陡變地形邊坡變化對波浪傳遞影響試驗研究

柳玉良，倪琦，夏運強，李玉龍

（海軍工程設(shè)計研究院，北京100070）

陡變地形邊坡變化對波浪傳遞影響試驗研究

柳玉良，倪琦，夏運強，李玉龍

（海軍工程設(shè)計研究院，北京100070）

為探索海洋中陡變地形對地坪上波浪傳遞的影響，采用二維波浪物理模型試驗，從地形邊坡這一因素入手，進行了一系列研究，觀測了地坪上波高、周期、增水等參數(shù)的變化。通過對實測數(shù)據(jù)進行分析，初步明確了陡變地形邊坡變化對波浪傳遞的影響特點，即在試驗所采用的1∶0.6～1∶10地形邊坡范圍內(nèi)，相同波浪作用下，隨著坡度逐漸變緩，地坪上波高、周期、增水等明顯減小。試驗研究成果為了解及開發(fā)利用這種特殊的地形地貌提供借鑒參考。關(guān)鍵詞：陡變地形；波浪傳遞；物模試驗；增水

海洋環(huán)境中分布著許多島嶼和礁盤等復(fù)雜多變的地形，近年來，隨著國家對海洋開發(fā)的日益重視，為服務(wù)于國家發(fā)展，在這些島嶼、礁盤上進行了一些工程建設(shè)。通常，這些特殊的地形地處較開闊海域，附近海洋水文條件惡劣，且地形邊坡較陡，水深變化劇烈，近島礁波浪表現(xiàn)出強烈的非線性特點，與大多數(shù)緩變地形相比，波浪的傳播規(guī)律有所不同[1-2]，破碎后的波浪對構(gòu)筑物仍有較大的作用力，極易造成構(gòu)筑物破壞并在使用上產(chǎn)生不利影響。目前，國內(nèi)對這種大水深陡變地形上波浪傳播的研究還處于起步階段，沒有成熟完善的數(shù)值模擬方法，物理模型試驗成為解決工程問題的重要途徑。本文將陡變地形的邊坡坡度作為主要考慮因素，利用二維波浪水槽進行了系列物模試驗，結(jié)合實際工程需要，對波浪在這種特殊地形地貌上的傳播變化特點進行了初步的研究。

1 試驗資料

試驗中陡變地形邊坡坡度m的變化范圍為0.6～10，分別為0.6、2、5、8、10，這些數(shù)值有的取自實際工程，有的為研究需要而進行的插值。試驗中變化因素僅為邊坡m，波浪、地形深度d、浪高儀布設(shè)等其它輸入條件均相同，見圖1。試驗波浪要素不分水位，均為有效波高H1/3、周期T、波長L。試驗水位包括高水位和低水位，對應(yīng)地坪上水深d1分別為0.2H1/3和0.3H1/3，陡變地形高度為5 H1/3。

圖1 試驗地形及浪高儀布設(shè)Fig.1Test terrain and layout of the wave height recorder

試驗在長81 m、寬1.4 m、高2.6 m波浪水槽中進行，造波系統(tǒng)為低慣量直流電機及滾珠絲杠系統(tǒng)驅(qū)動的不規(guī)則造波機。根據(jù)JTJ/T 234—2001《波浪模型試驗規(guī)程》[3]的相關(guān)規(guī)定，選取模型長度比尺λ=40，時間比尺λt=。波浪數(shù)據(jù)通過Ds-30型數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)及多個電容式浪高儀進行觀測。

試驗采用不規(guī)則波，按照J(rèn)ONSWAP譜模擬[4]：

式中：H1/3為有效波高，m；Tp為譜峰周期，s；γ為譜峰升高因子，取3.3。

2 試驗結(jié)果及分析

在試驗波要素作用下，采集不同地形邊坡地坪上距離±0.0 m高程點0.5L、1.0L處的波浪數(shù)據(jù)，并分析計算有效波高H1/3的比波高、極限波高與水深比值、波周期及相對增水η，見表1。

2.1 地坪上波高分析

1）有效波高H1/3

入射波浪遇陡變地形發(fā)生破碎變形，水體劇烈紊動，能量消散，波高迅速減小，形成再生波[4]，試驗實測波浪數(shù)據(jù)均為地坪上的再生波。將表1中H1/3比波高數(shù)據(jù)點繪于圖2，并分別進行曲線擬合。由圖2可見，在試驗范圍內(nèi)，地坪上波高隨邊坡坡度呈線性關(guān)系變化。隨著地形邊坡從1∶0.6逐漸變緩至1∶10，地坪上波高相應(yīng)逐漸減小。

表1 地坪上波浪試驗結(jié)果匯總Table 1Results summary of wave test on the ground

圖2 H1/3比波高-地形邊坡坡度m關(guān)系圖Fig.2The relationship between specific wave height H1/3and terrain slope m

經(jīng)計算，地形邊坡1∶10與1∶0.6相比，1號浪高儀處，高、低水位有效波高平均減小了23.5%；2號浪高儀處，波高平均減小了20%。受底摩阻影響，低水位條件下，波高衰減更明顯。對高水位和低水位1號、2號浪高儀數(shù)據(jù)綜合分析，波浪從1號浪高儀傳播至2號浪高儀0.5倍波長范圍內(nèi)，波高平均衰減了14.9%。

2）極限波高

表1數(shù)據(jù)表明，相對于地坪上水深來說，極限波高較大，且地形邊坡越陡，極限波高越大，邊坡越緩，極限波高越小。經(jīng)分析，與有效波高H1/3類似，極限波高與水深的比值隨著坡度亦呈線性關(guān)系變化。

針對本研究中地坪上高程基本相等的情況，按現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JTS 145—2015《港口與航道水文規(guī)范》[5]8.2.2條規(guī)定計算，則緩坡上不規(guī)則波極限波高與水深最大比值（Hb/db）max應(yīng)取0.6。試驗實測極限波高與水深比值與規(guī)范取值比較，顯著偏大。由于本試驗的地形邊坡較陡，陡變地形外水深較大且變化劇烈，與近大陸海岸帶不同，雖然地坪上水深較小，卻在一定范圍內(nèi)產(chǎn)生了較大的極限波高，這是陡變地形特殊的波浪現(xiàn)象。

綜上，地形邊坡坡度變化對地坪上的波高影響顯著，邊坡越陡，地坪上波高越大。

2.2 地坪上波周期分析

試驗發(fā)現(xiàn)，入射波遇陡變地形破碎后，發(fā)生變化的不僅是波高，波周期亦不同程度改變。表1數(shù)據(jù)可見，邊坡越陡，波浪周期衰減越少，邊坡越緩，周期衰減越明顯。與波高類似，受底摩阻影響，低水位條件下，波周期衰減更多。經(jīng)計算，邊坡從1∶0.6變緩至1∶10過程中，1號浪高儀處高、低水位波周期平均減小了16.5%，2號浪高儀處高、低水位波周期平均減小了22%。

2.3 地坪上相對增水分析

試驗中看到，入射波浪遇陡變地形產(chǎn)生劇烈的破碎，破碎后以流上波的形態(tài)在地坪上傳遞，平均水位較靜水位明顯雍高。經(jīng)對浪高儀采集的波面過程線進行分析表明，地坪上存在明顯增水現(xiàn)象，見圖3、圖4及表1。

圖3 地形外入射波浪實測波面過程線Fig.3The measured incident wave surface hydrograph in front of terrain

圖4 地坪上波浪實測波面過程線Fig.4The measured wave surface process hydrograph on the ground

從圖3看，地形外波浪的波面過程均在靜水位上下波動，而圖4中地坪上波面過程的平均水位相對于靜水位出現(xiàn)了明顯的向上偏離，即增水。實測數(shù)據(jù)還顯示，低水位增水值大于高水位，且偏離值隨著地形邊坡坡度變陡而加大。地坪上的增水現(xiàn)象是導(dǎo)致極限波高較大的主要原因。

將各地形坡度實測高水位、低水位相對增水值繪于圖5，并進行曲線擬合。由圖可見，地坪上增水值隨著地形坡度變緩而逐漸減小，高水位數(shù)據(jù)呈明顯的線性關(guān)系變化，低水位數(shù)據(jù)的線性相關(guān)稍差，較離散，但增水隨著地形坡度變緩而減小的基本趨勢是明確的。

圖5 地坪上相對增水-地形坡度m的關(guān)系圖Fig.5The relationship between relative water set-up and slope on the ground

2.4 綜合分析

本試驗中唯一的變化因素是地形邊坡坡度，坡度的不同引起地形以外一定范圍內(nèi)的海底地形標(biāo)高有所不同，進而對波浪破碎、傳遞及能量變化產(chǎn)生影響。

實際上，波浪進入淺水區(qū)后，從波浪“觸底”時起，波浪即開始損失能量[6]。這些損失可能主要包括摩阻損失、滲透損失、泥面波阻力損失3方面。從本試驗的情況看，后兩種能量損失幾乎不存在，引起能量損失主要是地形的摩阻力。

現(xiàn)對比分析坡度為1∶0.6和1∶10兩種情況，其它坡度介于二者之間。當(dāng)邊坡坡度取1∶10時，地形標(biāo)高0.0 m至-5H1/3（邊坡水平長度1.8L）范圍內(nèi)海底地形對波浪的摩阻力顯然大于坡度為1∶0.6的情況，試驗中也觀測到，兩種邊坡下的波浪破碎帶寬度是不同的（圖6、圖7），坡度1∶10比1∶0.6時破波帶寬度增加了約0.6倍波長。當(dāng)?shù)匦芜吰螺^陡時，波浪均集中在較窄的破波帶內(nèi)發(fā)生破碎，其破碎形態(tài)不同于崩破、卷破和激破等常見的破波類型，波態(tài)在很短的時間內(nèi)即發(fā)生劇烈變化，能量損失較少，導(dǎo)致地坪上波能較大。而當(dāng)?shù)匦芜吰螺^緩時，波列中的大波較早即發(fā)生破碎，破碎后的再生波又在相對較長的坡面上繼續(xù)傳播并消散能量，因此，地坪上波能較小。

圖6 坡度1頤0.6時破波帶位置Fig.6Position of breaking wave at 1頤0.6

圖7 坡度1頤10時破波帶位置Fig.7Position of breaking wave at 1頤10

外海入射波浪觸碰較陡地形時，除水體劇烈紊動及底摩阻消耗部分能量外，大部分波動能量轉(zhuǎn)化為繼續(xù)在地坪上傳播的波流動能，而波浪破碎后，波高逐漸減小，輻射應(yīng)力相應(yīng)地減小，引起平均水面的抬高即增水[6]。

3 結(jié)語

本文通過二維波浪物模試驗，結(jié)合實際工程，對陡變地形邊坡引起的地坪上波浪變化特點進行了系列研究，得到主要結(jié)論如下：

1）海洋中的島嶼、礁盤等陡變地形不同于近大陸海岸地形，陡變地形的特殊性是造成地坪上各種特殊波浪現(xiàn)象的主要原因，其邊坡坡度變化對地坪上波浪傳遞影響較大；

2）陡變邊坡地形引起地坪上存在明顯的增水現(xiàn)象，從而導(dǎo)致極限波高較大，與常見緩坡地形上的破碎波高相差懸殊。在試驗所采用的1∶0.6～1∶10地形邊坡范圍內(nèi)，相同波浪作用下，增水、H1/3波高和極限波高隨地形坡度變緩呈線性關(guān)系逐漸減小。地形坡度1∶10與1∶0.6相比，試驗布設(shè)浪高儀的1倍波長范圍內(nèi)H1/3波高減小了20%以上，波周期也明顯減小。

本文結(jié)果是在試驗波浪條件下得到的，不具有普遍適用性，供類似情況借鑒參考。每個工程地理環(huán)境都有其獨特性，應(yīng)合理確定波浪要素，避免造成工程破壞及使用上的不利影響。受時間等其它因素的限制，本試驗研究還不夠充分，有待后期進一步開展工作。

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Experimental study on influence of the change of steep slope on wave

LIU Yu-liang,NI Qi,XIA Yun-qiang,LI Yu-long
（Navy Engineering Design and Research Institute，Beijing 100070,China）

In order to explore the influence of steep slope on the wave transmission on the ground,from the aspects of topography and slop,we carried out a series of studies by 2D physical model test,observed some data change of wave height, wave period and wave set-up,etc.Through the analysis of the measured data,we initially confirmed the influence of the change of steep slope on wave transmission.The wave height and water set-up gradually decrease with the slope gradient,and change linearly,in the range of 1∶0.6 to 1∶10 terrain slope used in the experiment,under the same wave action.The research results can provide references for the understanding and development of this special topography.

steep slope;wave transmission;physical model test;wave set-up

U656.2

A

2095-7874（2017）06-0032-04

10.7640/zggwjs201706007

2017-01-22

2017-04-12

柳玉良（1971—），女，黑龍江大慶人，工程碩士，高級工程師，港口及航道工程專業(yè)，主要從事近海及海岸工程、遠海島礁工程的物模試驗研究工作。E-mail：liuyuliang9595@163.com