吳 建，拾 兵，范菲菲，陳 舉，那 婧

(1.中國(guó)海洋大學(xué)工程學(xué)院，山東 青島 266100;2.海軍92854部隊(duì)，廣東 湛江 254002)

沙質(zhì)海岸對(duì)沿海城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展起到巨大推動(dòng)作用.然而，隨著世紀(jì)性海平面上升以及風(fēng)暴潮發(fā)生頻率的增多，面對(duì)日益侵蝕的旅游黃金海灘，采取環(huán)境友好、利于海灘資源發(fā)揮效益的防沖促淤工程，已成為近岸工程發(fā)展趨勢(shì)和漁業(yè)生態(tài)研究的熱點(diǎn)問(wèn)題.從工程角度而言，修筑丁壩、順壩等實(shí)體建筑物或建樁柱、拋擲四面六方體、架設(shè)鐵絲網(wǎng)、拋投柔性浮簾等透水結(jié)構(gòu)，以及在灘面種植紅樹(shù)林、互花米草等植物都對(duì)泥沙防沖淤積起到較好的效果［1］;但對(duì)以旅游開(kāi)發(fā)為目的的海灘缺乏一定的適用性.具有與自然礁相似特征的人工魚(yú)礁淹沒(méi)放置近岸海床，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)，而且以其獨(dú)特的流場(chǎng)效應(yīng)，較好地削弱掩護(hù)區(qū)的水動(dòng)力強(qiáng)度，減弱波浪挾沙能力，促使超飽和懸沙落淤，且通過(guò)對(duì)水質(zhì)點(diǎn)水平運(yùn)動(dòng)離岸流速的阻減，防止底層泥沙離岸虧損.多孔人工魚(yú)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)及生態(tài)效果［2－3］，為了系統(tǒng)認(rèn)識(shí)消浪防沖規(guī)律，本文擬通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)已有投放的中空方形多孔魚(yú)礁進(jìn)行單排礁壩的斷面試驗(yàn)研究，旨在揭示該類人工魚(yú)礁的消浪及阻流規(guī)律，為近岸布置魚(yú)礁群養(yǎng)護(hù)岸灘，開(kāi)發(fā)海灘垂釣、潛泳等功能提供科學(xué)依據(jù).

1 理論分析

波浪作用下深水近底水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡為封閉曲線，底層泥沙向岸和離岸輸移總量接近于0.隨著波浪向岸運(yùn)動(dòng)，波浪淺水作用明顯，底層水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡呈現(xiàn)不封閉的現(xiàn)象.若向岸速度大而歷時(shí)短，離岸速度小而歷時(shí)長(zhǎng)，則將促使底層較粗的沉積物發(fā)生向岸搬運(yùn)，較細(xì)的泥沙離岸輸移，存在向岸凈輸沙量，利于保灘;反之，向岸速度小而歷時(shí)長(zhǎng)，離岸速度較大而歷時(shí)短，則將促使底層較粗的沉積物發(fā)生離岸搬運(yùn)，較細(xì)的泥沙向岸運(yùn)動(dòng)，存在離岸凈輸沙量，造成近岸侵蝕，不利于保灘促淤.

波浪單獨(dú)作用下水體挾沙能力可表示為［4］

式中:α，β為系數(shù);γ和γs分別為水和泥沙的重度;d為水深;ω為沉速;H，T為波高和周期.

從式(1)可見(jiàn)，波浪挾沙能力與波高的平方成正比，若通過(guò)構(gòu)筑物削減相同水深對(duì)應(yīng)的波高，則可形成懸浮泥沙在水體中的超飽和，進(jìn)而為泥沙落淤提供有利動(dòng)力環(huán)境.

2 物理模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)

波浪物理模型試驗(yàn)采用正態(tài)模型且根據(jù)重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)，試驗(yàn)岸灘剖面為調(diào)查選取的典型剖面，在圖1中為填充部分，具體參見(jiàn)圖8中的初始地形.幾何比尺為1∶20，模型沙中值粒徑約為0.3 mm.試驗(yàn)在長(zhǎng)30.0 m，寬0.6 m，深1.0 m的規(guī)則波水槽中進(jìn)行.水槽一端為推板式造波機(jī)，另一端為消能設(shè)施.人工魚(yú)礁在沙質(zhì)海區(qū)沉降穩(wěn)定后有效高度大大減?。?］.為防止魚(yú)礁沖刷沉陷，工程實(shí)踐中可在底部安裝防護(hù)墊，在魚(yú)礁各面夯入固定栓(圖中為礁體下部白色柱體)防止滑移.單個(gè)模型礁體的尺寸為a×b×c=10 cm×10 cm×10 cm，中空無(wú)底無(wú)蓋，壁厚為5 mm，每個(gè)側(cè)面均有4個(gè)相同開(kāi)孔，孔直徑為2 cm.單個(gè)及單排魚(yú)礁的立體圖如圖2所示.

圖1 波浪模型試驗(yàn)布置Fig.1 Cross-section of wave flume model

圖2 魚(yú)礁單體及單排礁壩布置Fig.2 A reef and the configuration of single-row reefs

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 波浪透射系數(shù)結(jié)果分析

將平底上潛堤的透射系數(shù)定義為潛堤前后波高的比值，國(guó)內(nèi)外部分學(xué)者對(duì)各種型式潛堤的透射系數(shù)研究較多且給出了經(jīng)驗(yàn)公式［2，6－10］，但沒(méi)有考慮波浪在斜坡上傳播的非線性影響.陳杰［11］在研究中以修建潛堤后的堤后波高與修建潛堤前該位置波高的比值為斜坡上潛堤透射系數(shù)，從而對(duì)斜坡上潛堤消浪效果進(jìn)行更為實(shí)際的評(píng)價(jià).沖刷水深附近的波浪因素對(duì)岸灘泥沙運(yùn)動(dòng)的影響最為重要［12］.本文借鑒陳杰闡述的斜坡上潛堤透射系數(shù)的概念，定義斜坡上多孔人工魚(yú)礁的波浪透射系數(shù)為沖刷水深前某處(試驗(yàn)為④浪高儀處)魚(yú)礁放置前后波高的比值，即k=H'/H，其中H'為拋填魚(yú)礁后的波高，H為無(wú)魚(yú)礁時(shí)該位置的波高.

人工魚(yú)礁對(duì)水體的阻減呈上部增強(qiáng)底部減弱的規(guī)律，可防止底床泥沙在水流作用下發(fā)生離岸虧損［13］.波浪作用下礁體對(duì)波谷時(shí)上層水質(zhì)點(diǎn)離岸流速的增強(qiáng)，將對(duì)下一波峰水體向前運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生碰撞，促使波能耗散，同時(shí)礁體自身形狀等對(duì)波浪的摩阻引起波浪破碎，可進(jìn)一步消減波能.通過(guò)分析可知影響人工魚(yú)礁透射系數(shù)的因素包括:水深d，堤頂平均水深R，堤頂寬度B，魚(yú)礁距離參考岸線(x=0)的位置X，魚(yú)礁滲透性S，魚(yú)礁幾何形狀J，入射波高H0和波周期T等，用公式可表示如下:

試驗(yàn)中魚(yú)礁的滲透性及魚(yú)礁的幾何形狀固定不變，主要考慮入射波高H0，水深d及魚(yú)礁距岸位置X等對(duì)透射系數(shù)的影響.

3.1.1 魚(yú)礁相對(duì)位置對(duì)透射系數(shù)的影響 魚(yú)礁放置于岸灘不同的位置，入射波到達(dá)礁體時(shí)波浪要素不盡相同，礁體對(duì)波浪產(chǎn)生不同程度的折減，試驗(yàn)在保持入射波要素(H=14 cm，T=1.67 s)、水深(d=6.75 cm)、地形等條件不變的情況下，通過(guò)改變魚(yú)礁的位置，測(cè)取魚(yú)礁折減后波高，進(jìn)而得到如圖3(a)所示的透射系數(shù)與相對(duì)位置的關(guān)系，相對(duì)位置用魚(yú)礁到參考點(diǎn)距離X與入射波長(zhǎng)L的比值表示.從圖3(a)中可以看出，當(dāng)魚(yú)礁距參考線位置約為1.5倍入射波長(zhǎng)時(shí)，魚(yú)礁對(duì)波浪的折減效果較好，其透射系數(shù)約為0.7，而當(dāng)魚(yú)礁距岸位置大于2.8倍入射波長(zhǎng)時(shí)，透射系數(shù)大于1.0，說(shuō)明人工魚(yú)礁在此位置不僅不能減弱波能，相反會(huì)匯聚波能，使波高增加，對(duì)岸灘穩(wěn)定性造成不利影響.

3.1.2 入射波高對(duì)透射系數(shù)的影響 因入射波高不同，地形變化引起的波浪形態(tài)的變形也不同，從而使魚(yú)礁對(duì)波浪的消減效果產(chǎn)生影響，保持入射波周期、水深等條件不變，得到入射波高與透射系數(shù)的關(guān)系如圖3

(b).可見(jiàn)透射系數(shù)隨波高的增大呈現(xiàn)先減小后增大中間有谷值的規(guī)律.試驗(yàn)條件下，魚(yú)礁對(duì)2～3 m的入射波消減效果較好.

3.1.3 水深對(duì)透射系數(shù)的影響 水深d的不同，礁體的淹沒(méi)水深也將隨之變化，而礁體的淹沒(méi)水深是影響消浪效果的重要因素.同時(shí)水位對(duì)波浪的淺水變形影響也較大，可使魚(yú)礁處的波形改變.試驗(yàn)先找出不同水位下同周期時(shí)達(dá)到同一波高的造波參數(shù)，且保證各水位下波浪都不會(huì)在到達(dá)魚(yú)礁前破碎，而后進(jìn)行不同水位、相同入射波條件下的研究.透射系數(shù)隨水位變化如圖3(c)所示，可見(jiàn)透射系數(shù)與水深的關(guān)系較為復(fù)雜，

且出現(xiàn)透射系數(shù)大于1.00的情況，而消浪較好時(shí)的透射系數(shù)也達(dá)到0.92左右，這說(shuō)明單排魚(yú)礁對(duì)非破波的消浪效果不好且可能造成波能匯聚.

圖3 相對(duì)位置、入射波高和水深對(duì)透射系數(shù)的影響Fig.3 The impacts of relative position，incident wave height and water depth on transmission coefficients

3.2 波浪水質(zhì)點(diǎn)水平運(yùn)動(dòng)速度分析

波浪水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡不封閉，將會(huì)產(chǎn)生凈輸移水流，從而造成泥沙的凈輸移;對(duì)于底沙而言，近岸的凈向岸輸移，會(huì)促使泥沙脫離底床而推向海岸.本文借助聲學(xué)多普勒流速儀(ADV)測(cè)量單排魚(yú)礁作用下其前后斷面水質(zhì)點(diǎn)水平速度的分布規(guī)律.試驗(yàn)的入射波高H1/3=14 cm，周期T=1.67 s，水深d=6.75 cm，魚(yú)礁放置距岸1.5倍入射波長(zhǎng)處.

圖4 礁體前后底層水質(zhì)點(diǎn)水平運(yùn)動(dòng)速度Fig.4 The horizontal velocity of water particle at the bottom in front and behind the reef

3.2.1 魚(yú)礁前后底層水質(zhì)點(diǎn)水平運(yùn)動(dòng)速度分析 圖4為礁前后底層水質(zhì)點(diǎn)水平運(yùn)動(dòng)速度.比較礁后5倍礁長(zhǎng)處與礁前5倍礁長(zhǎng)處水質(zhì)點(diǎn)水平運(yùn)動(dòng)速度可以發(fā)現(xiàn):波浪水質(zhì)點(diǎn)向岸流速(2 s前)歷時(shí)縮短，且速度降低30%左右，減少礁后底床泥沙沖刷量.0.5倍礁前水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡不封閉明顯，向岸流速較大但持續(xù)時(shí)間較短，而離岸流速較小但持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng);向岸流水體脈動(dòng)較強(qiáng)，為礁前局部范圍泥沙懸浮提供條件.在0.5倍礁后，底層水質(zhì)點(diǎn)向岸歷時(shí)最小而歷時(shí)較長(zhǎng)的離岸流速明顯減小，基本在0 m/s附近，這是魚(yú)礁后及內(nèi)部懸浮泥沙沉積的原因.

3.2.2 魚(yú)礁前后上部水質(zhì)點(diǎn)水平運(yùn)動(dòng)速度分析 從圖5礁前后頂部水質(zhì)點(diǎn)水平運(yùn)動(dòng)速度可以看出，礁前水質(zhì)點(diǎn)離岸流速在下一個(gè)波峰到來(lái)前后，水體紊動(dòng)劇烈，這對(duì)于波能耗散能夠起到積極作用;同時(shí)在礁后一定范圍內(nèi)，因波浪破碎，波峰時(shí)刻水質(zhì)點(diǎn)流速也出現(xiàn)較短時(shí)間的劇烈脈動(dòng)，進(jìn)一步削減波能，改變波行進(jìn)形態(tài)，為改善內(nèi)破波區(qū)波浪破碎形態(tài)、防止卷破波挾沙離岸運(yùn)移提供保障.

圖5 礁體前后頂部水質(zhì)點(diǎn)水平流速Fig.5 The horizontal velocity of top water particle at the bottom in front and behind the reef

圖6 人工魚(yú)礁防護(hù)下岸灘地形變化Fig.6 Shoreline adjustment due to offshore reefs

圖7 魚(yú)礁位置對(duì)岸灘地形的影響Fig.7 Shoreline adjustment due to offshore reefs located different positions

圖8 礁體堤頂水深對(duì)岸灘地形的影響Fig.8 Shoreline adjustment due to the crest depth of offshore reefs

3.3 岸灘地形響應(yīng)

3.3.1 人工魚(yú)礁防護(hù)下岸灘地形的響應(yīng) 試驗(yàn)條件與水質(zhì)點(diǎn)分析的相同，在波浪作用4.5 h后對(duì)岸灘地形進(jìn)行精細(xì)測(cè)量，結(jié)果如圖6所示.從圖中可以看出人工魚(yú)礁能夠有效穩(wěn)定岸灘地形，坦化灘面.以距岸灘參考線位置60和100 m左右可將地形變化分為3部分.從水邊線至60 m左右為波浪上爬及回流區(qū)，可以看出泥沙在上爬頂部沉積，60 m左右為破波線附近，水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡的不對(duì)稱引起的泥沙向岸運(yùn)動(dòng)受到沿坡面向下的回流及重力的阻抗，以致所有底床顆粒在此處往復(fù)擺動(dòng).60～100 m區(qū)域也是泥沙沉積區(qū)，這與魚(yú)礁消減波浪后，水體挾沙能力下降促使懸浮泥沙沉積有關(guān)，波浪水質(zhì)點(diǎn)隨著水深變淺，運(yùn)動(dòng)軌跡逐漸改變，在100 m附近為岸灘泥沙運(yùn)動(dòng)中立點(diǎn)，沒(méi)有泥沙的沖淤.100 m以外為波浪刷底區(qū)，底層水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡不封閉，促使該區(qū)域泥沙向岸運(yùn)移.

3.3.2 魚(yú)礁布置位置對(duì)岸灘地形的影響 試驗(yàn)保持波浪等條件不變僅改變魚(yú)礁位置，量取波浪作用一定時(shí)間后的地形變化.從圖7可以看出魚(yú)礁位于不同位置時(shí)，岸灘地形的2個(gè)動(dòng)態(tài)平衡點(diǎn)位置不同，魚(yú)礁位置遠(yuǎn)離岸線，因堤頂水深較大，魚(yú)礁不僅起不到消浪效果反而會(huì)聚集波能，在近岸可形成卷破波，出現(xiàn)深槽沙壩地形.魚(yú)礁距岸1倍入射波長(zhǎng)時(shí)，灘肩淤積泥沙較多，但容易形成瀉湖地形，且出現(xiàn)一定幅度的沙壩－深槽地形.距岸1.5倍入射波長(zhǎng)時(shí)，灘面坡度變小，且灘肩有適量泥沙淤積，為試驗(yàn)條件下較理想的布置位置.

3.3.3 礁體淹沒(méi)水深對(duì)岸灘地形的影響 試驗(yàn)保持入射波浪、魚(yú)礁位置(距岸1.5倍入射波長(zhǎng)處)等條件不變，通過(guò)改變水位來(lái)研究礁體淹沒(méi)水深不同對(duì)岸灘地形響應(yīng)的影響.從圖8可以看出魚(yú)礁在堤頂水深較小時(shí)(小于0.9 m)后方岸灘地形較穩(wěn)定，而礁體堤頂水深較大時(shí)，不僅在距岸40～70 m處出現(xiàn)深槽－沙壩地形，而且灘肩泥沙淤積體較大，出現(xiàn)瀉湖.可見(jiàn)人工魚(yú)礁用作海灘防護(hù)時(shí)，在不影響景觀等因素的情況下，應(yīng)通過(guò)小型礁體壘砌、增大礁體尺寸等措施降低魚(yú)礁的堤頂水深.

4 結(jié)語(yǔ)

人工魚(yú)礁拋填近岸海底，通過(guò)增強(qiáng)水體頂部離岸流強(qiáng)度與波峰的向岸水體碰撞等起到耗散波能，對(duì)波峰水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的摩阻作用降低波高，改變波的行進(jìn)形態(tài)和波浪在近岸的破碎形態(tài)，防止波浪卷破造成的泥沙離岸虧損.同時(shí)魚(yú)礁使底層水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡不對(duì)稱增強(qiáng)，使礁后一定區(qū)域底層泥沙向岸運(yùn)移，可防止岸灘泥沙離岸虧損.從岸灘地形變化可見(jiàn)，人工魚(yú)礁對(duì)懸浮及底層泥沙沉積于灘面及灘肩起到較好的作用，同時(shí)坦化了灘面.對(duì)于礁前后區(qū)域的刷底現(xiàn)象，可適當(dāng)采取護(hù)底措施;魚(yú)礁拋填位置及礁體淹沒(méi)水深應(yīng)根據(jù)實(shí)際水動(dòng)力條件確定.

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