防浪建筑物影响下珊瑚礁海岸波浪传播变形试验

贾美军，姚 宇, 2，陈松贵，郭辉群

(1. 长沙理工大学 水利工程学院，湖南 长沙 410114; 2. 水沙科学与水灾害防治湖南省重点实验室，湖南 长沙 410114; 3. 交通运输部天津水运工程科学研究院，天津 300456)

近年来，气候变化引起的海平面上升，使得位于低纬度地区的珊瑚岛礁在台风浪等极端波浪情况下时常出现洪涝灾害[1]。理想的珊瑚礁海岸主要由礁前斜坡(fore-reef slope)与礁坪(reef flat)组成，礁前斜坡与礁坪的连接处称为礁缘(reef edge)。当今，我国在南中国海开展了填礁成陆工程并在新填筑的岛礁上建设了大量基础设施，这些工程远离大陆，极易受到极端波浪事件的影响，需要建设防浪建筑物进行保护。珊瑚礁的陡变地形亦迥异于普通海岸，一方面传统的防浪建筑物设计标准需要改进，另一方面防浪建筑物一般建设在新填筑的礁坪上，建成后在极端波浪掏蚀作用下更易发生破坏。海岸波浪爬高是防浪建筑物设计的重要参考指标，它由短波(频率区段为 0.04～0.4 Hz)、低频长波(频率区段为 0.001～0.04 Hz)和波浪增水共同组成[2]。其中低频长波成分在某些情况下特别是由风暴潮引起的高潮位时，易于在半封闭礁坪上发生共振现象引起防浪建筑物附近波浪的放大效应，加剧海岸爬高即发生洪涝灾害的风险[3]。

近些年，对于波浪在珊瑚礁地形上的传播变形问题，国内外许多学者开展了大量研究，其中水槽模型试验是最常用的研究手段。Gourlay[4]基于一系列的珊瑚礁模型试验，系统地研究了规则波的传播变形，增水和波生流问题。丁军等[5]通过水池模型试验对岛礁附近波浪沿程变化、横剖面波高变化和礁坪上波浪变化特征进行了分析。Demirbilek等[6]在实验室研究了风的存在对波浪增水和岸滩爬高的影响。Buckley等[7]通过物理模型试验研究了表面糙率对波浪传播变形和增水的影响。柳淑学等[8]基于三维模型试验研究了波浪在珊瑚岛礁周围的传播变形特性。任冰等[9]通过物理模型试验研究了规则波在岛礁地形上的传播、变形和破碎变化特性。姚宇等[10]通过波浪水槽试验分析了礁面糙率变化下珊瑚礁海岸附近的短波、低频长波和波谱的变化规律。

上述试验研究均未考虑防浪堤等岛礁设施的存在对波浪在珊瑚礁海岸附近传播变形的影响。目前陈松贵等[11]基于大比尺波浪水槽模型试验，研究了不规则波在建有防浪堤的珊瑚礁上波浪传播-破碎-壅水的过程，结果表明，波浪由深海传至筑堤珊瑚礁，越靠近防浪建筑物，低频能量越大，水位壅高越大。陈松贵等[12]随后对珊瑚岛礁护岸对礁坪上极端波浪传播特性进行了研究。但上述研究并未对波浪在珊瑚礁地形上传播变形产生的低频长波做进一步的探讨，更未考虑防浪建筑物位置变化的影响。因此，拟通过物理模型试验，研究防浪建筑物存在时珊瑚礁海岸附近波浪传播变形(短波、低频长波、增水)的变化规律，重点分析海岸线附近低频长波的运动以及防浪建筑物位置变化的影响，研究成果将对我国岛礁防浪建筑物位置的设计和维护具有一定的参考价值。

1 试验设置

试验在波浪水槽中进行，该水槽尺寸为40 m×0.5 m×0.8 m(长×宽×高)。模型设置如图1所示，水槽的最左端配置推板式造波机，水槽另一端置消能网，用于减弱波浪反射的影响。在距造波机27.3 m处，建造坡度为1∶6的礁前斜坡，随后设置长度为8 m的礁坪，礁坪距水槽底高度为0.35 m，礁坪后接坡度为1∶3.3的斜面模拟礁后岸滩。防浪建筑物模型采用概化的直立式矩形断面结构，由PVC材料制成，高度的设置保证试验当中不发生越浪现象。珊瑚礁礁面的大糙率会对礁坪上短波和低频长波运动产生显著的衰减效应以及破坏长波在礁坪上发生的共振[10]。因此为了更精确的研究防浪建筑物的存在对波浪运动及礁坪共振的影响，在可控的实验室环境中采用PVC材料制作相对光滑礁面来减弱礁面糙率的影响。整个礁体物理模型通过固定支架悬挂于水槽壁上，礁坪宽度与水槽宽度一致。使用玻璃胶填充模型与水槽壁之间、礁坪相接处及礁前斜坡与水槽底部之间的缝隙。

图1 试验设置Fig. 1 Experimental setup

试验中珊瑚礁地形的概化模型依据Becker 等[13]现场观测的资料，按照弗洛伊德相似准则采用1∶20的几何比尺进行构建。试验测试了1个深水有效波高(HS0=0.08 m)、2个礁坪水深(hr=0.05 m， 0.10 m)、3个峰周期(TP=1.0 s,1.5 s,2.0 s)组合下的一系列不规则波工况。在上述所有波况下，分别测试防浪建筑物4个不同位置，礁坪前部(距离礁缘L=2 m)、礁坪中部(距离礁缘L=4 m)、礁坪后部(距离礁缘L=6 m)和岸线附近(距离礁缘L=8 m)对波浪传播变形的影响。

试验采用电容式浪高仪测量自由液面高程的变化，具体排列方式见表1。在礁体模型外海侧设置浪高仪G1、G2和G3用以测量分离入射波和反射波，G4设置在礁坪斜坡中部便于测量波浪的浅水变形。G5固定设置在礁缘附近礁坪一侧0.2 m用于测量破碎波。为监测从礁缘向海岸线波浪的传播变形过程，G6～G9浪高仪根据防浪建筑物的位置分别进行设置：当L=2 m，4 m，6 m时，G8，G9布置在防浪建筑物附近向海一侧，分别距离建筑物0.2 m、0.1 m，G6和G7均匀布置于G5和G8之间；当L=8 m时，G9布置在防浪建筑物附近向海一侧，距离建筑物0.2 m，G6、G7、G8分别均匀布置于G5和G9之间。试验采用Jonswap谱生成的不规则波，谱峰升高因子γ设置为3.3，所有浪高仪通过数据采集系统同步采集，浪高仪采样频率为50 Hz，采样时长为1 200 s。

(1)

式中：fp是入射波的谱峰频率。

表1 防浪建筑物位置L变化时G6～G9浪高仪与礁缘的距离

2 结果分析

2.1 波浪谱、短波波高、低频长波波高、平均水位的沿礁分布

图2以典型工况(HS0=0.08 m，TP=1.5 s和hr=0.05 m)为例，展示了4种防浪建筑物位置L影响下4个代表性测点G1(远海处)、G5(礁缘附近)、G7(礁坪中部)和G9(海岸线附近)的波浪频谱图，图中垂直虚线为短波和低频长波的界限频率，波浪频谱通过对数据采样中200～1 200 s的数据进行快速傅里叶变换并每隔40个相邻频段进行平滑处理后得到。由图2可知，G1附近存在少量的低频长波能量，这是由受到的礁体反射的低频长波造成的[14]。在G5附近，波浪发生破碎，短波区间尤其是短波的主频附近(f=0.67 Hz)能量衰减剧烈，低频长波区间能量有了一定的增长，这是由于群波效应引起的破碎点移动产生了低频长波(见2.3节)。波浪在礁坪上继续向岸传播时，短波能量由于礁坪摩擦继续减少，低频长波能量由于共振放大效应而沿礁增大(见2.3节)。波浪传播到达海岸附近(G9)时，短波能量已大幅削弱，而低频长波能量则达到最大值。对于不同L的情况，短波的能量随着L的增加而减小，特别是在海岸附近(G9)，仅在L=2 m时在主频附近剩余少许能量；低频长波的能量随着L的增加而减小，但是L=6 m时的能量要略大于L=8 m，这与图4(b)对应，其对应的机理也将在2.3节进行解释。

图2 防浪建筑物位置变化时波浪谱的沿礁变化Fig. 2 Cross-shore variations of wave spectra with varying breakwater locations

图3 无量纲短波波高、低频长波波高和平均水位的沿礁变化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、低频长波波高和波浪增水的变化规律

图4 防浪建筑物附近(G9位置)无量纲短波波高、低频长波波高和增水随防浪建筑物相对位置的变化Fig. 4 Variations of normalized swell wave height, infragravity wave height and wave setup near the breakwaters with different relative breakwater locations

2.3 有关低频长波产生和礁坪共振的讨论

基于典型波浪(HS0=0.08 m，TP=1.5 s，hr=0.05 m)下4种防波堤位置的工况数据，首先评估珊瑚礁模型造成的反射波与入射波叠加后在外海侧(水槽的深水区)可能形成的驻波对试验结果的影响。图5(a)展示了位于礁前斜坡位置G4处(波浪破碎之前)的波浪低频区间频谱，图中垂直点线为水槽一到五阶共振频率，由图5(a)可知，G4位置处波浪频谱的峰值以及次峰值，刚好位于一至五阶水槽共振频率附近。其中水槽共振周期可由式(2)计算得到：

(2)

图5 低频长波产生及其共振的机理分析Fig. 5 Mechanism analysis of infragravity wave generation and resonance

(3)

3 结 语

通过物理模型试验对防浪建筑物影响下珊瑚礁海岸附近波浪传播变形问题进行了研究，测试了4种防浪建筑物位置变化下的一系列不规则波工况。主要结论如下：

1) 波浪在沿礁传播过程中，短波波高沿礁坪持续衰减，低频长波波高沿礁坪逐渐增大，平均水位则在礁坪上以增水的形式基本维持不变；海岸线附近低频长波和短波处出于同一个数量级，且均大于波浪增水，是海岸爬高的主要贡献成分。

2) 海岸附近短波波高随着防浪建筑物与礁缘距离的变大而减小，低频长波则在防浪建筑物处于礁坪后部(L=6 m)时达到最大，防浪建筑物位置的变化对于礁坪波浪增水的影响可以忽略。

3) 通过理论进行机理分析发现，低频长波是由群波破碎造成的破碎点的移动产生；防浪建筑物位置的变化改变了珊瑚礁地形的固有共振频率，在相同的入射波作用时，对于特定位置的防浪建筑物，低频长波在礁坪上会发生一阶共振效应达到能量最大。研究成果将可为我国岛礁防浪建筑物的设计和维护提供一定的参考。