潛堤對平均沿岸流及波高和增減水的影響

謝栩鵬，沈良朵

（浙江海洋大學港航與交通運輸工程學院，浙江舟山 316022）

潛堤是在海岸線外合適距離的海域中建造基本與岸線相平行的淹沒在水面下的護岸建筑物。近年來，潛堤在國內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用。由于潛堤的存在，可以消散一部分波浪的能量，讓波浪的破碎提前，削弱波浪能，減弱對堤趾的侵害，從而使具有破壞性的波浪分裂，穩(wěn)定潛堤后面的水域，達到減弱海岸被侵蝕的工程目的。潛堤在保護岸線上扮演者十分重要的角色。而且潛堤在海面下，不會影響景觀，符合人們的審美要求，相比與丁壩等有明顯優(yōu)勢，因此潛堤逐漸成為越來越受歡迎并且值得推廣的護岸建筑物。很多學者對于潛堤開展了廣泛的研究。陳兆林[1]通過模型試驗，檢驗了在不同水深及波高情況下不同潛堤的波浪消散效果。CHO，et al[2]對規(guī)則波與組合潛堤的強反射進行實驗研究；汪文誠等[3]研究了規(guī)則波在潛堤前、后波高變化規(guī)律；JENG，et al[4]通過模型實驗研究波浪通過直墻前潛堤的傳播變形；RAMBABU，et al[5]討論了入射波、潛堤尺寸等對透射系數(shù)的影響效果；波浪經(jīng)過潛堤后的變形蔣昌波等[6]對其進行了研究。陳杰等[7]相對于波浪能量和潛堤頂部水深做了部分研究。沈良朵[8]對沿岸流的不穩(wěn)定性及其特征進行了相當研究。李鵬[9]對波浪在潛堤上傳播和破碎進行了相關(guān)研究。以上的成果主要是對潛堤作用下的波浪傳播變形以及反射透射相關(guān)的研究，潛堤對波高和增減水的相關(guān)研究還較少，而波高和增減水對海洋工程的作用力也有較大影響[10]。因此，潛堤對波高及增減水以及平均沿岸流的研究具有一定價值，它對于實際工業(yè)和生活具有一定的參考價值。

本文基于港池沿岸流實驗數(shù)據(jù)[11]通過設(shè)置潛堤以及設(shè)置不同離岸距離的潛堤，來分析潛堤對于波高和增減水以及平均沿岸流的影響。

1 實驗方法及實驗條件

為了研究潛堤對平均沿岸流及波高和增減水的影響，實驗場地在位于大連的海岸和近海工程國家重點實驗室多功能綜合水池，實驗水池長55.0 m、寬34.0 m、水深條件1.0 m。實驗坡道設(shè)置為1:40。為了減少受外部水流干擾試驗區(qū)域，波導墻被設(shè)置在造波機到坡腳處之間，為起消浪作用，將消浪網(wǎng)放在墻內(nèi)側(cè)。斜坡留有3 m距離。水池內(nèi)水體將由實驗產(chǎn)生的水位差帶動循環(huán)。圖1下部分圖片為地形剖面。ADV聲學多普勒流速儀作為本次實驗的測速儀，為達到實驗目的，本次實驗共用了28個。同時為了達到簡潔明了的效果，采用無線方式通信連接，如圖2所示。

圖1 實驗場地Fig.1 Experimental area

圖2 ADV通訊Fig.2 Communication between ADV and PC

每臺儀器頂部與實驗水池底的間隙為水深的1/3，且分為兩列安放在垂直與平行岸線方位。平行一列共有11臺儀器，平行一列儀器安置距岸線2.5 m。相鄰儀器間距為2 m。垂直方向安置18臺（一臺與平行方向共用），為了獲得更好的沿岸流剖面分布特征，采用不均勻間距布置，第一臺儀器距離岸線0.2 m，往后儀器距離前一臺儀器距離分別為0.4 m、0.4 m、0.3 m、0.3 m、0.4 m，在距離岸線 2～7 m 之間的每臺儀器間距是0.5 m，在距離岸線7～9 m之間的每臺儀器間距是 1 m（圖 3）。

2 潛堤對平均沿岸流的影響

基于不同波高及周期的規(guī)則波情況下（表1），在不設(shè)置潛堤及設(shè)置不同離岸距離的潛堤下沿岸流垂直岸方向速度和沿岸方向速度分布，如圖4所示，左圖是不同離岸距離下沿岸流垂直岸方向速度分布圖，右圖是沿岸方向速度分布圖。

圖3 流速儀布置圖Fig.3 The layout of velocity meters

表1 實驗波況表Tab.1 Wave cases in the experiment

從圖4可以看出，在波況Case1～Case4中，由于潛堤的存在，和未設(shè)置潛堤情況相比較，沿岸流垂直岸方向曲線會向y軸方向靠攏，表明垂直岸方向的沿岸流分布有整體向岸偏移的趨勢，在一定范圍內(nèi)（如潛堤離岸距離由4.5 m減少為4.0 m），潛堤離岸越近，沿岸流最大值近岸一側(cè)越向岸偏移。同時，沿岸方向速度分布曲線可以看出潛堤離岸越近，會使沿岸方向上游流速增加更明顯，并且使得總的沿岸方向的流速分布更均勻。Case1、Case3和Case4較明顯地反映了這一特征，Case2在最大值離岸一側(cè)也反映了這一特征，但在最大值近岸一側(cè)不加潛堤情況下比在離岸4.5 m處加潛堤更靠近岸線。Case2與Case4相比較，可以發(fā)現(xiàn)：在相同周期不同波高的波況條件下，波高越高，上述偏移趨勢越明顯。此外，當潛堤離岸距離近到一定程度時（如潛堤離岸距離從4.0 m減少為3.5 m），潛堤離岸距離較近，沿岸流整體向岸偏移的趨勢不明顯，以上潛堤對平均沿岸流的影響可能會有所變化，需要進一步模擬實驗確定。

3 潛堤對波高和增減水的影響

上節(jié)討論了規(guī)則波波況Case 1～Case 4不設(shè)置潛堤及設(shè)置不同離岸距離的潛堤情況下對平均沿岸流的影響，這里將進一步討論上述情況下的波高和波浪增減水變化特征，如圖5所示。圖5左圖中波高變化表明，增加潛堤會使得波浪破碎后波高分布有向岸偏移的趨勢，Case1和Case3這一趨勢表現(xiàn)較為明顯，當進一步改變潛堤離岸距離，使其由4.5 m減少為3.5 m的過程中，波浪破碎后的波高分布變化不明顯，這可能是由于該變化趨勢較小，波高儀測量精度有限造成的。Case2和Case4情況下，均能體現(xiàn)上述偏移趨勢，波高峰值沒有明顯變化差異。

與之類似，圖5右圖中波浪增減水也有相應(yīng)的變化趨勢，增減水分布曲線在x值0～6之間，曲線有變陡趨勢，表明增加潛堤會使得波浪由減水轉(zhuǎn)為增水的過程曲線變陡，潛堤的存在會使波浪的增減水幅度加劇，如Case3所示，但總的來說，該趨勢不明顯。變化潛堤位置后，波浪增減水的變化規(guī)律也不明顯。

圖4 沿岸流垂直岸方向速度分布（左）和沿岸方向速度分布（右）圖Fig.4 Cross-shore （left）and alongshore （right）distributions of longshore currents

圖5 波高（左）和增減水（右）分布圖Fig.5 Distributions of wave height and water level fluctuation

4 結(jié)論

本文在設(shè)置潛堤以及變換潛堤的位置的基礎(chǔ)上，分析潛堤對波高及增減水和平均沿岸流的影響，得出結(jié)論：（1）潛堤的存在會使垂直岸方向的沿岸流分布有明顯的向岸偏移趨勢，并且隨潛堤離岸越近，該趨勢加劇。而且，潛堤的存在會使得沿岸方向上游流速增加越大，使得該方向的流速更均勻的分布。（2）潛堤的存在會讓得波浪破碎后波高分布有向岸偏移的趨勢，同時會使得波浪由減水轉(zhuǎn)為增水的過程曲線變陡，但該趨勢不如流速分布變化趨勢明顯。