可渗潜堤上的波浪沿程变化实验研究

廖楚煜 刘胜宇

【摘 要】本文开展坡度为1：35复式斜坡床面上的波浪水槽试验，研究椭圆余弦波在斜坡床面上双列梯形透水潜堤的传播变形。主要探讨其在有无潜堤在不同波高条件下的沿程变化、波浪在潜堤前后传播变形。试图归纳其趋势，并依物理观念予以解释。结果表明可渗潜堤对非线性波浪的耗散作用要强于其对线性波的耗散作用。

【关键词】透水潜堤；实验研究；传播变形；复式斜坡

Waves can penetrate potential changes along the dike experimental study

Liao Chu-yu，Liu Sheng-yu

（Guangdong Jin Donghai Group Ltd Shantou Shandong 515041）

【Abstract】The main purpose of this paper is study wave propagation characteristics of cnoidal wave on slope bed surface in a double row of trapezoidal permeable submerged breakwater based the duplex wave flume experiment on the slope of 1：35. we discusses the change of wave on the slope under different wave conditions based on with or without submerged breakwater as well as the propagation before and after over a submerged breakwater. Attempts to sum up the trend， and explain the phenomenon according to physical concept . The results showed that dissipative effects of nonlinear waves on submerged porous breakwater can be stronger than that of linear wave.

【Key words】Permeable Submerged Breakwater；Experimental study；Propagation Characteristics；Complex-type slop

1. 前言

（1）近年来，由于海洋生态、环保意识及海岸可持续发展等观念逐渐受到人们重视，工程逐渐强调结构与自然生态相和谐，诸如透水潜堤、抛石基床防波堤之类的多孔介质结构成为工程选择的主要结构型式之一。

（2）潜堤是一种常用的护岸建筑物，对此许多学者开展了大量的研究工作。D.-S.Jeng[1]等试验研究波浪越过孔隙海床上垂直的防波堤前坡度为1：1的可渗梯形潜堤时孔隙压力的变化。M.G.Muni Reddy[2]等结合试验用有限元方法研究直墙前可渗梯形潜堤周围的波浪力变化。陈智杰[3]，周援衡[4]等开展了平底上可渗潜堤数值模拟和实验研究工作。随后，斜坡上潜堤的研究工作也开展起来，陈杰和蒋昌波等分别研究了斜坡上单潜堤的透射系数[5]、传播变形[6，7]、波能演化[8]、潜堤附近的水动力特性[9，10]等，曹永港[11]在此基础上研究了斜坡上双潜堤的情况，但是其研究均为不可渗潜堤情况。因此，本文在其研究基础上，开展斜坡上双列可渗潜堤实验研究。

2. 实验布置与实验方法

（1）已有研究文献分析可知，影响波浪在潜堤上传播变形的因素很多，包括底床坡度与水深等地形条件、周期与波高等波浪条件、堤宽堤高与多列排列等潜堤的形状条件、及潜堤的孔隙与材料特性等。本研究主要目的在研究通过复式斜坡上双列可渗梯形透水潜堤的波浪变形，通过复式斜坡上定床水槽试验，测量不同周期、不同波高的入射波穿过潜堤模型的不同堤顶没水深度的时变形情况，并探讨其对潜堤消波特性的影响。

（2）实验在长沙理工大学水利工程学院的港航中心实验室波浪水槽内进行。图1为该实验的复式斜坡及模型布置示意图，以复式斜坡前端置点为原点建立坐标系，波浪传播方向为x轴正方向，垂直方向为z轴正方向。在沙质平底床面上设置尺寸一致的双列透水潜堤，潜堤堤顶高度为0.15m，潜堤顶度宽为0.15m，潜堤底宽为0.6m，前后的坡比分别为1：2和1：1。第一潜堤堤顶中心线保持设置在x=4.08m，第二潜堤堤顶中心线保持设置在x=5.08m，即两潜堤中心距离为1.0m。在水深选取方面，在考虑到造波机的造波性能的限制，再加上选取实验波浪条件以接近近海的浅水波条件为原则，故在本论文中选取最小水深为0.32m，经预备试验观察在各波浪条件下皆足以避免波浪通过潜堤之前就发生波浪碎波的情形发生，目的在避免因碎波造成之波能损耗而影响实验结果的分析和判断。试验按照《波浪模型试验规程》[12]进行，试验中对于每个波况的波要素重复三次，最后的计算结果取平均值。

图1 复式斜坡及模型布置示意图

（3）在本次实验中，因为堤顶高度不变，故水深分别取0.32m、0.35m及 0.40m来淹没潜堤来改变相对堤顶水深，波高分别采用0.06m、0.08m及0.10m等，规则波的周期分别取0.8s、1.4s及2.0s，椭圆余弦波的周期分别取1.6s、1.8s、及2.0s。具体的试验采用的入射波参数见表1所示。入射波的波高采集采用加拿大RBR公司生产的WG-50型号浪高仪。具体的布置如下：首先在距造波机前10m处布置一根浪高仪，然后在潜堤前的适当位置布置两支浪高仪，记录潜堤前的波面历时曲线。

3. 实验结果与讨论

波浪传播过程中，由于受到斜坡地形的影响，波高、周期会发生一系列的变化，当波浪遇到潜堤时，波高会变大进而发生破碎，由于潜堤的消浪作用，波浪通过潜堤之后波高一般会减小。在本研究中，为研究波浪在传播过程的沿程变化和波浪在爬坡及透过可渗潜堤时的波浪变形，将以两个小节来探讨波浪的变形特性，在波浪的沿程变化研究中，纵坐标显示波浪在所在特定位置的平均波高值（单位：cm），横坐标表示浪高仪所处的位置（单位：m）；在波浪的传播变形的示意图中，纵坐标代表试验的所定的位置的波高，横坐标则表示研究所选取的时间段。

对于可能影响到双梯形潜堤消波性能的诸因素，堤顶水深R ，入射波高H ，双梯形潜堤堤顶中心间距S ，水深h ，波长L 。

3.1 有、无潜堤情况下不同波高条件下波浪的沿程变化。

通过图2及图3所示的椭余波条件下通过透水潜堤和只在纯斜坡上的传播变化图可以看出，波浪在最开始段的变化趋势一样，总体表现随着波浪的传播，波高略有降低。当波浪通过复式斜坡上放置有双列可渗潜堤时，波浪由于受到潜堤作用，波高迅速增大，波高在潜堤第一个潜堤或在第一个与第二个潜堤之间达到最大值之后发生破碎，波浪破碎后的波浪通过潜堤之后波高变化不大，具体表现为当波高为6cm时，潜堤后所形成稳定后的波高基本能保持在2～3cm；当波高为8cm时，潜堤后所形成稳定后的波高基本能保持在34cm； 当波高为10cm时，潜堤后所形成稳定后的波高基本能保持在4～5cm。所以波浪通过该双列潜堤之后的能使波高降到50%以下，即潜堤的消浪效果能达到50%以上。对于不放置作为消浪建筑物的双列潜堤的纯斜坡来说，波浪在传播过程中大致表现为受到复式斜坡的影响，波高先增大，平地段略有减小之后继续增大，在8～10m的这段区间内达到最大值破碎之后波高也迅速减小。当存在潜堤时，波浪在潜堤的位置（第二个潜堤中心位置为4.08m，第二个潜堤位置为5.17m）发生破碎，这就大大缩短波浪破碎的位置，并且有效的保护了海岸免于受到严重的侵蚀。

图2 潜堤条件下波浪的传播变化图

3.2 波浪在潜堤前后的传播变形。

（1）波浪从深水区向浅水区传播时，由于水深浅，非线性作用增强，波高周期等会发生一系列的变化，在本节中为了研究波浪的潜水变形，选择纯斜坡条件下的波况为：h35t1.8H0.08。作为对比研究试验的在斜坡床面上放置了双列可渗潜堤的波况和纯斜坡条件下的波况相同，以此来进行对比分析。

图3 纯斜坡条件下波浪的传播变化图

（2）由图4所示的波浪传播到不同位置的变形图可以看出，当波浪处于x=-1.3m时，即波浪离斜坡的坡脚不远处，由于没有任何建筑物的作用，波浪的衰减不大，波形相对较为对称，当波浪传播到斜坡上时（x=3.5m）由于受到斜坡的影响，水深逐渐变浅，非线性作用开始逐渐增强，波浪开始发生一定的变形，但变形不大且因为存在轻微的反射使得波形的下部出现较小的次峰；随着波浪继续传播，波峰在传播过程中逐渐变得尖锐，而波谷逐渐变得坦化。但因为是在平底床面上传播，波浪的反射相对较小（ x=4.4m至x=6.7m），波浪变形图中底部基本没有次峰出现，当波浪通过平底段继续向斜坡上传播时，由于水深继续逐渐变浅，非线性作用进一步增强，从而使得在斜坡上的波高在逐渐变大，水体维持波高的稳定性越来越弱，波峰变得更加尖锐，波谷更加平坦，并且出现较为强烈的反射，从而使已经坦化的波谷出现了较大的次峰。当波浪传播到x=9.15m至x=10.2m之间时，由于水深不足以维持波高的稳定性，波峰达最大值，波谷的坦化程度迅速增加，波浪开始发生破碎。波浪发生破碎后，水体运动非常剧烈，紊动动能增大，消耗了大部分波能，所以破碎后的波高显著减小，破碎后的波继续向前在其冲泄区内传播，由于冲泄区内波浪上爬和回落过程中会是水体的运动加剧，且会产生较多次生波，导致破碎后的波形变形极为不对称，当波浪在上爬过程中，波高很小，波峰很小，基本上由波谷组成。

（3）图5当斜坡上设置双列潜堤后，在波浪传播到斜坡的坡脚不远处，因其不受潜堤和斜坡的影响，波形变化与在在纯斜坡上的波浪变形相似，随着其继续传播，受到潜堤和斜坡的影响，波浪开始出现反射现象。当波浪到达第一潜堤的堤顶 =4m时，水深不能维持波形的稳定，波浪开始发生破碎，破碎后的波浪继续向第二潜堤传播，由于受到第二个潜堤的反射作用，所以波浪在两潜堤之间产生的次生波较大，波形比纯斜坡时的变化大，随着波浪通过两个潜堤之后继续向斜坡上传播时，反射仍然比较严重，波浪在潜堤后的传播也变得越来不规则，波高越来越小，对称性也极为不对称。

图4 纯斜坡上椭余波的传播变形图

图5 椭余波通过可渗潜堤的传播变形图

4. 小结与展望

4.1 本研究设计双列透水潜堤模型置于波浪水槽中铺设的复式斜坡上，进行了波浪的反射与透射实验，通过改变不同的淹没水深得到不同的相对水深和由不同的入射波要素，分析试验数据可以得出：

（1）当波浪通过复式斜坡上放置有双列可渗潜堤时，波浪受到潜堤作用，波高在潜堤第一个潜堤或在第一个与第二个潜堤之间达到最大值之后发生破碎，波浪破碎后的波浪通过潜堤之后波高变化不大。

（2）当波浪到达第一潜堤的堤顶时，由于水深不能维持波形的稳定，波浪开始发生破碎，破碎后的波浪继续向第二个潜堤传播，由于受到第二个潜堤的反射作用，所以波浪在两潜堤之间产生的次生波较大，波浪在潜堤后的传播也变得越来不规则，波高迅速减小，波形极为不对称。

（3）当存在潜堤时，波浪在潜堤的位置发生破碎，这就大大缩短波浪破碎的位置，并且有效的保护了海岸免于受到严重的侵蚀，具有较好的工程实际意义。

4.2 另外，本实验是在斜坡坡度不变、潜堤间距不变的情况下完成，所获得的数据未能完全描述波浪通过双列透水潜堤的传播变形，今后还应考虑在变坡度和变潜堤间距情况下了解波浪通过潜堤的消浪特性，以便能更好的实用于实际工程。

参考文献

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