防浪建筑物影響下珊瑚礁海岸波浪傳播變形試驗

賈美軍，姚 宇, 2，陳松貴，郭輝群

(1. 長沙理工大學(xué) 水利工程學(xué)院，湖南 長沙 410114; 2. 水沙科學(xué)與水災(zāi)害防治湖南省重點實驗室，湖南 長沙 410114; 3. 交通運輸部天津水運工程科學(xué)研究院，天津 300456)

近年來，氣候變化引起的海平面上升，使得位于低緯度地區(qū)的珊瑚島礁在臺風(fēng)浪等極端波浪情況下時常出現(xiàn)洪澇災(zāi)害[1]。理想的珊瑚礁海岸主要由礁前斜坡(fore-reef slope)與礁坪(reef flat)組成，礁前斜坡與礁坪的連接處稱為礁緣(reef edge)。當(dāng)今，我國在南中國海開展了填礁成陸工程并在新填筑的島礁上建設(shè)了大量基礎(chǔ)設(shè)施，這些工程遠(yuǎn)離大陸，極易受到極端波浪事件的影響，需要建設(shè)防浪建筑物進(jìn)行保護(hù)。珊瑚礁的陡變地形亦迥異于普通海岸，一方面?zhèn)鹘y(tǒng)的防浪建筑物設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)需要改進(jìn)，另一方面防浪建筑物一般建設(shè)在新填筑的礁坪上，建成后在極端波浪掏蝕作用下更易發(fā)生破壞。海岸波浪爬高是防浪建筑物設(shè)計的重要參考指標(biāo)，它由短波(頻率區(qū)段為 0.04～0.4 Hz)、低頻長波(頻率區(qū)段為 0.001～0.04 Hz)和波浪增水共同組成[2]。其中低頻長波成分在某些情況下特別是由風(fēng)暴潮引起的高潮位時，易于在半封閉礁坪上發(fā)生共振現(xiàn)象引起防浪建筑物附近波浪的放大效應(yīng)，加劇海岸爬高即發(fā)生洪澇災(zāi)害的風(fēng)險[3]。

近些年，對于波浪在珊瑚礁地形上的傳播變形問題，國內(nèi)外許多學(xué)者開展了大量研究，其中水槽模型試驗是最常用的研究手段。Gourlay[4]基于一系列的珊瑚礁模型試驗，系統(tǒng)地研究了規(guī)則波的傳播變形，增水和波生流問題。丁軍等[5]通過水池模型試驗對島礁附近波浪沿程變化、橫剖面波高變化和礁坪上波浪變化特征進(jìn)行了分析。Demirbilek等[6]在實驗室研究了風(fēng)的存在對波浪增水和岸灘爬高的影響。Buckley等[7]通過物理模型試驗研究了表面糙率對波浪傳播變形和增水的影響。柳淑學(xué)等[8]基于三維模型試驗研究了波浪在珊瑚島礁周圍的傳播變形特性。任冰等[9]通過物理模型試驗研究了規(guī)則波在島礁地形上的傳播、變形和破碎變化特性。姚宇等[10]通過波浪水槽試驗分析了礁面糙率變化下珊瑚礁海岸附近的短波、低頻長波和波譜的變化規(guī)律。

上述試驗研究均未考慮防浪堤等島礁設(shè)施的存在對波浪在珊瑚礁海岸附近傳播變形的影響。目前陳松貴等[11]基于大比尺波浪水槽模型試驗，研究了不規(guī)則波在建有防浪堤的珊瑚礁上波浪傳播-破碎-壅水的過程，結(jié)果表明，波浪由深海傳至筑堤珊瑚礁，越靠近防浪建筑物，低頻能量越大，水位壅高越大。陳松貴等[12]隨后對珊瑚島礁護(hù)岸對礁坪上極端波浪傳播特性進(jìn)行了研究。但上述研究并未對波浪在珊瑚礁地形上傳播變形產(chǎn)生的低頻長波做進(jìn)一步的探討，更未考慮防浪建筑物位置變化的影響。因此，擬通過物理模型試驗，研究防浪建筑物存在時珊瑚礁海岸附近波浪傳播變形(短波、低頻長波、增水)的變化規(guī)律，重點分析海岸線附近低頻長波的運動以及防浪建筑物位置變化的影響，研究成果將對我國島礁防浪建筑物位置的設(shè)計和維護(hù)具有一定的參考價值。

1 試驗設(shè)置

試驗在波浪水槽中進(jìn)行，該水槽尺寸為40 m×0.5 m×0.8 m(長×寬×高)。模型設(shè)置如圖1所示，水槽的最左端配置推板式造波機(jī)，水槽另一端置消能網(wǎng)，用于減弱波浪反射的影響。在距造波機(jī)27.3 m處，建造坡度為1∶6的礁前斜坡，隨后設(shè)置長度為8 m的礁坪，礁坪距水槽底高度為0.35 m，礁坪后接坡度為1∶3.3的斜面模擬礁后岸灘。防浪建筑物模型采用概化的直立式矩形斷面結(jié)構(gòu)，由PVC材料制成，高度的設(shè)置保證試驗當(dāng)中不發(fā)生越浪現(xiàn)象。珊瑚礁礁面的大糙率會對礁坪上短波和低頻長波運動產(chǎn)生顯著的衰減效應(yīng)以及破壞長波在礁坪上發(fā)生的共振[10]。因此為了更精確的研究防浪建筑物的存在對波浪運動及礁坪共振的影響，在可控的實驗室環(huán)境中采用PVC材料制作相對光滑礁面來減弱礁面糙率的影響。整個礁體物理模型通過固定支架懸掛于水槽壁上，礁坪寬度與水槽寬度一致。使用玻璃膠填充模型與水槽壁之間、礁坪相接處及礁前斜坡與水槽底部之間的縫隙。

圖1 試驗設(shè)置Fig. 1 Experimental setup

試驗中珊瑚礁地形的概化模型依據(jù)Becker 等[13]現(xiàn)場觀測的資料，按照弗洛伊德相似準(zhǔn)則采用1∶20的幾何比尺進(jìn)行構(gòu)建。試驗測試了1個深水有效波高(HS0=0.08 m)、2個礁坪水深(hr=0.05 m， 0.10 m)、3個峰周期(TP=1.0 s,1.5 s,2.0 s)組合下的一系列不規(guī)則波工況。在上述所有波況下，分別測試防浪建筑物4個不同位置，礁坪前部(距離礁緣L=2 m)、礁坪中部(距離礁緣L=4 m)、礁坪后部(距離礁緣L=6 m)和岸線附近(距離礁緣L=8 m)對波浪傳播變形的影響。

試驗采用電容式浪高儀測量自由液面高程的變化，具體排列方式見表1。在礁體模型外海側(cè)設(shè)置浪高儀G1、G2和G3用以測量分離入射波和反射波，G4設(shè)置在礁坪斜坡中部便于測量波浪的淺水變形。G5固定設(shè)置在礁緣附近礁坪一側(cè)0.2 m用于測量破碎波。為監(jiān)測從礁緣向海岸線波浪的傳播變形過程，G6～G9浪高儀根據(jù)防浪建筑物的位置分別進(jìn)行設(shè)置：當(dāng)L=2 m，4 m，6 m時，G8，G9布置在防浪建筑物附近向海一側(cè)，分別距離建筑物0.2 m、0.1 m，G6和G7均勻布置于G5和G8之間；當(dāng)L=8 m時，G9布置在防浪建筑物附近向海一側(cè)，距離建筑物0.2 m，G6、G7、G8分別均勻布置于G5和G9之間。試驗采用Jonswap譜生成的不規(guī)則波，譜峰升高因子γ設(shè)置為3.3，所有浪高儀通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)同步采集，浪高儀采樣頻率為50 Hz，采樣時長為1 200 s。

(1)

式中：fp是入射波的譜峰頻率。

表1 防浪建筑物位置L變化時G6～G9浪高儀與礁緣的距離

2 結(jié)果分析

2.1 波浪譜、短波波高、低頻長波波高、平均水位的沿礁分布

圖2以典型工況(HS0=0.08 m，TP=1.5 s和hr=0.05 m)為例，展示了4種防浪建筑物位置L影響下4個代表性測點G1(遠(yuǎn)海處)、G5(礁緣附近)、G7(礁坪中部)和G9(海岸線附近)的波浪頻譜圖，圖中垂直虛線為短波和低頻長波的界限頻率，波浪頻譜通過對數(shù)據(jù)采樣中200～1 200 s的數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅里葉變換并每隔40個相鄰頻段進(jìn)行平滑處理后得到。由圖2可知，G1附近存在少量的低頻長波能量，這是由受到的礁體反射的低頻長波造成的[14]。在G5附近，波浪發(fā)生破碎，短波區(qū)間尤其是短波的主頻附近(f=0.67 Hz)能量衰減劇烈，低頻長波區(qū)間能量有了一定的增長，這是由于群波效應(yīng)引起的破碎點移動產(chǎn)生了低頻長波(見2.3節(jié))。波浪在礁坪上繼續(xù)向岸傳播時，短波能量由于礁坪摩擦繼續(xù)減少，低頻長波能量由于共振放大效應(yīng)而沿礁增大(見2.3節(jié))。波浪傳播到達(dá)海岸附近(G9)時，短波能量已大幅削弱，而低頻長波能量則達(dá)到最大值。對于不同L的情況，短波的能量隨著L的增加而減小，特別是在海岸附近(G9)，僅在L=2 m時在主頻附近剩余少許能量；低頻長波的能量隨著L的增加而減小，但是L=6 m時的能量要略大于L=8 m，這與圖4(b)對應(yīng)，其對應(yīng)的機(jī)理也將在2.3節(jié)進(jìn)行解釋。

圖2 防浪建筑物位置變化時波浪譜的沿礁變化Fig. 2 Cross-shore variations of wave spectra with varying breakwater locations

圖3 無量綱短波波高、低頻長波波高和平均水位的沿礁變化Fig. 3 Cross-shore variations of normalized swell wave height, infragravity wave height and mean water level

2.2 防浪建筑物附近短波波高、低頻長波波高和波浪增水的變化規(guī)律

圖4 防浪建筑物附近(G9位置)無量綱短波波高、低頻長波波高和增水隨防浪建筑物相對位置的變化Fig. 4 Variations of normalized swell wave height, infragravity wave height and wave setup near the breakwaters with different relative breakwater locations

2.3 有關(guān)低頻長波產(chǎn)生和礁坪共振的討論

基于典型波浪(HS0=0.08 m，TP=1.5 s，hr=0.05 m)下4種防波堤位置的工況數(shù)據(jù)，首先評估珊瑚礁模型造成的反射波與入射波疊加后在外海側(cè)(水槽的深水區(qū))可能形成的駐波對試驗結(jié)果的影響。圖5(a)展示了位于礁前斜坡位置G4處(波浪破碎之前)的波浪低頻區(qū)間頻譜，圖中垂直點線為水槽一到五階共振頻率，由圖5(a)可知，G4位置處波浪頻譜的峰值以及次峰值，剛好位于一至五階水槽共振頻率附近。其中水槽共振周期可由式(2)計算得到：

(2)

圖5 低頻長波產(chǎn)生及其共振的機(jī)理分析Fig. 5 Mechanism analysis of infragravity wave generation and resonance

(3)

3 結(jié) 語

通過物理模型試驗對防浪建筑物影響下珊瑚礁海岸附近波浪傳播變形問題進(jìn)行了研究，測試了4種防浪建筑物位置變化下的一系列不規(guī)則波工況。主要結(jié)論如下：

1) 波浪在沿礁傳播過程中，短波波高沿礁坪持續(xù)衰減，低頻長波波高沿礁坪逐漸增大，平均水位則在礁坪上以增水的形式基本維持不變；海岸線附近低頻長波和短波處出于同一個數(shù)量級，且均大于波浪增水，是海岸爬高的主要貢獻(xiàn)成分。

2) 海岸附近短波波高隨著防浪建筑物與礁緣距離的變大而減小，低頻長波則在防浪建筑物處于礁坪后部(L=6 m)時達(dá)到最大，防浪建筑物位置的變化對于礁坪波浪增水的影響可以忽略。

3) 通過理論進(jìn)行機(jī)理分析發(fā)現(xiàn)，低頻長波是由群波破碎造成的破碎點的移動產(chǎn)生；防浪建筑物位置的變化改變了珊瑚礁地形的固有共振頻率，在相同的入射波作用時，對于特定位置的防浪建筑物，低頻長波在礁坪上會發(fā)生一階共振效應(yīng)達(dá)到能量最大。研究成果將可為我國島礁防浪建筑物的設(shè)計和維護(hù)提供一定的參考。