島礁環(huán)境波浪傳播、雍水及越浪量2D模型試驗(yàn)研究

李玉龍,夏運(yùn)強(qiáng),柳玉良

(海軍研究院,山東 青島266001)

南沙群島在赤道帶,西沙群島、中沙群島在副赤道帶,屬熱帶海洋性季風(fēng)氣候,長夏無冬,伴隨季風(fēng),每年10月至次年3月刮東北風(fēng),5月至9月刮西南風(fēng),平均每年發(fā)生臺(tái)風(fēng)6～7次,臺(tái)風(fēng)旺季為7-10月。國內(nèi)現(xiàn)有的海岸工程設(shè)計(jì)規(guī)范主要是針對(duì)大陸海岸,這些海岸通常為緩坡的海灘。島礁與大陸沿海地區(qū)的不同之處在于,它們與深水相鄰,暴露于非常大的臺(tái)風(fēng)波浪中,大多數(shù)為邊緣珊瑚礁,地形變化急劇,水深由幾十甚至上百米突變到1～2 m。外海波浪在礁盤邊緣處發(fā)生破碎,并沿著礁盤行進(jìn),波浪形態(tài)發(fā)生重大變化。由于外海波浪傳入礁盤上,使水位增加,而水位的增加使波浪能破壞更遠(yuǎn)的島上陸地,這進(jìn)一步增加了島礁海岸線上的徑流和洪水泛濫。浪涌和波浪之間的相互作用是非線性的,從而導(dǎo)致對(duì)熱帶氣旋浪潮造成最大淹沒的可靠估算更為復(fù)雜,而這對(duì)于確定島礁上護(hù)岸高程、護(hù)岸距離礁盤邊緣的距離等非常重要。

由于海浪與水位之間存在非線性相互作用,而且難以描述珊瑚礁的地形,因此對(duì)礁盤上的海浪進(jìn)行數(shù)值模擬仍然是一項(xiàng)艱巨的沿海工程挑戰(zhàn)。早期嘗試礁盤上的波浪模擬依賴于對(duì)模型的簡化,從而限制了在具有復(fù)雜形態(tài)的粗糙礁盤上應(yīng)用數(shù)值波浪模型的成功。另外,通常公認(rèn)非線性波波相互作用會(huì)導(dǎo)致靠近海岸線的水位發(fā)生強(qiáng)烈的低頻(次重力)[1-2]振蕩,與礁石型地形上的低頻振蕩相關(guān)的波徑估計(jì)可能明顯高于平原海灘。例如,在美國夏威夷考艾島上的伊尼基颶風(fēng)期間,某些地方的水位上升到6～8 m[3-5]。國內(nèi)對(duì)于島礁海岸的越浪量計(jì)算方法尚缺乏相關(guān)規(guī)范,護(hù)岸的前沿水深取礁盤上水位的高度設(shè)計(jì)將導(dǎo)致其高程偏低。

本文采用了一個(gè)簡化的毗鄰深水島礁地形二維物理模型,對(duì)周期固定波高變化的外海波浪條件作用于島礁開展研究。旨在研究島礁環(huán)境中外海波浪傳遞至礁盤上沿程的水動(dòng)力數(shù)據(jù),并測量距礁盤邊緣400 m處的護(hù)岸的越浪量,為島礁上水工建筑物設(shè)計(jì)與應(yīng)急管理提供設(shè)計(jì)參考依據(jù)。

1 二維物理模型試驗(yàn)研究方案

斷面試驗(yàn)地形礁盤邊緣斜坡剖面選取典型的陡變地形剖面,礁坪上高程約0 m,0～-6.0 m等深線間地形坡度相對(duì)較緩約1∶9,從-6.0 m至更深礁盤邊坡坡度變化加快。礁盤邊緣平均坡度約1∶3,遠(yuǎn)海島礁這種特殊的地形與近大陸的海岸地形差異較大。

1.1 試驗(yàn)設(shè)備和儀器

本研究在軍用港灣與島礁工程實(shí)驗(yàn)室波浪水槽內(nèi)進(jìn)行,水槽長84.0 m、高2.6 m、寬1.4 m。有效試驗(yàn)寬0.6 m。波浪水槽布置見圖1。礁盤0 m高程邊緣布置在離造波機(jī)45 m處,邊緣處水槽一端安裝有低慣量直流電機(jī)式不規(guī)則造波機(jī),造波機(jī)由計(jì)算機(jī)控制；水槽另一端安裝有消能設(shè)施,其反射率滿足試驗(yàn)規(guī)程要求；GA1～GA10浪高儀的布設(shè)情況為,礁盤0 m高程邊緣處為GA6傳感器,此處水深根據(jù)水位不同而有變化,1#～5#傳感器間距100 m(原型值,下同),GA5～GA7間距50 m,GA7～GA10間距100 m。

圖1 波浪水槽及護(hù)岸概化斷面結(jié)構(gòu)Fig.1 A sketch map of the wave flu me and the revet ment generalized section

1.2 模型設(shè)計(jì)

模型設(shè)計(jì)遵照《波浪模型試驗(yàn)規(guī)程》(JTJ/T 234-2001)[6]的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行。模型比尺的確定綜合考慮礁盤突變地形、水深波浪條件、試驗(yàn)研究內(nèi)容、試驗(yàn)水槽規(guī)模和造波機(jī)性能等因素取幾何比尺λ=60。在現(xiàn)有條件下盡可能模擬更深的水深,以便更好地體現(xiàn)島礁波浪的水動(dòng)力特性,綜合考慮模擬水深底高程為-60 m。試驗(yàn)采用不規(guī)則波,譜型為JONSWAP譜,率定波浪的位置在GA4測點(diǎn)處。平均1個(gè)波列100個(gè)波,采樣間隔為0.021 s,采樣長度8 192次。

1.3 試驗(yàn)條件

1.3.1 水位(當(dāng)?shù)乩碚撟畹统蔽黄鹚?

所涉項(xiàng)目海域潮差較小,根據(jù)前期測量數(shù)據(jù),試驗(yàn)水位取3個(gè),分別為極端高水位2.09 m,設(shè)計(jì)高水位1.32 m,設(shè)計(jì)底水位0.04 m。

1.3.2 波浪條件

1.3.3 研究內(nèi)容

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 波高及雍水試驗(yàn)結(jié)果

由于礁盤毗鄰深水,邊坡坡度變化快,外海波浪遇礁盤產(chǎn)生強(qiáng)烈的破碎波流,波高勢能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能,與一般海岸帶波浪破碎形態(tài)差異較大。波浪傳播上礁盤后沿礁坪傳播發(fā)生顯著轉(zhuǎn)變,在傳播過程中,由于礁坪上的水深較外海水深淺,水體短時(shí)間無法排泄產(chǎn)生明顯的雍水,并且波浪在淺灘和岸礁處發(fā)生破碎產(chǎn)生急劇的白浪花。

在水槽中測量礁盤邊緣0 m等深線附近沿程10個(gè)傳感器的平均波高()和雍水高度(h)(浪高儀配套數(shù)據(jù)分析軟件可分析出1個(gè)波列雍水的平均水位即為雍水高度),所測數(shù)據(jù)列表如表1所示,并將數(shù)據(jù)做圖(圖2,篇幅關(guān)系只給出極端高水位)。試驗(yàn)過程中觀察到,礁盤邊緣外GA5測點(diǎn)的略有下降,上礁坪后GA6測點(diǎn)的波高增高,然后GA7～GA9測點(diǎn)波高值大幅下降。在低水位時(shí),淺灘現(xiàn)象更加明顯,且雍水高度(h)較高水位大。

表1 礁盤沿程的波高和雍水Table 1 The wave height and setup on the reef plate

在實(shí)驗(yàn)過程中,礁盤邊緣觀察到了強(qiáng)勁的回流,該水流會(huì)延伸到礁石坡度的外側(cè),類似于堰流。由于礁坪上的波流速度較高,因此預(yù)期在外海波浪周期越長的回流強(qiáng)度越大。此外,礁坪涵蓋了很長一段很淺的距離,其回流強(qiáng)度比在內(nèi)陸典型沿海海灘沿岸沖浪區(qū)的大。本節(jié)試驗(yàn)礁盤模型上未放置護(hù)岸模型,為原始礁盤。

2.2 越浪試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)測量了距離礁盤0 m等深線400 m處直立建筑物(高程+6.57 m)單位寬度的越浪量,并按下式換算成原型值,計(jì)算單寬平均越浪量:

圖2 極端高水位(s)=11.8 s,=6.7 m波浪的傳播變形Fig.2 Transfor mation of the waves with (s)=11.8 s,=6.7 m at extre mely high water level

式中:q為單寬平均越浪量,單位為m3/(m·s)；V為1個(gè)波列即100個(gè)波浪作用下的總越浪水量,單位為m3；b為收集越浪量的接水寬度,單位為m；t為1個(gè)波列作用的持續(xù)時(shí)間,單位為s。

表2 外海波能和對(duì)應(yīng)越浪量值Table 2 Wave energy and corresponding wave overtopping in the open sea

圖3 外海波能和對(duì)應(yīng)越浪量關(guān)系Fig.3 Relation bet ween wave energy and corresponding wave overtopping in the open sea

3 結(jié)論及展望

外海波浪傳遞至礁盤上沿程的水動(dòng)力十分復(fù)雜,目前難于用數(shù)值計(jì)算方法進(jìn)行模擬。本文采用1∶60的模型比尺,簡化礁盤地形的二維物理模型,測量了3種水位7個(gè)入射波高距礁盤邊緣400 m處護(hù)岸的越浪量并開展了分析,得出以下結(jié)論,為島礁上水工建筑物設(shè)計(jì)與應(yīng)急管理提供了設(shè)計(jì)參考依據(jù)。

1)在平均坡度為1∶3的礁盤,測量了特定波高情況下礁盤沿程平均波高和雍水高度(h)。礁盤邊緣外的GA5測點(diǎn)平均波高略有下降,上礁坪后GA6測點(diǎn)平均波高超過7 m,然后GA7～GA9測點(diǎn)波高值大幅下降,礁坪上3個(gè)水位的雍水高度均超過1.5 m,設(shè)計(jì)低水位時(shí)甚至超過2 m。

2)距礁盤邊緣400 m處護(hù)岸越浪量與外海波浪能量呈現(xiàn)良好的正相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)(R2)達(dá)到0.97。

本文只研究了平均周期為13.3 s時(shí)不同波高的越浪量,由于島礁一般處于波浪條件復(fù)雜的環(huán)境,下一步的研究工作將增加多組周期,預(yù)計(jì)取波浪周期范圍7～17 s,以及調(diào)整護(hù)岸與礁緣距離、護(hù)岸堤頂高程等,以給出更加符合島礁環(huán)境特征的計(jì)算結(jié)果,為工程度建設(shè)和島礁管理提供更為豐富、實(shí)用的依據(jù)。