单排方形多孔鱼礁保滩促淤的试验研究

吴 建，拾 兵，范菲菲，陈 举，那 婧

(1.中国海洋大学工程学院，山东 青岛 266100;2.海军92854部队，广东 湛江 254002)

沙质海岸对沿海城市经济发展起到巨大推动作用.然而，随着世纪性海平面上升以及风暴潮发生频率的增多，面对日益侵蚀的旅游黄金海滩，采取环境友好、利于海滩资源发挥效益的防冲促淤工程，已成为近岸工程发展趋势和渔业生态研究的热点问题.从工程角度而言，修筑丁坝、顺坝等实体建筑物或建桩柱、抛掷四面六方体、架设铁丝网、抛投柔性浮帘等透水结构，以及在滩面种植红树林、互花米草等植物都对泥沙防冲淤积起到较好的效果［1］;但对以旅游开发为目的的海滩缺乏一定的适用性.具有与自然礁相似特征的人工鱼礁淹没放置近岸海床，不仅可作为海洋生物的庇护所、栖息地、食物源及繁殖区，而且以其独特的流场效应，较好地削弱掩护区的水动力强度，减弱波浪挟沙能力，促使超饱和悬沙落淤，且通过对水质点水平运动离岸流速的阻减，防止底层泥沙离岸亏损.多孔人工鱼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应用，并取得了较好的防护及生态效果［2－3］，为了系统认识消浪防冲规律，本文拟通过对国内已有投放的中空方形多孔鱼礁进行单排礁坝的断面试验研究，旨在揭示该类人工鱼礁的消浪及阻流规律，为近岸布置鱼礁群养护岸滩，开发海滩垂钓、潜泳等功能提供科学依据.

1 理论分析

波浪作用下深水近底水质点运动轨迹为封闭曲线，底层泥沙向岸和离岸输移总量接近于0.随着波浪向岸运动，波浪浅水作用明显，底层水质点运动轨迹呈现不封闭的现象.若向岸速度大而历时短，离岸速度小而历时长，则将促使底层较粗的沉积物发生向岸搬运，较细的泥沙离岸输移，存在向岸净输沙量，利于保滩;反之，向岸速度小而历时长，离岸速度较大而历时短，则将促使底层较粗的沉积物发生离岸搬运，较细的泥沙向岸运动，存在离岸净输沙量，造成近岸侵蚀，不利于保滩促淤.

波浪单独作用下水体挟沙能力可表示为［4］

式中:α，β为系数;γ和γs分别为水和泥沙的重度;d为水深;ω为沉速;H，T为波高和周期.

从式(1)可见，波浪挟沙能力与波高的平方成正比，若通过构筑物削减相同水深对应的波高，则可形成悬浮泥沙在水体中的超饱和，进而为泥沙落淤提供有利动力环境.

2 物理模型试验设计

波浪物理模型试验采用正态模型且根据重力相似准则设计，试验岸滩剖面为调查选取的典型剖面，在图1中为填充部分，具体参见图8中的初始地形.几何比尺为1∶20，模型沙中值粒径约为0.3 mm.试验在长30.0 m，宽0.6 m，深1.0 m的规则波水槽中进行.水槽一端为推板式造波机，另一端为消能设施.人工鱼礁在沙质海区沉降稳定后有效高度大大减小［5］.为防止鱼礁冲刷沉陷，工程实践中可在底部安装防护垫，在鱼礁各面夯入固定栓(图中为礁体下部白色柱体)防止滑移.单个模型礁体的尺寸为a×b×c=10 cm×10 cm×10 cm，中空无底无盖，壁厚为5 mm，每个侧面均有4个相同开孔，孔直径为2 cm.单个及单排鱼礁的立体图如图2所示.

图1 波浪模型试验布置Fig.1 Cross-section of wave flume model

图2 鱼礁单体及单排礁坝布置Fig.2 A reef and the configuration of single-row reefs

3 试验结果分析

3.1 波浪透射系数结果分析

将平底上潜堤的透射系数定义为潜堤前后波高的比值，国内外部分学者对各种型式潜堤的透射系数研究较多且给出了经验公式［2，6－10］，但没有考虑波浪在斜坡上传播的非线性影响.陈杰［11］在研究中以修建潜堤后的堤后波高与修建潜堤前该位置波高的比值为斜坡上潜堤透射系数，从而对斜坡上潜堤消浪效果进行更为实际的评价.冲刷水深附近的波浪因素对岸滩泥沙运动的影响最为重要［12］.本文借鉴陈杰阐述的斜坡上潜堤透射系数的概念，定义斜坡上多孔人工鱼礁的波浪透射系数为冲刷水深前某处(试验为④浪高仪处)鱼礁放置前后波高的比值，即k=H'/H，其中H'为抛填鱼礁后的波高，H为无鱼礁时该位置的波高.

人工鱼礁对水体的阻减呈上部增强底部减弱的规律，可防止底床泥沙在水流作用下发生离岸亏损［13］.波浪作用下礁体对波谷时上层水质点离岸流速的增强，将对下一波峰水体向前运动产生碰撞，促使波能耗散，同时礁体自身形状等对波浪的摩阻引起波浪破碎，可进一步消减波能.通过分析可知影响人工鱼礁透射系数的因素包括:水深d，堤顶平均水深R，堤顶宽度B，鱼礁距离参考岸线(x=0)的位置X，鱼礁渗透性S，鱼礁几何形状J，入射波高H0和波周期T等，用公式可表示如下:

试验中鱼礁的渗透性及鱼礁的几何形状固定不变，主要考虑入射波高H0，水深d及鱼礁距岸位置X等对透射系数的影响.

3.1.1 鱼礁相对位置对透射系数的影响 鱼礁放置于岸滩不同的位置，入射波到达礁体时波浪要素不尽相同，礁体对波浪产生不同程度的折减，试验在保持入射波要素(H=14 cm，T=1.67 s)、水深(d=6.75 cm)、地形等条件不变的情况下，通过改变鱼礁的位置，测取鱼礁折减后波高，进而得到如图3(a)所示的透射系数与相对位置的关系，相对位置用鱼礁到参考点距离X与入射波长L的比值表示.从图3(a)中可以看出，当鱼礁距参考线位置约为1.5倍入射波长时，鱼礁对波浪的折减效果较好，其透射系数约为0.7，而当鱼礁距岸位置大于2.8倍入射波长时，透射系数大于1.0，说明人工鱼礁在此位置不仅不能减弱波能，相反会汇聚波能，使波高增加，对岸滩稳定性造成不利影响.

3.1.2 入射波高对透射系数的影响 因入射波高不同，地形变化引起的波浪形态的变形也不同，从而使鱼礁对波浪的消减效果产生影响，保持入射波周期、水深等条件不变，得到入射波高与透射系数的关系如图3

(b).可见透射系数随波高的增大呈现先减小后增大中间有谷值的规律.试验条件下，鱼礁对2～3 m的入射波消减效果较好.

3.1.3 水深对透射系数的影响 水深d的不同，礁体的淹没水深也将随之变化，而礁体的淹没水深是影响消浪效果的重要因素.同时水位对波浪的浅水变形影响也较大，可使鱼礁处的波形改变.试验先找出不同水位下同周期时达到同一波高的造波参数，且保证各水位下波浪都不会在到达鱼礁前破碎，而后进行不同水位、相同入射波条件下的研究.透射系数随水位变化如图3(c)所示，可见透射系数与水深的关系较为复杂，

且出现透射系数大于1.00的情况，而消浪较好时的透射系数也达到0.92左右，这说明单排鱼礁对非破波的消浪效果不好且可能造成波能汇聚.

图3 相对位置、入射波高和水深对透射系数的影响Fig.3 The impacts of relative position，incident wave height and water depth on transmission coefficients

3.2 波浪水质点水平运动速度分析

波浪水质点运动轨迹不封闭，将会产生净输移水流，从而造成泥沙的净输移;对于底沙而言，近岸的净向岸输移，会促使泥沙脱离底床而推向海岸.本文借助声学多普勒流速仪(ADV)测量单排鱼礁作用下其前后断面水质点水平速度的分布规律.试验的入射波高H1/3=14 cm，周期T=1.67 s，水深d=6.75 cm，鱼礁放置距岸1.5倍入射波长处.

图4 礁体前后底层水质点水平运动速度Fig.4 The horizontal velocity of water particle at the bottom in front and behind the reef

3.2.1 鱼礁前后底层水质点水平运动速度分析 图4为礁前后底层水质点水平运动速度.比较礁后5倍礁长处与礁前5倍礁长处水质点水平运动速度可以发现:波浪水质点向岸流速(2 s前)历时缩短，且速度降低30%左右，减少礁后底床泥沙冲刷量.0.5倍礁前水质点运动轨迹不封闭明显，向岸流速较大但持续时间较短，而离岸流速较小但持续时间较长;向岸流水体脉动较强，为礁前局部范围泥沙悬浮提供条件.在0.5倍礁后，底层水质点向岸历时最小而历时较长的离岸流速明显减小，基本在0 m/s附近，这是鱼礁后及内部悬浮泥沙沉积的原因.

3.2.2 鱼礁前后上部水质点水平运动速度分析 从图5礁前后顶部水质点水平运动速度可以看出，礁前水质点离岸流速在下一个波峰到来前后，水体紊动剧烈，这对于波能耗散能够起到积极作用;同时在礁后一定范围内，因波浪破碎，波峰时刻水质点流速也出现较短时间的剧烈脉动，进一步削减波能，改变波行进形态，为改善内破波区波浪破碎形态、防止卷破波挟沙离岸运移提供保障.

图5 礁体前后顶部水质点水平流速Fig.5 The horizontal velocity of top water particle at the bottom in front and behind the reef

图6 人工鱼礁防护下岸滩地形变化Fig.6 Shoreline adjustment due to offshore reefs

图7 鱼礁位置对岸滩地形的影响Fig.7 Shoreline adjustment due to offshore reefs located different positions

图8 礁体堤顶水深对岸滩地形的影响Fig.8 Shoreline adjustment due to the crest depth of offshore reefs

3.3 岸滩地形响应

3.3.1 人工鱼礁防护下岸滩地形的响应 试验条件与水质点分析的相同，在波浪作用4.5 h后对岸滩地形进行精细测量，结果如图6所示.从图中可以看出人工鱼礁能够有效稳定岸滩地形，坦化滩面.以距岸滩参考线位置60和100 m左右可将地形变化分为3部分.从水边线至60 m左右为波浪上爬及回流区，可以看出泥沙在上爬顶部沉积，60 m左右为破波线附近，水质点运动轨迹的不对称引起的泥沙向岸运动受到沿坡面向下的回流及重力的阻抗，以致所有底床颗粒在此处往复摆动.60～100 m区域也是泥沙沉积区，这与鱼礁消减波浪后，水体挟沙能力下降促使悬浮泥沙沉积有关，波浪水质点随着水深变浅，运动轨迹逐渐改变，在100 m附近为岸滩泥沙运动中立点，没有泥沙的冲淤.100 m以外为波浪刷底区，底层水质点运动轨迹不封闭，促使该区域泥沙向岸运移.

3.3.2 鱼礁布置位置对岸滩地形的影响 试验保持波浪等条件不变仅改变鱼礁位置，量取波浪作用一定时间后的地形变化.从图7可以看出鱼礁位于不同位置时，岸滩地形的2个动态平衡点位置不同，鱼礁位置远离岸线，因堤顶水深较大，鱼礁不仅起不到消浪效果反而会聚集波能，在近岸可形成卷破波，出现深槽沙坝地形.鱼礁距岸1倍入射波长时，滩肩淤积泥沙较多，但容易形成泻湖地形，且出现一定幅度的沙坝－深槽地形.距岸1.5倍入射波长时，滩面坡度变小，且滩肩有适量泥沙淤积，为试验条件下较理想的布置位置.

3.3.3 礁体淹没水深对岸滩地形的影响 试验保持入射波浪、鱼礁位置(距岸1.5倍入射波长处)等条件不变，通过改变水位来研究礁体淹没水深不同对岸滩地形响应的影响.从图8可以看出鱼礁在堤顶水深较小时(小于0.9 m)后方岸滩地形较稳定，而礁体堤顶水深较大时，不仅在距岸40～70 m处出现深槽－沙坝地形，而且滩肩泥沙淤积体较大，出现泻湖.可见人工鱼礁用作海滩防护时，在不影响景观等因素的情况下，应通过小型礁体垒砌、增大礁体尺寸等措施降低鱼礁的堤顶水深.

4 结语

人工鱼礁抛填近岸海底，通过增强水体顶部离岸流强度与波峰的向岸水体碰撞等起到耗散波能，对波峰水质点运动的摩阻作用降低波高，改变波的行进形态和波浪在近岸的破碎形态，防止波浪卷破造成的泥沙离岸亏损.同时鱼礁使底层水质点运动轨迹不对称增强，使礁后一定区域底层泥沙向岸运移，可防止岸滩泥沙离岸亏损.从岸滩地形变化可见，人工鱼礁对悬浮及底层泥沙沉积于滩面及滩肩起到较好的作用，同时坦化了滩面.对于礁前后区域的刷底现象，可适当采取护底措施;鱼礁抛填位置及礁体淹没水深应根据实际水动力条件确定.

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