可滲潛堤上的波浪沿程變化實驗研究

【摘要】本文開展坡度為1：35復式斜坡床面上的波浪水槽試驗，研究橢圓余弦波在斜坡床面上雙列梯形透水潛堤的傳播變形。主要探討其在有無潛堤在不同波高條件下的沿程變化、波浪在潛堤前后傳播變形。試圖歸納其趨勢，并依物理觀念予以解釋。結果表明可滲潛堤對非線性波浪的耗散作用要強于其對線性波的耗散作用。

【關鍵詞】透水潛堤；實驗研究；傳播變形；復式斜坡

1. 前言

（1）近年來，由于海洋生態、環保意識及海岸可持續發展等觀念逐漸受到人們重視，工程逐漸強調結構與自然生態相和諧，諸如透水潛堤、拋石基床防波堤之類的多孔介質結構成為工程選擇的主要結構型式之一。

（2）潛堤是一種常用的護岸建筑物，對此許多學者開展了大量的研究工作。D.-S.Jeng[1]等試驗研究波浪越過孔隙海床上垂直的防波堤前坡度為1：1的可滲梯形潛堤時孔隙壓力的變化。M.G.Muni Reddy[2]等結合試驗用有限元方法研究直墻前可滲梯形潛堤周圍的波浪力變化。陳智杰[3]，周援衡[4]等開展了平底上可滲潛堤數值模擬和實驗研究工作。隨后，斜坡上潛堤的研究工作也開展起來，陳杰和蔣昌波等分別研究了斜坡上單潛堤的透射系數[5]、傳播變形[6，7]、波能演化[8]、潛堤附近的水動力特性[9，10]等，曹永港[11]在此基礎上研究了斜坡上雙潛堤的情況，但是其研究均為不可滲潛堤情況。因此，本文在其研究基礎上，開展斜坡上雙列可滲潛堤實驗研究。

2. 實驗布置與實驗方法

（1）已有研究文獻分析可知，影響波浪在潛堤上傳播變形的因素很多，包括底床坡度與水深等地形條件、周期與波高等波浪條件、堤寬堤高與多列排列等潛堤的形狀條件、及潛堤的孔隙與材料特性等。本研究主要目的在研究通過復式斜坡上雙列可滲梯形透水潛堤的波浪變形，通過復式斜坡上定床水槽試驗，測量不同周期、不同波高的入射波穿過潛堤模型的不同堤頂沒水深度的時變形情況，并探討其對潛堤消波特性的影響。

（2）實驗在長沙理工大學水利工程學院的港航中心實驗室波浪水槽內進行。圖1為該實驗的復式斜坡及模型布置示意圖，以復式斜坡前端置點為原點建立坐標系，波浪傳播方向為x軸正方向，垂直方向為z軸正方向。在沙質平底床面上設置尺寸一致的雙列透水潛堤，潛堤堤頂高度為0.15m，潛堤頂度寬為0.15m，潛堤底寬為0.6m，前后的坡比分別為1：2和1：1。第一潛堤堤頂中心線保持設置在x=4.08m，第二潛堤堤頂中心線保持設置在x=5.08m，即兩潛堤中心距離為1.0m。在水深選取方面，在考慮到造波機的造波性能的限制，再加上選取實驗波浪條件以接近近海的淺水波條件為原則，故在本論文中選取最小水深為0.32m，經預備試驗觀察在各波浪條件下皆足以避免波浪通過潛堤之前就發生波浪碎波的情形發生，目的在避免因碎波造成之波能損耗而影響實驗結果的分析和判斷。試驗按照《波浪模型試驗規程》[12]進行，試驗中對于每個波況的波要素重復三次，最后的計算結果取平均值。

2.0（3）在本次實驗中，因為堤頂高度不變，故水深分別取0.32m、0.35m及 0.40m來淹沒潛堤來改變相對堤頂水深，波高分別采用0.06m、0.08m及0.10m等，規則波的周期分別取0.8s、1.4s及2.0s，橢圓余弦波的周期分別取1.6s、1.8s、及2.0s。具體的試驗采用的入射波參數見表1所示。入射波的波高采集采用加拿大RBR公司生產的WG-50型號浪高儀。具體的布置如下：首先在距造波機前10m處布置一根浪高儀，然后在潛堤前的適當位置布置兩支浪高儀，記錄潛堤前的波面歷時曲線。

3. 實驗結果與討論

波浪傳播過程中，由于受到斜坡地形的影響，波高、周期會發生一系列的變化，當波浪遇到潛堤時，波高會變大進而發生破碎，由于潛堤的消浪作用，波浪通過潛堤之后波高一般會減小。在本研究中，為研究波浪在傳播過程的沿程變化和波浪在爬坡及透過可滲潛堤時的波浪變形，將以兩個小節來探討波浪的變形特性，在波浪的沿程變化研究中，縱坐標顯示波浪在所在特定位置的平均波高值（單位：cm），橫坐標表示浪高儀所處的位置（單位：m）；在波浪的傳播變形的示意圖中，縱坐標代表試驗的所定的位置的波高，橫坐標則表示研究所選取的時間段。對于可能影響到雙梯形潛堤消波性能的諸因素，堤頂水深R ，入射波高H ，雙梯形潛堤堤頂中心間距S ，水深h ，波長L 。

通過圖2及圖3所示的橢余波條件下通過透水潛堤和只在純斜坡上的傳播變化圖可以看出，波浪在最開始段的變化趨勢一樣，總體表現隨著波浪的傳播，波高略有降低。當波浪通過復式斜坡上放置有雙列可滲潛堤時，波浪由于受到潛堤作用，波高迅速增大，波高在潛堤第一個潛堤或在第一個與第二個潛堤之間達到最大值之后發生破碎，波浪破碎后的波浪通過潛堤之后波高變化不大，具體表現為當波高為6cm時，潛堤后所形成穩定后的波高基本能保持在2～3cm；當波高為8cm時，潛堤后所形成穩定后的波高基本能保持在34cm； 當波高為10cm時，潛堤后所形成穩定后的波高基本能保持在4～5cm。所以波浪通過該雙列潛堤之后的能使波高降到50%以下，即潛堤的消浪效果能達到50%以上。對于不放置作為消浪建筑物的雙列潛堤的純斜坡來說，波浪在傳播過程中大致表現為受到復式斜坡的影響，波高先增大，平地段略有減小之后繼續增大，在8～10m的這段區間內達到最大值破碎之后波高也迅速減小。當存在潛堤時，波浪在潛堤的位置（第二個潛堤中心位置為4.08m，第二個潛堤位置為5.17m）發生破碎，這就大大縮短波浪破碎的位置，并且有效的保護了海岸免于受到嚴重的侵蝕。

圖3純斜坡條件下波浪的傳播變化圖 3.2波浪在潛堤前后的傳播變形。

（1）波浪從深水區向淺水區傳播時，由于水深淺，非線性作用增強，波高周期等會發生一系列的變化，在本節中為了研究波浪的潛水變形，選擇純斜坡條件下的波況為：h35t1.8H0.08。作為對比研究試驗的在斜坡床面上放置了雙列可滲潛堤的波況和純斜坡條件下的波況相同，以此來進行對比分析。

（2）由圖4所示的波浪傳播到不同位置的變形圖可以看出，當波浪處于x=-1.3m時，即波浪離斜坡的坡腳不遠處，由于沒有任何建筑物的作用，波浪的衰減不大，波形相對較為對稱，當波浪傳播到斜坡上時（x=3.5m）由于受到斜坡的影響，水深逐漸變淺，非線性作用開始逐漸增強，波浪開始發生一定的變形，但變形不大且因為存在輕微的反射使得波形的下部出現較小的次峰；隨著波浪繼續傳播，波峰在傳播過程中逐漸變得尖銳，而波谷逐漸變得坦化。但因為是在平底床面上傳播，波浪的反射相對較?。?x=4.4m至x=6.7m），波浪變形圖中底部基本沒有次峰出現，當波浪通過平底段繼續向斜坡上傳播時，由于水深繼續逐漸變淺，非線性作用進一步增強，從而使得在斜坡上的波高在逐漸變大，水體維持波高的穩定性越來越弱，波峰變得更加尖銳，波谷更加平坦，并且出現較為強烈的反射，從而使已經坦化的波谷出現了較大的次峰。當波浪傳播到x=9.15m至x=10.2m之間時，由于水深不足以維持波高的穩定性，波峰達最大值，波谷的坦化程度迅速增加，波浪開始發生破碎。波浪發生破碎后，水體運動非常劇烈，紊動動能增大，消耗了大部分波能，所以破碎后的波高顯著減小，破碎后的波繼續向前在其沖泄區內傳播，由于沖泄區內波浪上爬和回落過程中會是水體的運動加劇，且會產生較多次生波，導致破碎后的波形變形極為不對稱，當波浪在上爬過程中，波高很小，波峰很小，基本上由波谷組成。

圖4純斜坡上橢余波的傳播變形圖圖5橢余波通過可滲潛堤的傳播變形圖 （3）圖5當斜坡上設置雙列潛堤后，在波浪傳播到斜坡的坡腳不遠處，因其不受潛堤和斜坡的影響，波形變化與在在純斜坡上的波浪變形相似，隨著其繼續傳播，受到潛堤和斜坡的影響，波浪開始出現反射現象。當波浪到達第一潛堤的堤頂 =4m時，水深不能維持波形的穩定，波浪開始發生破碎，破碎后的波浪繼續向第二潛堤傳播，由于受到第二個潛堤的反射作用，所以波浪在兩潛堤之間產生的次生波較大，波形比純斜坡時的變化大，隨著波浪通過兩個潛堤之后繼續向斜坡上傳播時，反射仍然比較嚴重，波浪在潛堤后的傳播也變得越來不規則，波高越來越小，對稱性也極為不對稱。

4. 小結與展望

4.1本研究設計雙列透水潛堤模型置于波浪水槽中鋪設的復式斜坡上，進行了波浪的反射與透射實驗，通過改變不同的淹沒水深得到不同的相對水深和由不同的入射波要素，分析試驗數據可以得出：

（1）當波浪通過復式斜坡上放置有雙列可滲潛堤時，波浪受到潛堤作用，波高在潛堤第一個潛堤或在第一個與第二個潛堤之間達到最大值之后發生破碎，波浪破碎后的波浪通過潛堤之后波高變化不大。

（2）當波浪到達第一潛堤的堤頂時，由于水深不能維持波形的穩定，波浪開始發生破碎，破碎后的波浪繼續向第二個潛堤傳播，由于受到第二個潛堤的反射作用，所以波浪在兩潛堤之間產生的次生波較大，波浪在潛堤后的傳播也變得越來不規則，波高迅速減小，波形極為不對稱。

（3）當存在潛堤時，波浪在潛堤的位置發生破碎，這就大大縮短波浪破碎的位置，并且有效的保護了海岸免于受到嚴重的侵蝕，具有較好的工程實際意義。

4.2另外，本實驗是在斜坡坡度不變、潛堤間距不變的情況下完成，所獲得的數據未能完全描述波浪通過雙列透水潛堤的傳播變形，今后還應考慮在變坡度和變潛堤間距情況下了解波浪通過潛堤的消浪特性，以便能更好的實用于實際工程。

參考文獻

[1]D.-S. Jenga， C.Schachtb， C.Lemckert， Experimental study on ocean waves propagating over a submerged breakwater in front of a vertical seawall[J]. Ocean Engineering， 2005， 32： 2231～2240.

[2]M.G.MuniReddy， S.A.Sannasiraj，R.Natarajan， Numerical investigation on the dynamics of a vertical wall defenced by an offshore breakwater[J]. Ocean Engineering， 2007，34：790～ 798.

[3]陳智杰.波浪與可滲潛堤的相互作用數值模擬[D]. 長沙理工大學，2005.

[4]周援衡，陳智杰，盧海斌等.非線性波與可滲潛堤的相互作用數值模擬[J].水運工程，2005，（3）：8～12.

[5] 陳杰，蔣昌波，曹永港等.斜坡上潛堤透射系數實驗研究[J].中國科技論文在線，2008，7：516～523.

[6]蔣昌波，陳杰，肖政等. 斜坡床面潛堤作用下的波浪傳播變形.長沙理工大學學報（自然科學版），2008，3：47～51.

[7]陳杰，蔣昌波，隆院男等.基于分層Boussinesq方程的波浪通過斜坡上潛堤傳播變形研究[J].長沙理工大學學報（自然科學版）， 2009， 6（3）： 40～46.

[8]陳杰，蔣昌波，鄧斌等. 波浪通過斜坡上潛堤的波能演化實驗研究[J]. 水動力學研究與進展：A輯，2009，24（4）：417～ 424.

[9]蔣昌波，曹永港，陳杰等.斜坡上梯形潛堤附近流動結構的數值模擬[J].水動力學研究與進展：A輯，2009，24（3）：286～ 295.

[10]CHEN Jie，JIANG Chang-bo， et al. Numerical study on the characteristics of flow field and wave propagation near submerged breakwater on slope[J]. Acta Oceanologica Sinica， 2010， 29（1）： 88～99.

[11]曹永港.波浪通過雙列梯形潛堤的水動力特性研究（D），長沙理工大學， 2009.

[12]南京水利科學研究院.波浪模型試驗規程[M].北京：人民交通出版社，2001.

[文章編號]1619-2737（2013）09-18-684