賈美軍，姚 宇, 2，陳松貴，郭輝群

(1. 長(zhǎng)沙理工大學(xué) 水利工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410114; 2. 水沙科學(xué)與水災(zāi)害防治湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410114; 3. 交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究院，天津 300456)

近年來(lái)，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(tái)風(fēng)浪等極端波浪情況下時(shí)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(chēng)為礁緣(reef edge)。當(dāng)今，我國(guó)在南中國(guó)海開(kāi)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(jì)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(jì)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(zhǎng)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(zhǎng)波成分在某些情況下特別是由風(fēng)暴潮引起的高潮位時(shí)，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(xiǎn)[3]。

近些年，對(duì)于波浪在珊瑚礁地形上的傳播變形問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者開(kāi)展了大量研究，其中水槽模型試驗(yàn)是最常用的研究手段。Gourlay[4]基于一系列的珊瑚礁模型試驗(yàn)，系統(tǒng)地研究了規(guī)則波的傳播變形，增水和波生流問(wèn)題。丁軍等[5]通過(guò)水池模型試驗(yàn)對(duì)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(shí)驗(yàn)室研究了風(fēng)的存在對(duì)波浪增水和岸灘爬高的影響。Buckley等[7]通過(guò)物理模型試驗(yàn)研究了表面糙率對(duì)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(yàn)研究了波浪在珊瑚島礁周?chē)膫鞑プ冃翁匦浴Ｈ伪萚9]通過(guò)物理模型試驗(yàn)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(guò)波浪水槽試驗(yàn)分析了礁面糙率變化下珊瑚礁海岸附近的短波、低頻長(zhǎng)波和波譜的變化規(guī)律。

上述試驗(yàn)研究均未考慮防浪堤等島礁設(shè)施的存在對(duì)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(yàn)，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(guò)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(duì)珊瑚島礁護(hù)岸對(duì)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(duì)波浪在珊瑚礁地形上傳播變形產(chǎn)生的低頻長(zhǎng)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(guò)物理模型試驗(yàn)，研究防浪建筑物存在時(shí)珊瑚礁海岸附近波浪傳播變形(短波、低頻長(zhǎng)波、增水)的變化規(guī)律，重點(diǎn)分析海岸線(xiàn)附近低頻長(zhǎng)波的運(yùn)動(dòng)以及防浪建筑物位置變化的影響，研究成果將對(duì)我國(guó)島礁防浪建筑物位置的設(shè)計(jì)和維護(hù)具有一定的參考價(jià)值。

1 試驗(yàn)設(shè)置

試驗(yàn)在波浪水槽中進(jìn)行，該水槽尺寸為40 m×0.5 m×0.8 m(長(zhǎng)×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(zhǎng)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(yàn)當(dāng)中不發(fā)生越浪現(xiàn)象。珊瑚礁礁面的大糙率會(huì)對(duì)礁坪上短波和低頻長(zhǎng)波運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生顯著的衰減效應(yīng)以及破壞長(zhǎng)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(duì)波浪運(yùn)動(dòng)及礁坪共振的影響，在可控的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中采用PVC材料制作相對(duì)光滑礁面來(lái)減弱礁面糙率的影響。整個(gè)礁體物理模型通過(guò)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(yàn)設(shè)置Fig. 1 Experimental setup

試驗(yàn)中珊瑚礁地形的概化模型依據(jù)Becker 等[13]現(xiàn)場(chǎng)觀(guān)測(cè)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(yàn)測(cè)試了1個(gè)深水有效波高(HS0=0.08 m)、2個(gè)礁坪水深(hr=0.05 m， 0.10 m)、3個(gè)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(cè)試防浪建筑物4個(gè)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(xiàn)附近(距離礁緣L=8 m)對(duì)波浪傳播變形的影響。

試驗(yàn)采用電容式浪高儀測(cè)量自由液面高程的變化，具體排列方式見(jiàn)表1。在礁體模型外海側(cè)設(shè)置浪高儀G1、G2和G3用以測(cè)量分離入射波和反射波，G4設(shè)置在礁坪斜坡中部便于測(cè)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(cè)量破碎波。為監(jiān)測(cè)從礁緣向海岸線(xiàn)波浪的傳播變形過(guò)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(shí)，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(shí)，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(yàn)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(guò)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(shí)長(zhǎng)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(shí)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(zhǎng)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(gè)代表性測(cè)點(diǎn)G1(遠(yuǎn)海處)、G5(礁緣附近)、G7(礁坪中部)和G9(海岸線(xiàn)附近)的波浪頻譜圖，圖中垂直虛線(xiàn)為短波和低頻長(zhǎng)波的界限頻率，波浪頻譜通過(guò)對(duì)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(gè)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(zhǎng)波能量，這是由受到的礁體反射的低頻長(zhǎng)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(zhǎng)波區(qū)間能量有了一定的增長(zhǎng)，這是由于群波效應(yīng)引起的破碎點(diǎn)移動(dòng)產(chǎn)生了低頻長(zhǎng)波(見(jiàn)2.3節(jié))。波浪在礁坪上繼續(xù)向岸傳播時(shí)，短波能量由于礁坪摩擦繼續(xù)減少，低頻長(zhǎng)波能量由于共振放大效應(yīng)而沿礁增大(見(jiàn)2.3節(jié))。波浪傳播到達(dá)海岸附近(G9)時(shí)，短波能量已大幅削弱，而低頻長(zhǎng)波能量則達(dá)到最大值。對(duì)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(shí)在主頻附近剩余少許能量；低頻長(zhǎng)波的能量隨著L的增加而減小，但是L=6 m時(shí)的能量要略大于L=8 m，這與圖4(b)對(duì)應(yīng)，其對(duì)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(shí)波浪譜的沿礁變化Fig. 2 Cross-shore variations of wave spectra with varying breakwater locations

圖3 無(wú)量綱短波波高、低頻長(zhǎng)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(zhǎng)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(wú)量綱短波波高、低頻長(zhǎng)波波高和增水隨防浪建筑物相對(duì)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(zhǎng)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(píng)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(duì)試驗(yàn)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(diǎn)線(xiàn)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(jì)算得到：

(2)

圖5 低頻長(zhǎng)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(yǔ)

通過(guò)物理模型試驗(yàn)對(duì)防浪建筑物影響下珊瑚礁海岸附近波浪傳播變形問(wèn)題進(jìn)行了研究，測(cè)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?jìng)鞑ミ^(guò)程中，短波波高沿礁坪持續(xù)衰減，低頻長(zhǎng)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(xiàn)附近低頻長(zhǎng)波和短波處出于同一個(gè)數(shù)量級(jí)，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(zhǎng)波則在防浪建筑物處于礁坪后部(L=6 m)時(shí)達(dá)到最大，防浪建筑物位置的變化對(duì)于礁坪波浪增水的影響可以忽略。

3) 通過(guò)理論進(jìn)行機(jī)理分析發(fā)現(xiàn)，低頻長(zhǎng)波是由群波破碎造成的破碎點(diǎn)的移動(dòng)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(shí)，對(duì)于特定位置的防浪建筑物，低頻長(zhǎng)波在礁坪上會(huì)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(guó)島礁防浪建筑物的設(shè)計(jì)和維護(hù)提供一定的參考。