廖楚煜 劉勝宇

【摘 要】本文開(kāi)展坡度為1：35復(fù)式斜坡床面上的波浪水槽試驗(yàn)，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(wú)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(shì)，并依物理觀念予以解釋。結(jié)果表明可滲潛堤對(duì)非線性波浪的耗散作用要強(qiáng)于其對(duì)線性波的耗散作用。

【關(guān)鍵詞】透水潛堤；實(shí)驗(yàn)研究；傳播變形；復(fù)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）近年來(lái)，由于海洋生態(tài)、環(huán)保意識(shí)及海岸可持續(xù)發(fā)展等觀念逐漸受到人們重視，工程逐漸強(qiáng)調(diào)結(jié)構(gòu)與自然生態(tài)相和諧，諸如透水潛堤、拋石基床防波堤之類(lèi)的多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)成為工程選擇的主要結(jié)構(gòu)型式之一。

（2）潛堤是一種常用的護(hù)岸建筑物，對(duì)此許多學(xué)者開(kāi)展了大量的研究工作。D.-S.Jeng[1]等試驗(yàn)研究波浪越過(guò)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(shí)孔隙壓力的變化。M.G.Muni Reddy[2]等結(jié)合試驗(yàn)用有限元方法研究直墻前可滲梯形潛堤周?chē)牟ɡ肆ψ兓ｊ愔墙躘3]，周援衡[4]等開(kāi)展了平底上可滲潛堤數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究工作。隨后，斜坡上潛堤的研究工作也開(kāi)展起來(lái)，陳杰和蔣昌波等分別研究了斜坡上單潛堤的透射系數(shù)[5]、傳播變形[6，7]、波能演化[8]、潛堤附近的水動(dòng)力特性[9，10]等，曹永港[11]在此基礎(chǔ)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(chǔ)上，開(kāi)展斜坡上雙列可滲潛堤實(shí)驗(yàn)研究。

2. 實(shí)驗(yàn)布置與實(shí)驗(yàn)方法

（1）已有研究文獻(xiàn)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(guò)復(fù)式斜坡上雙列可滲梯形透水潛堤的波浪變形，通過(guò)復(fù)式斜坡上定床水槽試驗(yàn)，測(cè)量不同周期、不同波高的入射波穿過(guò)潛堤模型的不同堤頂沒(méi)水深度的時(shí)變形情況，并探討其對(duì)潛堤消波特性的影響。

（2）實(shí)驗(yàn)在長(zhǎng)沙理工大學(xué)水利工程學(xué)院的港航中心實(shí)驗(yàn)室波浪水槽內(nèi)進(jìn)行。圖1為該實(shí)驗(yàn)的復(fù)式斜坡及模型布置示意圖，以復(fù)式斜坡前端置點(diǎn)為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系，波浪傳播方向?yàn)閤軸正方向，垂直方向?yàn)閦軸正方向。在沙質(zhì)平底床面上設(shè)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(shè)置在x=4.08m，第二潛堤堤頂中心線保持設(shè)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(jī)的造波性能的限制，再加上選取實(shí)驗(yàn)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(jīng)預(yù)備試驗(yàn)觀察在各波浪條件下皆足以避免波浪通過(guò)潛堤之前就發(fā)生波浪碎波的情形發(fā)生，目的在避免因碎波造成之波能損耗而影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析和判斷。試驗(yàn)按照《波浪模型試驗(yàn)規(guī)程》[12]進(jìn)行，試驗(yàn)中對(duì)于每個(gè)波況的波要素重復(fù)三次，最后的計(jì)算結(jié)果取平均值。

圖1 復(fù)式斜坡及模型布置示意圖

（3）在本次實(shí)驗(yàn)中，因?yàn)榈添敻叨炔蛔儯仕罘謩e取0.32m、0.35m及 0.40m來(lái)淹沒(méi)潛堤來(lái)改變相對(duì)堤頂水深，波高分別采用0.06m、0.08m及0.10m等，規(guī)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(yàn)采用的入射波參數(shù)見(jiàn)表1所示。入射波的波高采集采用加拿大RBR公司生產(chǎn)的WG-50型號(hào)浪高儀。具體的布置如下：首先在距造波機(jī)前10m處布置一根浪高儀，然后在潛堤前的適當(dāng)位置布置兩支浪高儀，記錄潛堤前的波面歷時(shí)曲線。

3. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

波浪傳播過(guò)程中，由于受到斜坡地形的影響，波高、周期會(huì)發(fā)生一系列的變化，當(dāng)波浪遇到潛堤時(shí)，波高會(huì)變大進(jìn)而發(fā)生破碎，由于潛堤的消浪作用，波浪通過(guò)潛堤之后波高一般會(huì)減小。在本研究中，為研究波浪在傳播過(guò)程的沿程變化和波浪在爬坡及透過(guò)可滲潛堤時(shí)的波浪變形，將以兩個(gè)小節(jié)來(lái)探討波浪的變形特性，在波浪的沿程變化研究中，縱坐標(biāo)顯示波浪在所在特定位置的平均波高值（單位：cm），橫坐標(biāo)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(biāo)代表試驗(yàn)的所定的位置的波高，橫坐標(biāo)則表示研究所選取的時(shí)間段。

對(duì)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(zhǎng)L 。

3.1 有、無(wú)潛堤情況下不同波高條件下波浪的沿程變化。

通過(guò)圖2及圖3所示的橢余波條件下通過(guò)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(kāi)始段的變化趨勢(shì)一樣，總體表現(xiàn)隨著波浪的傳播，波高略有降低。當(dāng)波浪通過(guò)復(fù)式斜坡上放置有雙列可滲潛堤時(shí)，波浪由于受到潛堤作用，波高迅速增大，波高在潛堤第一個(gè)潛堤或在第一個(gè)與第二個(gè)潛堤之間達(dá)到最大值之后發(fā)生破碎，波浪破碎后的波浪通過(guò)潛堤之后波高變化不大，具體表現(xiàn)為當(dāng)波高為6cm時(shí)，潛堤后所形成穩(wěn)定后的波高基本能保持在2～3cm；當(dāng)波高為8cm時(shí)，潛堤后所形成穩(wěn)定后的波高基本能保持在34cm； 當(dāng)波高為10cm時(shí)，潛堤后所形成穩(wěn)定后的波高基本能保持在4～5cm。所以波浪通過(guò)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(dá)到50%以上。對(duì)于不放置作為消浪建筑物的雙列潛堤的純斜坡來(lái)說(shuō)，波浪在傳播過(guò)程中大致表現(xiàn)為受到復(fù)式斜坡的影響，波高先增大，平地段略有減小之后繼續(xù)增大，在8～10m的這段區(qū)間內(nèi)達(dá)到最大值破碎之后波高也迅速減小。當(dāng)存在潛堤時(shí)，波浪在潛堤的位置（第二個(gè)潛堤中心位置為4.08m，第二個(gè)潛堤位置為5.17m）發(fā)生破碎，這就大大縮短波浪破碎的位置，并且有效的保護(hù)了海岸免于受到嚴(yán)重的侵蝕。

圖2 潛堤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(qū)向淺水區(qū)傳播時(shí)，由于水深淺，非線性作用增強(qiáng)，波高周期等會(huì)發(fā)生一系列的變化，在本節(jié)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(duì)比研究試驗(yàn)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(lái)進(jìn)行對(duì)比分析。

圖3 純斜坡條件下波浪的傳播變化圖

（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(dāng)波浪處于x=-1.3m時(shí)，即波浪離斜坡的坡腳不遠(yuǎn)處，由于沒(méi)有任何建筑物的作用，波浪的衰減不大，波形相對(duì)較為對(duì)稱(chēng)，當(dāng)波浪傳播到斜坡上時(shí)（x=3.5m）由于受到斜坡的影響，水深逐漸變淺，非線性作用開(kāi)始逐漸增強(qiáng)，波浪開(kāi)始發(fā)生一定的變形，但變形不大且因?yàn)榇嬖谳p微的反射使得波形的下部出現(xiàn)較小的次峰；隨著波浪繼續(xù)傳播，波峰在傳播過(guò)程中逐漸變得尖銳，而波谷逐漸變得坦化。但因?yàn)槭窃谄降状裁嫔蟼鞑ィɡ说姆瓷湎鄬?duì)較?。?x=4.4m至x=6.7m），波浪變形圖中底部基本沒(méi)有次峰出現(xiàn)，當(dāng)波浪通過(guò)平底段繼續(xù)向斜坡上傳播時(shí)，由于水深繼續(xù)逐漸變淺，非線性作用進(jìn)一步增強(qiáng)，從而使得在斜坡上的波高在逐漸變大，水體維持波高的穩(wěn)定性越來(lái)越弱，波峰變得更加尖銳，波谷更加平坦，并且出現(xiàn)較為強(qiáng)烈的反射，從而使已經(jīng)坦化的波谷出現(xiàn)了較大的次峰。當(dāng)波浪傳播到x=9.15m至x=10.2m之間時(shí)，由于水深不足以維持波高的穩(wěn)定性，波峰達(dá)最大值，波谷的坦化程度迅速增加，波浪開(kāi)始發(fā)生破碎。波浪發(fā)生破碎后，水體運(yùn)動(dòng)非常劇烈，紊動(dòng)動(dòng)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(xù)向前在其沖泄區(qū)內(nèi)傳播，由于沖泄區(qū)內(nèi)波浪上爬和回落過(guò)程中會(huì)是水體的運(yùn)動(dòng)加劇，且會(huì)產(chǎn)生較多次生波，導(dǎo)致破碎后的波形變形極為不對(duì)稱(chēng)，當(dāng)波浪在上爬過(guò)程中，波高很小，波峰很小，基本上由波谷組成。

（3）圖5當(dāng)斜坡上設(shè)置雙列潛堤后，在波浪傳播到斜坡的坡腳不遠(yuǎn)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(xù)傳播，受到潛堤和斜坡的影響，波浪開(kāi)始出現(xiàn)反射現(xiàn)象。當(dāng)波浪到達(dá)第一潛堤的堤頂 =4m時(shí)，水深不能維持波形的穩(wěn)定，波浪開(kāi)始發(fā)生破碎，破碎后的波浪繼續(xù)向第二潛堤傳播，由于受到第二個(gè)潛堤的反射作用，所以波浪在兩潛堤之間產(chǎn)生的次生波較大，波形比純斜坡時(shí)的變化大，隨著波浪通過(guò)兩個(gè)潛堤之后繼續(xù)向斜坡上傳播時(shí)，反射仍然比較嚴(yán)重，波浪在潛堤后的傳播也變得越來(lái)不規(guī)則，波高越來(lái)越小，對(duì)稱(chēng)性也極為不對(duì)稱(chēng)。

圖4 純斜坡上橢余波的傳播變形圖

圖5 橢余波通過(guò)可滲潛堤的傳播變形圖

4. 小結(jié)與展望

4.1 本研究設(shè)計(jì)雙列透水潛堤模型置于波浪水槽中鋪設(shè)的復(fù)式斜坡上，進(jìn)行了波浪的反射與透射實(shí)驗(yàn)，通過(guò)改變不同的淹沒(méi)水深得到不同的相對(duì)水深和由不同的入射波要素，分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得出：

（1）當(dāng)波浪通過(guò)復(fù)式斜坡上放置有雙列可滲潛堤時(shí)，波浪受到潛堤作用，波高在潛堤第一個(gè)潛堤或在第一個(gè)與第二個(gè)潛堤之間達(dá)到最大值之后發(fā)生破碎，波浪破碎后的波浪通過(guò)潛堤之后波高變化不大。

（2）當(dāng)波浪到達(dá)第一潛堤的堤頂時(shí)，由于水深不能維持波形的穩(wěn)定，波浪開(kāi)始發(fā)生破碎，破碎后的波浪繼續(xù)向第二個(gè)潛堤傳播，由于受到第二個(gè)潛堤的反射作用，所以波浪在兩潛堤之間產(chǎn)生的次生波較大，波浪在潛堤后的傳播也變得越來(lái)不規(guī)則，波高迅速減小，波形極為不對(duì)稱(chēng)。

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

4.2 另外，本實(shí)驗(yàn)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(shù)據(jù)未能完全描述波浪通過(guò)雙列透水潛堤的傳播變形，今后還應(yīng)考慮在變坡度和變潛堤間距情況下了解波浪通過(guò)潛堤的消浪特性，以便能更好的實(shí)用于實(shí)際工程。

參考文獻(xiàn)

[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(shù)值模擬[D]. 長(zhǎng)沙理工大學(xué)，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(shù)值模擬[J].水運(yùn)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(shù)實(shí)驗(yàn)研究[J].中國(guó)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(zhǎng)沙理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)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(guò)斜坡上潛堤傳播變形研究[J].長(zhǎng)沙理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 2009， 6（3）： 40～46.

[8] 陳杰，蔣昌波，鄧斌等. 波浪通過(guò)斜坡上潛堤的波能演化實(shí)驗(yàn)研究[J]. 水動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)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(dòng)結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬[J].水動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)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(guò)雙列梯形潛堤的水動(dòng)力特性研究（D），長(zhǎng)沙理工大學(xué)， 2009.

[12] 南京水利科學(xué)研究院.波浪模型試驗(yàn)規(guī)程[M].北京：人民交通出版社，2001.