙孔隙率高，波浪作用时波能消散更快。

3.3 垂向沙粒度变化分析

B面沙床不均匀厚度变化比A面大。B面沙床表层为细沙，相同波况作用时，表层沙更容易起动和运移，下层床沙受波浪影响较大。大波作用下，柱状样平均粒径变化趋势比小波剧烈。小波作用下表层样粒径占比变化大，非均匀层深度和垂直样的平均粒径变化较小；大波作用下与此相反。因为小波作用时，对底层沙影响较小，大波作用时水动力影响沙床深度更深，表层沙混合的更充分。

大波作用下，床沙粒径分布的峰值高、变化幅度大。试验对A面上爬区表层沙粒径个数进行统计分析(见表 2)。小波作用下，大颗粒泥沙较多；小波作用下，粒径小的泥沙多。上爬区波浪作用强度弱，泥沙分选性较差。大波作用时，水中细沙含量更高，在上爬区波能较弱处沉积，导致小粒径泥沙多，粒径分布峰值高。

沉积环境不稳定和有多种沉积物来源会导致泥沙粒径分布出现多峰^[20]。实验所用波况为规则波，所以多峰出现的原因是沉积物来源不一。B面上细下粗沙床出现多峰分布是因为相同波况下细沙更易起动运移，导致上爬区的泥沙来源更为多样化。沉积物粒度参数垂向变化小，反应沉积物沉积环境稳定。水动力条件越强，粒度参数变化越大，所以大波作用下沉积物粒度变化比小波大。水动力对沙床泥沙分配的作用存在递减，柱状样深度越深，沉积物粒度变化越小。

4 结论

(1) 相同波浪作用下，层状沙滩和纯粒径沙滩剖面变化不同。层状沙滩沙坝位置更离岸、高度更高、宽度较窄，滩肩位置更为离岸、滩肩高度较低。滩面粒径越粗，波浪作用后的滩形越为平整。

(2) 波况相同时，上细下粗沙床粒径占比变化比上粗下细沙床明显。沙滩类型相同时，大波作用后的下层沙粒占比变化小于小波，峰值低。层状沙床分选性比原始沙床差，也比全级配沙床的级配差。

(3) 大波作用下沙床不均匀深度更深、平均粒径变化更大、表层沙粒径分布峰值更高、粒度参数变化更大。上细下粗沙床上爬区表层沙粒呈现多峰分布，粒度参数变化小。