珊瑚島礁護(hù)岸對礁坪上極端波浪傳播特性的影響

陳松貴，鄭金海，王澤明，陳漢寶，張 弛

(1.海岸災(zāi)害及防護(hù)教育部重點(diǎn)實驗室(河海大學(xué)),江蘇南京 210098；2.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究院,天津 300456)

珊瑚礁地形復(fù)雜，呈現(xiàn)不同的坡度變化。遠(yuǎn)海地區(qū)的珊瑚礁地形多數(shù)為自1 000 m以上深水中凸出的環(huán)礁[1]，出水的礁坪水深很淺，同時珊瑚礁前常為1∶10～1∶0.5的陡坡，這與緩坡地形明顯不同，而這種坡度陡變的珊瑚礁地形對波浪的傳播和變形產(chǎn)生了很大的影響。珊瑚島礁護(hù)岸工程是保障后方建筑物安全穩(wěn)定的第一道屏障，為增大空間利用面積，護(hù)岸工程建設(shè)往往靠近礁緣，因而顯著縮短了礁坪寬度，限制了礁坪上方的波流傳播距離與能量耗散空間，進(jìn)而導(dǎo)致護(hù)岸前沿水位的抬升和波流動力的增強(qiáng)，對護(hù)岸工程本身的安全產(chǎn)生不利影響。

對于波浪在天然珊瑚礁地形上的傳播變形規(guī)律，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量研究，其中水槽物理模型試驗是最常用的研究手段。Gourlay[2-3]對島礁不同的平均水位和入射波高引起的波浪增水及波生流進(jìn)行了一系列的規(guī)則波試驗，發(fā)現(xiàn)當(dāng)平均水位遠(yuǎn)高于礁坪時，島礁水動力主要受礁坪底摩阻控制；當(dāng)平均水位等于或低于礁坪時，島礁水動力主要受礁緣波浪破碎的控制。在Gourlay的試驗中，沒有給出模型比尺，但考慮到礁坪上水深一般為0～2 m，根據(jù)水深比尺反推其試驗的最大原型波高為4.76 m。Yao等[4-5]在實驗室中對規(guī)則波和不規(guī)則波的破碎特征與礁坪水深和礁前坡度的關(guān)系進(jìn)行了研究，其模擬的最大原型波高為2 m。Hench等[6-7]對現(xiàn)場的波浪傳播變形規(guī)律進(jìn)行了研究，但觀測到的最大波高也僅限于2.6 m的平常波浪條件。對于島礁工程的安全穩(wěn)定，50年或100年一遇的重現(xiàn)期波浪是工程設(shè)計的控制工況，而上述研究均未涉及極端波浪的傳播特征。國內(nèi)學(xué)者趙子丹等[8]結(jié)合珊瑚礁地形，綜述了臺階式水深劇變地形上的波浪傳播研究進(jìn)展。張慶河等[9]對規(guī)則波在臺階地形上的破碎規(guī)律進(jìn)行了試驗研究，并給出了描述波浪臨界破碎、破碎帶寬及波浪衰減規(guī)律的經(jīng)驗公式。Shi等[10-11]采用數(shù)學(xué)模型和物理模型試驗研究了礁冠的存在和不同的礁冠寬度對波浪傳播變形及礁坪增水的影響，發(fā)現(xiàn)礁冠能顯著改變波浪在礁坪上的運(yùn)動特性。任冰等[12]研究了規(guī)則波在島礁地形上傳播變化特性。李紹武等[13]對不規(guī)則波在岸礁地形增水變化規(guī)律進(jìn)行了小水槽試驗研究。由于水槽尺度和模型比尺的限制，極端條件下的波浪在礁坪上的傳播特性考慮得比較少。陳松貴等[14-16]采用大水槽試驗分別對珊瑚礁地形上的波浪增水、胸墻受力和直立堤越浪量進(jìn)行了研究，但未詳細(xì)探討工程建設(shè)對礁坪上波浪傳播的影響。

在極端條件下，隨著波高的增大，波浪在礁緣處的破碎和紊動更加強(qiáng)烈，傳播特征也會與小波高的情況有所不同。同時，島礁護(hù)岸的修建阻斷了波浪的傳播路徑，使得波浪在礁坪上的傳播過程更為復(fù)雜。針對這些問題，本文將利用大比尺波浪水槽，通過對比分析礁坪上不同位置波高、波譜和增水在護(hù)岸工程修建前后的變化，分析珊瑚島礁護(hù)岸對礁坪上極端波浪傳播特性的影響，為珊瑚礁工程的設(shè)計提供依據(jù)。

1 試驗設(shè)置

1.1 試驗設(shè)備

本試驗在大比尺波浪水槽中完成。該水槽長456 m、寬5 m、高12 m。在水槽的一端為推板式造波機(jī)，造波系統(tǒng)采用計算機(jī)自動進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，最大造波能力為3.5 m，造波周期為2～10 s(圖1)。

圖1 大比尺波浪水槽Fig.1 Large scale wave flume

圖2 試驗布置Fig.2 Experimental arrangement

試驗采用弗勞德相似準(zhǔn)則，按照1∶15的模型比尺進(jìn)行設(shè)計。模型布置如圖2所示，主要包括3個部分：礁前的深水區(qū)、礁緣的陡坡區(qū)和礁坪平臺區(qū)。陡坡區(qū)的坡度設(shè)計值參考Gourlay關(guān)于珊瑚礁地形坡度研究中的模型D(Reefs in Malé，Madldives)，其中深水區(qū)水深5 m，前坡分3段，陡坡坡度為1∶1，1∶4和1∶15。平臺上設(shè)有直立式護(hù)岸，堤頂高0.6 m，頂寬0.15 m，底寬0.9 m。陡坡坡腳與造波機(jī)之間的距離為330 m，能較好地復(fù)演波浪從深水區(qū)經(jīng)過礁前陡變地形發(fā)生破碎，再傳播至礁坪上的強(qiáng)非線性物理過程[14]。

試驗斜坡和平臺采用方鋼管和鋼板分段焊接而成，試驗平臺上鋪有10 cm厚的混凝土以保持平臺高程一致，并且在鋼板和水槽壁間隙采用混凝土閉合以防止出現(xiàn)透水現(xiàn)象。水槽墻壁上端布置有6個高速攝像機(jī)，用來記錄波浪在礁坪上的傳播過程。

在護(hù)岸堤前每隔1 m放置1根波高傳感器測量礁坪上的破碎波高，護(hù)岸與礁緣之間的距離分為5，10，15和20 m，傳感器位置和編號如圖3所示，所有波高傳感器均采用電容式波高傳感器(圖4)進(jìn)行采集，傳感器精度均為2 mm，率定結(jié)果(圖4)表明水位和電壓有很好的線性關(guān)系。

圖3 試驗傳感器布置(試驗地形中護(hù)岸離礁緣15 m)Fig.3 Experimental sensor arrangement (revetment is placed 15 m away from the reef edge)

圖4 電容式波高傳感器Fig.4 Capacitive wave height sensor

1.2 試驗組次

試驗時的入射波均采用規(guī)則波，每種工況重復(fù)3次，試驗組次共包含3個水位、4個周期、6個入射波波高、護(hù)岸與礁緣之間的4個間距和無護(hù)岸的情況(如表1所示)，試驗波高的原型值可達(dá)4.5～12 m，能較好反映極端波浪條件。

表1 試驗組次Tab.1 Experimental group

1.3 試驗方法

為了提高模擬精度和造波效率，在試驗前，首先率定原始波要素。大比尺波浪水槽中的試驗制模周期長，為了加快試驗進(jìn)度，波浪的率定在模型安裝后進(jìn)行，此時水槽中的水位變化受到入射波和反射波的共同作用，無法直接得到入射波高。因此，波浪率定時采用入反射分離的方法，先得到準(zhǔn)確的入射波高，再通過調(diào)整造波機(jī)的輸入?yún)?shù)，使分離出的入射波的波高和周期滿足試驗規(guī)程要求。試驗前，在距水槽邊壁2.5 m，距陡坡邊緣50 m的深水處布置2根量程2 m的波高傳感器測量深水波浪，采用Sun等[17]提出的兩點(diǎn)式入反射分離方法，計算得到每組試驗的入射波見圖5。

每組試驗開始前均以靜水面為零點(diǎn)，試驗中在第1個波浪到達(dá)深水波高儀時開始采集波高，所有波高傳感器通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)同步測量，采樣頻率為50 Hz。為避免試驗受到二次反射波的影響，每組試驗波浪的采集時間為30個波，均在二次反射波到達(dá)前停止采集。每組試驗重復(fù)3次，最終結(jié)果為3次測量數(shù)據(jù)的平均值，單次間采集數(shù)據(jù)誤差均小于5%，證明試驗重復(fù)性良好。

圖5 深水處的入射波(Hi)和反射波(Hr)波高Fig.5 Wave height of incident wave(Hi)and reflected wave(Hr)in deep water

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 護(hù)岸對波浪形態(tài)的影響

由于礁坪上存在護(hù)岸，會產(chǎn)生反射波，使波浪在礁坪上的破碎更加劇烈。同時，護(hù)岸與礁緣之間的距離不同，也會使波浪的破碎和形態(tài)變化有所區(qū)別。圖6給出了自然條件和護(hù)岸建設(shè)后極端波浪在礁坪上的傳播過程圖，從左到右分別為波浪在礁緣發(fā)生破碎、在破碎區(qū)傳播和破碎后繼續(xù)向內(nèi)傳播。對比發(fā)現(xiàn)，護(hù)岸建設(shè)后的波浪傳播形態(tài)呈現(xiàn)出如下特征：(1)破波形態(tài)仍為激破波，但受護(hù)岸的影響，向海運(yùn)動的反射波與入射波在礁緣斜坡處發(fā)生碰撞，礁緣處波峰抬高，引起更偏陡的波面和更強(qiáng)烈的破碎；(2)波浪破碎帶更寬，水體摻氣更為劇烈；(3)波浪在礁坪上傳播的過程中，仍會與反射波發(fā)生多次碰撞，使波浪能量的沿程演化十分復(fù)雜。

圖6 波浪傳播形態(tài)(紅線是波浪破碎帶寬度，藍(lán)線為護(hù)岸位置，箭頭表示波浪傳播方向)Fig.6 Wave propagation pattern (Red line is the wave fracture zone width,the blue line is for breakwater, the arrows represent wave propagation direction)

圖7給出了護(hù)岸建設(shè)前后不同位置處的波面過程線，其中，實線為存在護(hù)岸時工況，虛線為自然地形工況。各個測點(diǎn)所在的位置如圖3所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，礁坪上的波浪形態(tài)以段波為主，即水位上升過程歷時短，下降過程歷時長。護(hù)岸的建設(shè)顯著增加了礁坪上的水位，且越往礁坪內(nèi)傳播，水位的增加越顯著。

圖7 不同位置波面過程線(h=3.0 m,Hi=10.7 m,T=11.62 s)Fig.7 Different locations’ wave process lines (h=3.0 m,Hi=10.7 m,T=11.62 s)

2.2 護(hù)岸對波浪增水的影響

圖8給出了有護(hù)岸(S=75 m)和無護(hù)岸時的礁坪上最大增水的對比情況。礁坪增水ηp的定義為平均水位與靜止水位之間的差值。如圖8(a)所示，當(dāng)礁坪水深h=3.0 m時，不同周期下的堤前最大增水均大于同條件下無護(hù)岸時的礁坪上增水；當(dāng)礁坪水深減小(h=0 m)時，堤前增水仍大于無護(hù)岸時的增水位。這說明護(hù)岸的存在阻礙了礁坪波浪和水流的傳播，導(dǎo)致礁坪產(chǎn)生了明顯的壅水現(xiàn)象。

圖8 有護(hù)岸(Y，S=150 m)和無護(hù)岸(N)時的礁坪最大增水對比Fig.8 Comparison of the maximum wave setup in reef flat with revetment (Y,S=150 m)and without revetment (N)

圖9給出了有護(hù)岸(Y，S=150 m)和無護(hù)岸(N)時不同周期的礁坪增水差值，可以發(fā)現(xiàn)，護(hù)岸顯著增加了礁坪上的增水值，最大增水增加值超過3.5 m，是原來的4倍。這主要是由于護(hù)岸的修建使得礁坪上水體在護(hù)岸前累積。此外，隨著入射波高的增加和波周期的減小，護(hù)岸對增水的影響更加顯著。

Gourlay提出過估算礁坪時均水位的計算公式[2]：

(1)

式中：ηr為礁坪增水；Hi為入射波波高；T為入射波周期；g為重力加速度；hi為深水區(qū)水深；ε為由波形決定的無量綱因子(假設(shè)波面為正弦波時取1/2π)。

將入射波周期T=15.49 s時礁坪時均水位使用式(1)進(jìn)行計算，并與試驗中的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。如圖10所示，很明顯在3個不同的礁坪水深下，Gourlay的理論公式計算出的時均水位均大于試驗值。當(dāng)礁坪水深變化時，Gourlay公式計算結(jié)果相差較小，這與試驗得到的時均水位變化規(guī)律明顯不符。當(dāng)礁坪水深h=3 m時，礁坪時均水位會出現(xiàn)低于靜水位的情況，主要原因為極端波浪作用下，波浪破碎后產(chǎn)生較大的波生流，一方面使得礁坪上水體被帶到后方的瀉湖中，另一方面更多的能量轉(zhuǎn)化為水流動能，也使得水位下降，而Gourlay公式不適用于極端波浪和有護(hù)岸情況。究其原因，Gourlay公式是基于常浪條件下得到的，且未考慮護(hù)岸的影響。而本試驗的波浪條件均代表極端情況，波浪在礁緣的破碎更為強(qiáng)烈，疊加上護(hù)岸引起的反射波碰撞，導(dǎo)致波浪運(yùn)動有很大區(qū)別。

圖9 有護(hù)岸(Y，S=150 m)和無護(hù)岸(N)時不同周期的礁坪增水差值 Fig.9 Differences of water level setup on the reef flat for different wave periods with revetment (Y,S=150 m)and without revetment (N)

圖10 礁坪最大增水實測值與Gourlay公式計算結(jié)果的對比(T=15.49 s)Fig.10 Comparison between measured water maximum increase in reef flat and Gourlay formula (T=15.49 s)

2.3 護(hù)岸對波速的影響

通過分析相鄰波高傳感器波面過程線的時間差，計算得到波速C。如圖11所示，相鄰的波高傳感器WG4和WG5的波面過程線的時間差為dNdt(dN為相鄰波高傳感器采到波峰時的數(shù)據(jù)點(diǎn)差值，dt為采樣間隔，為0.02 s)，其間距為ΔL為1 m，波速C可通過式(2)計算得到：

(2)

圖11 相鄰波高傳感器波面過程線Fig.11 Water surface elevations from adjacent wave gauges

圖12給出了3 m水深條件下，不同入射波高工況下的波速變化規(guī)律，圖中所示波速為波浪從1號波高儀傳到10號波高儀過程中的平均波速?？梢钥闯觯孩?波速隨波高的增大而增大，這是典型的淺水區(qū)非線性波浪運(yùn)動特征；② 在相同波高下，波速隨周期增大而增大，這與淺水波速僅與水深有關(guān)的傳統(tǒng)認(rèn)識不一致。雖然礁坪上水深較淺，但由于礁前地形陡變，波浪沒有足夠的空間發(fā)生充分變形以適應(yīng)于局地水深，因此波速仍在一定程度上受到深水波周期的影響；③ 由于護(hù)岸工程的阻水效應(yīng)和反射波的影響，礁坪上的波速明顯減小。圖13給出了不同工況下護(hù)岸引起的波速減小幅度?？梢园l(fā)現(xiàn)，波速的減小幅度為20%～35%，波速的減小受周期影響較大，受入射波高的影響較小。周期越小，護(hù)岸對波速的影響程度越大。試驗結(jié)果還發(fā)現(xiàn)，實測的波速量值明顯超出線性波理論下的淺水波速公式計算結(jié)果。由于超過10 m/s的段波波速會對結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生較大的沖擊力，上述結(jié)果表明采用傳統(tǒng)公式會低估珊瑚島礁護(hù)岸工程在極端波浪條件下承受的沖擊效應(yīng)。

圖12 不同工況的礁坪上平均波速隨入射波高的關(guān)系(N：無護(hù)岸，Y：有護(hù)岸S=150 m)Fig.12 Relationship between average wave celerity and incident wave height on reef flat under different wave conditions (N:no revetment,Y:revetment S=150 m)

圖13 不同工況下護(hù)岸對波速的減小程度Fig.13 Wave celerity reduction under different wave conditions

2.4 護(hù)岸對波譜的影響

圖14給出了S=150 m時有護(hù)岸和無護(hù)岸的礁坪上不同位置的波譜?？梢钥闯觯徽撚袩o護(hù)岸，由于波浪破碎后的非線性相互作用，在主頻以外，均產(chǎn)生了高頻諧波。無護(hù)岸時，主頻能量會隨著傳播距離的增加迅速減小，而護(hù)岸的存在使得波浪的非線性相互作用更加復(fù)雜。在礁緣位置，反射波與入射波疊加，使得波浪在礁緣處的破碎更加強(qiáng)烈(見圖6)，因此能量耗散更多，主頻能量更低。隨著波浪向礁坪內(nèi)部傳播，主頻和高頻能量并不會迅速減小，在某些傳感器的位置，入反射波疊加的波腹位置主頻能量要高于礁緣處，且二階諧波的能量相對于無防波堤的工況會明顯增加。

圖14 有護(hù)岸(Y，S=150 m)和無護(hù)岸(N)珊瑚礁礁坪上不同位置的波譜(h=3.0 m，Hi=6.0 m，T=15.49 s)Fig.14 Comparison of wave spectrums at different locations on coral reef flat with (S=150 m)and without revetment (h =3.0 m,Hi=6.0 m,T=15.49 s)

2.5 堤前水位變化規(guī)律

珊瑚礁地形上存在護(hù)岸時，往往會出現(xiàn)壅水現(xiàn)象，礁坪壅水又會影響防浪建筑物的安全，所以堤前的水位決定了護(hù)岸的越浪量大小和護(hù)岸結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

圖15給出了護(hù)岸與礁緣距離S=150 m時同一礁坪水深h=3.0 m和0 時不同周期下的堤前時均水位。可以發(fā)現(xiàn)，礁坪水深h=3.0 m，入射波周期不變時，堤前時均水位隨著波高的增大而增高；當(dāng)礁坪水深和波高不變時，堤前時均水位隨著周期的增大而增高；當(dāng)礁坪水深變淺(h=0 m)時，變化趨勢與礁坪水深h=3 m的相同，當(dāng)入射波周期不變，堤前時均水位隨著波高的增大而增高；當(dāng)礁坪水深和波高不變，堤前時均水位隨著周期的增大而增高。

圖15 S=150 m時不同周期下的堤前時均水位Fig.15 The average water level before the dike in different periods(S=150 m)

圖16給出了周期T=11.62 s時不同距離下的堤前時均水位。如圖16所示，當(dāng)礁坪水深h=3.0 m，入射波周期T=11.62 s時，S=75 m的堤前時均水位最低；當(dāng)S=150 m時，堤前時均水位最大，隨后隨著距離的增大堤前時均水位有所減小。研究發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)這種現(xiàn)象是由于護(hù)岸離礁緣較近時，波浪與護(hù)岸相互作用產(chǎn)生的回流能夠流回到深水區(qū)，所以堤前時均水位較小，而當(dāng)護(hù)岸與礁緣之間的距離增大到150 m時，礁坪上的回流受阻，水流壅在礁坪上，使礁坪水位整體抬高，從而導(dǎo)致堤前時均水位增高；當(dāng)護(hù)岸與礁緣之間的距離繼續(xù)增大時，堤前礁坪面積增大，壅高的水位隨之減小，使堤前時均水位有所減小。

圖16 T=11.62 s，h=3.0 m時不同距離下的堤前時均水位Fig.16 The average water level in front of the dike at different distances (T=11.62 s and h=3.0 m)

3 結(jié) 語

采用1∶15的模型比尺，從波浪形態(tài)、增水、波速、波譜等方面，研究了珊瑚島礁護(hù)岸對礁坪上極端波浪傳播特性的影響規(guī)律，并分析了護(hù)岸距礁緣距離對堤前水位的影響，得到如下結(jié)論：

(1)護(hù)岸工程的建設(shè)對波浪傳播形態(tài)具有重要影響，反射波的存在使得礁緣處波浪破碎更為劇烈，波面更為復(fù)雜。

(2)護(hù)岸工程產(chǎn)生了明顯的阻水效應(yīng)，顯著降低了波速，增加了礁坪增水。波周期越小，阻水效應(yīng)越明顯。

(3)護(hù)岸工程影響了礁坪上的波浪譜分布，使得礁緣處的主頻能量更低，但在礁坪上的主頻及高頻能量均更高。

(4)護(hù)岸距礁緣距離對堤前水位具有重要影響，隨著該距離的增加，堤前時均水位呈現(xiàn)先增加后降低的規(guī)律。