單排三角錐透空圓孔礁壩保灘促淤的試驗(yàn)研究

張志濤，拾 兵，王俊杰

(中國海洋大學(xué) 工程學(xué)院，山東 青島 266100)

人工魚礁技術(shù)作為一種改善海洋環(huán)境、豐富海洋生物多樣性的新型防護(hù)手段，近年來受到一些學(xué)者的關(guān)注。魚礁對水流的阻滯作用，可減弱水流挾沙能力，為懸移質(zhì)及推移質(zhì)泥沙于礁后沉積提供了有利環(huán)境。人工魚礁組成的礁壩淹沒放置于近岸海床，不僅可作為海洋生物的庇護(hù)所、棲息地、食物源及繁殖區(qū)，又能以其獨(dú)特的流場效應(yīng)，較好地削弱掩護(hù)區(qū)的水動力強(qiáng)度，減弱波浪挾沙能力，促使超飽和懸沙落淤。從經(jīng)濟(jì)角度來講，鏤空式的礁壩還可以節(jié)省大量的原材料。多孔人工魚礁用作多功能近岸工程措施，已在加勒比海岸等地有了工程應(yīng)用，并取得了較好的防護(hù)效果[1-2]。 Atilla 等[3]通過模擬海浪，分析了水深對人工魚礁周圍水動力的影響，結(jié)果顯示：當(dāng)水深變淺時，水動力長期賦值增加。王磊等[4]通過對比不同結(jié)構(gòu)混凝土魚礁的相對表面積和相對空方體積，得出不同結(jié)構(gòu)混凝土魚礁的阻流特點(diǎn)，其中箱型礁、三角錐型礁和梯形礁的穩(wěn)固性較好，可作為建設(shè)海洋牧場的首選礁型。吳建和拾兵等[5]利用1∶20正態(tài)波浪模型，對北戴河海灘橫斷面有無喂養(yǎng)沙壩、人工礁壩等工況進(jìn)行了3種水位的極限波高試驗(yàn)，測取了一種正方體多孔礁壩內(nèi)外波高過程線及穩(wěn)定后的斷面形態(tài)，試驗(yàn)資料分析顯示：水下正方體多孔礁壩對波能有較大的削弱，從而使水體挾帶泥沙于掩護(hù)區(qū)域落淤，在一定程度上阻止了海灘泥沙的離岸虧損。

本文通過對一種單排三角錐透空圓孔礁壩的斷面試驗(yàn)研究，旨在揭示三角錐透空圓孔礁壩的保灘促淤效果以及消浪阻流規(guī)律，可為海洋牧場的海灘養(yǎng)護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 理論分析

海岸地區(qū)的水動力主要是波浪和潮流，近岸泥沙在波流共同作用下產(chǎn)生搬運(yùn)現(xiàn)象，波浪離岸流動和向岸流動的強(qiáng)弱決定海岸侵蝕和淤積的程度。當(dāng)向岸流速大于離岸流速時，近岸泥沙沉積物被向岸搬運(yùn)，進(jìn)而形成淤積現(xiàn)象；當(dāng)向岸流速小于離岸流速時，近岸泥沙沉積物被離岸搬運(yùn)，進(jìn)而形成侵蝕現(xiàn)象。多數(shù)保灘促淤工程通過削減離岸流的挾沙能力，從而達(dá)到養(yǎng)護(hù)海灘、防止沖刷的目的。

潮流和波浪共同作用下的攜沙能力公式為[6]：

由式（1）可知，波浪和潮流的挾沙能力與速度的3次方以及波高的平方成正比，通過一定的工程手段，削弱離岸流速和波高可以有效降低水體攜沙能力，防止岸灘沖刷，可達(dá)到保灘促淤的目的。

2 物理模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)以煙臺市某砂質(zhì)海岸實(shí)測數(shù)據(jù)為依據(jù)，開展3種潮位（極端高水位：2.14 m；設(shè)計(jì)高水位：0.81 m；設(shè)計(jì)低水位：－0.81 m）、2種重現(xiàn)期（25和50年）對應(yīng)波高的斷面模型試驗(yàn)，驗(yàn)證單排三角錐透空圓孔礁壩保灘促淤效果。正態(tài)模型比尺λ=28，岸灘泥沙中值粒徑=0.3 mm。模型滿足重力相似準(zhǔn)則。

試驗(yàn)在長30.0 m、寬0.60 m、深0.80 m的不規(guī)則波水槽中進(jìn)行。水槽一端為低慣量直流式電機(jī)不規(guī)則造波機(jī)，另一端為消能設(shè)施。試驗(yàn)布置情況及單個礁體尺寸（原型）如圖1所示。波高測量采用電阻式浪高儀，流速測量采用聲學(xué)多普勒流速儀（設(shè)于3號波高儀斷面處），地形測量用全站型電子測距儀。

圖 1 礁壩斷面試驗(yàn)布置及魚礁大樣圖（單位：m）Fig. 1 Experimental arrangement of reef dam section and large sample of reef (unit: m)

表 1 原型波入射要素Tab. 1 Incident elements of prototype waves

為防止魚礁沖刷沉陷，在工程實(shí)踐中需在礁體底部安裝防護(hù)墊，并安裝固定栓防止滑移[5]。試驗(yàn)開始之前需在現(xiàn)狀海底地形狀況下進(jìn)行波要素率定，按照實(shí)測波要素，以JONSWAP風(fēng)浪譜為靶譜模擬造波，用浪高儀采集記錄波浪數(shù)據(jù)，進(jìn)行譜分析，與靶譜對照，調(diào)整造波機(jī)推程和運(yùn)動頻率，直至試驗(yàn)波要素滿足靶譜要求。原型波入射要素如表1所列。試驗(yàn)過程中，由于不規(guī)則波的不穩(wěn)定性，每組工況測試波波數(shù)約700個，重復(fù)進(jìn)行3次取其平均值作為實(shí)測數(shù)據(jù)，出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)時檢查儀器，并重新進(jìn)行試驗(yàn)，以確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)真實(shí)可靠。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

本試驗(yàn)在保證礁壩形狀不變的情況下，通過模擬實(shí)際海域的入射波高、水深、控制礁壩離岸距離得出不規(guī)則波作用下人工礁壩的透射系數(shù)、地形的響應(yīng)及近岸底層水質(zhì)點(diǎn)的流速變化規(guī)律，進(jìn)而為人工礁壩在岸灘防護(hù)領(lǐng)域的發(fā)展提供實(shí)際依據(jù)。

3.1 礁壩相對距離對透射系數(shù)的影響

試驗(yàn)通過改變?nèi)清F透空圓孔礁壩距離參考點(diǎn)的位置，測得礁壩在不規(guī)則波作用下的波高數(shù)據(jù)，進(jìn)而求得相應(yīng)的透射系數(shù)。由于不規(guī)則波的不穩(wěn)定性，每組工況進(jìn)行3次造波試驗(yàn)，取3次數(shù)據(jù)的平均值計(jì)算礁壩的透射系數(shù)。相對位置用礁壩到參考點(diǎn)（零高程點(diǎn)）的距離和入射波長的比值表示，得到如圖2(a)和(b)所示的有效波高透射系數(shù)與相對位置的關(guān)系。從圖2(a)和(b)中可以看出，礁壩在3種不同水深情況下，25年重現(xiàn)期和50年重現(xiàn)期的有效波高透射系數(shù)與相對位置的關(guān)系均為明顯的漏斗型曲線，在礁壩距參考點(diǎn)0.75L（L為入射波長）處有效波高透射系數(shù)最小，消波效果比較理想。礁壩擺放位置大于1.5H（H為入射波高）時，會出現(xiàn)有效波高透射系數(shù)大于有效波高自然衰減系數(shù)（即無礁壩時的衰減系數(shù)）的情況，說明此時礁壩的布置位置會使波能匯聚進(jìn)而加速岸灘的沖刷，在實(shí)際工程中應(yīng)避免此類情況出現(xiàn)。

圖 2 礁壩相對距離對透射系數(shù)的影響Fig. 2 Effect of relative distance of reef dam on transmission coefficient

最大波高透射系數(shù)與相對位置的關(guān)系如圖2(c)和(d)?？梢姡?5年和50年重現(xiàn)期設(shè)計(jì)低水位及設(shè)計(jì)高水位時，最大波高透射系數(shù)在礁壩距參考點(diǎn)0.75L（L為入射波長）時達(dá)到最小值，但在極端水位時，透射系數(shù)的變化趨于水平直線且接近1，此時礁壩的防護(hù)作用相對較弱；2種重現(xiàn)期、3種水位的最大波高和有效波高透射系數(shù)規(guī)律保持一致，礁壩距參考點(diǎn)0.75L時，其消波效果最好，距參考點(diǎn)(1.50～2.00)L的位置是非線性部分駐波的波腹位置，礁壩位于此處防護(hù)效果最差。

綜上所述，礁壩的存在可以有效削減波能，降低有效波高和最大波高，進(jìn)而降低水體攜沙能力，達(dá)到保灘促淤的目的。

3.2 礁壩相對距離對波浪爬高的影響

定義有礁壩防護(hù)時的波浪爬高與無礁壩防護(hù)時的波浪爬高的比值為波浪爬高衰減系數(shù)（K*）。在灘肩斷面處架設(shè)攝像機(jī)，通過觀測3種水位不同放置位置時的波浪爬高，以及無礁壩防護(hù)時的波浪爬高，分別計(jì)算其爬高衰減系數(shù)（圖3）?？梢姡?5年及50年重現(xiàn)期，均在礁壩距參考點(diǎn)0.80L(L為入射波長)附近出現(xiàn)波谷，說明礁壩位于此處防護(hù)效果最佳，但波浪爬高衰減系數(shù)均在0.89～1.02波動，說明透空礁壩對波浪爬高的抑制作用不明顯，甚至在極端高水位下，礁壩距參考點(diǎn)（1.50～2.00）L的位置時，出現(xiàn)有波浪爬高衰減系數(shù)大于1的情況，說明礁壩在此位置不僅不能削弱波能，相反會匯聚波能，抬高波高，加速岸灘沖刷。

圖 3 礁壩防護(hù)下的波浪爬高衰減系數(shù)Fig. 3 Attenuation coefficient of wave climbing under reef dam protection

3.3 礁壩相對距離對岸灘沖淤變化的影響

地形沖淤變化是本次試驗(yàn)需要精確測量的部分，為保證排水不會對地形造成影響，待水面完全平靜后再緩慢進(jìn)行排水，當(dāng)全部排完后，在水槽中間架設(shè)全站儀開始測量地形。試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)地形沿水槽寬度方向略有變化，但變化較小，因此在本次試驗(yàn)中選取y=0.1，0.3和0.5 m共3條地形剖面線進(jìn)行記錄，并取3條地形剖面線的平均值作為這一組工況的最終地形數(shù)據(jù)。如圖4（a）和（d）所示，試驗(yàn)通過收集原始地形在不同水位下的沖淤變化數(shù)據(jù)以及有礁壩防護(hù)下的地形沖淤變化數(shù)據(jù)，對比發(fā)現(xiàn)：在設(shè)計(jì)低水位無礁壩防護(hù)時，潮位較低，波浪對岸灘的沖刷作用不明顯，零高程點(diǎn)之后向岸部分的岸灘變化很小，離岸部分則出現(xiàn)輕微的沖刷現(xiàn)象，在距離零高程點(diǎn)4.5～6.0倍礁長（礁長用l表示）之間，有很淺的沙溝出現(xiàn)，在距零高程6～33倍礁長之間地形有輕微的起伏，但未觀測到沙波現(xiàn)象；有礁壩防護(hù)時，地形明顯被坦化，但仍有沙溝現(xiàn)象出現(xiàn)，并且沙溝出現(xiàn)的位置均有輕微后移，其中以礁壩布置在0.50L處的后移最為明顯；礁壩前后出現(xiàn)少量的泥沙淤積，其中以礁壩布置在0.75L的淤積最為明顯，0.50L處淤積效果最差。說明礁壩布置在0.50L處時波能被匯聚，加速岸灘侵蝕。如圖4（b）和（e）所示，在設(shè)計(jì)高水位時，原地形距零高程點(diǎn)－3.5～3.5倍礁長的岸灘坡面是主要沖刷區(qū)，淤積區(qū)主要出現(xiàn)在距零高程點(diǎn)5.5～10.0倍礁長，l10.0倍礁長之間出現(xiàn)大量的沙波；有礁壩防護(hù)時，沙溝寬度變窄，出現(xiàn)位置均有輕微后移，距零高程點(diǎn)5.5～10.0倍礁長之間的沙波消失，并出現(xiàn)明顯淤積隆起現(xiàn)象，其中以礁壩布置在0.75L處的淤積最為明顯，岸灘坡面變形最小，礁壩布置在0.50L處岸灘坡面坡度增加，沖刷加劇。如布置在0.50L處岸灘坡面坡度增加，沖刷加劇。如圖4（c）和（f）在極端高水位時，岸灘沖刷現(xiàn)象最為明顯，平整的地形沖刷形成大斜面，灘肩明顯后移，在距零高程點(diǎn)5.5～23.0倍礁長之間出現(xiàn)大量沙波，地形變化復(fù)雜；有礁壩防護(hù)時，岸灘坡面沖刷仍然非常嚴(yán)重，灘肩明顯后移，但是在距零高程點(diǎn)5.5～23.0倍礁長之間沙波數(shù)量減少，且出現(xiàn)一定程度的淤積。其中以礁壩布置在0.75L處的淤積最為明顯。

圖 4 礁壩位置對岸灘地形的影響Fig. 4 Effect of reef dam location on beach topography

由上述分析可見，礁壩布置在0.75L處，防護(hù)效果最佳，但在極端高水位情況下，魚礁防護(hù)作用很小，這與礁體的空方體積及堆砌高度有關(guān)，后續(xù)可以通過不同的堆砌方式改變礁壩高程及壩頂寬度進(jìn)而優(yōu)化礁壩在極端波浪作用下保灘促淤能力。

3.4 礁壩相對距離對礁后底層流速的影響

波浪水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動軌跡不封閉，將會產(chǎn)生凈輸移水流，從而造成泥沙的凈輸移。當(dāng)?shù)咨硟粝虬遁斠茣r，海灘就會發(fā)育；當(dāng)?shù)咨硟綦x岸輸移時，海灘就會被侵蝕[5,13]。試驗(yàn)通過使用聲學(xué)多普勒流速儀測量25年重現(xiàn)期不規(guī)則波作用下的距離零高程點(diǎn)0.90 m處的底層水質(zhì)點(diǎn)水平速度分布規(guī)律。試驗(yàn)在水槽造波20 min后開始收集流速數(shù)據(jù)，此時岸灘地形達(dá)到最穩(wěn)定狀態(tài)，更能確保試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，設(shè)置采樣間隔為0.005 s，收集樣本流速點(diǎn)20萬個，統(tǒng)計(jì)向岸平均流速、離岸平均流速以及向岸流動和離岸流動歷時。礁壩相對距離對礁后底層流速的影響見圖5。

通過數(shù)據(jù)分析可以看出，在無礁壩防護(hù)時向岸流歷時和離岸流歷時比例為4∶6，有礁壩防護(hù)時其比例關(guān)系為4.5∶5.5，離岸流歷時有少許縮減，這也為底層泥沙在礁后落淤提供了良好條件。圖5（a）為礁后波浪底層水質(zhì)點(diǎn)平均水平流速分布，可以看出在礁壩的防護(hù)下，底層水質(zhì)點(diǎn)向、離岸流速都有所減小，設(shè)計(jì)低水位時尤為明顯，礁壩的擺放位置對底層水質(zhì)點(diǎn)流速的影響呈明顯的線性關(guān)系，擺放位置距參考點(diǎn)越近阻流效果越好。礁壩修建前后，向岸和離岸流態(tài)均為未發(fā)現(xiàn)明顯變化。定義向岸和離岸平均速度之差為潮流的閉合度，通過圖5（b）可以看出，在設(shè)計(jì)低水位和設(shè)計(jì)高水位，有礁壩防護(hù)時底層水質(zhì)點(diǎn)均出現(xiàn)向岸的凈輸移水流，有利于底沙在礁后落淤，其中礁壩處于0.75L處，向岸凈輸移水流流速最大；在極端高水位波浪作用下，底層水質(zhì)點(diǎn)均出現(xiàn)離岸的凈輸移水流，此時灘面被沖刷，礁壩超過防護(hù)極限。

圖 5 礁后底層水質(zhì)點(diǎn)平均水平流速及潮流閉合度Fig. 5 Average horizontal flow velocity and tidal closure of the bottom water particles behind the reef

4 結(jié) 語

通過開展不規(guī)則波作用下的波浪斷面模型試驗(yàn)，對一種新型錐體透空礁壩的消浪能力和保灘促淤特性進(jìn)行了研究，得出相關(guān)結(jié)論如下：

(1)三角錐透空圓孔礁壩對岸灘的防護(hù)效果隨堤頂水深的減小而線性遞增，低水位時透射系數(shù)接近0.6，防護(hù)效果最好，在極端水位下的防護(hù)效果則相對較弱；礁壩位于距參考點(diǎn)0.75L(L為入射波長)的位置時，透射系數(shù)相對較小，消浪效果最佳。礁壩可有效削減波能，降低有效波高和最大波高，進(jìn)而降低水體攜沙能力，達(dá)到保灘促淤的目的。

(2)三角錐透空圓孔礁壩位于距參考點(diǎn)0.80L的位置時，對波浪爬高的抑制效果相對較好，但波浪爬高衰減系數(shù)均在0.89～1.02波動，說明透空礁壩對波浪爬高的抑制作用不明顯。

(3)三角錐透空圓孔礁壩布置于距離參考點(diǎn)0.75L時，波浪透射系數(shù)及對岸灘的掩護(hù)效果最佳，而處于距參考點(diǎn)1.50L的距離，是非線性部分駐波的波腹位置，會造成岸灘前方波能集中，沖擊力增加，加重了岸灘侵蝕，實(shí)際工程中應(yīng)避開此位置。

(4)三角錐透空圓孔礁壩布置于近海，通過阻減波浪底層水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動速度，增強(qiáng)水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動軌跡的不對稱性，為礁后一定范圍內(nèi)的底層泥沙在近岸落淤創(chuàng)造良好條件，防止岸灘泥沙離岸虧損。

(5)人工礁壩用于岸灘防護(hù)時，應(yīng)確保其穩(wěn)定性，特別是在砂質(zhì)海岸和淤泥質(zhì)海岸，需要安裝防護(hù)墊或其他防護(hù)裝置，防止礁壩因沖刷沉陷或傾覆而導(dǎo)致其防護(hù)效果降低。