波浪在岛礁地形上传播特性的试验研究

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1、波浪在岛礁地形上传播特性的试验研究1绪论1.1研究的意义和目的珊瑚礁主要存在于太平洋、印度洋、大西洋海域的热带地区，我国南海亦有广泛的分布。珊糊礁的主要形式有：环岛或环陆地群的边缘礁、围绕湾湖的环状碼盘、暗礁、珊瑚岛等。发育成熟的珊糊礁一般具有较宽（几百米）的水平顶部，它的高度在平均低潮位左右，礁前缘坡面很陆。水位处在低潮位时，波浪会在礁前缘破碎，通过礁顶的波能很小；水位在高潮位时，礁盘顶部水深一般在3in左右，风暴潮经过时，水位还可能再增高一些。此时，较小的波浪可以穿过礁顶而不破碎，较大的波浪则发生破碎，越过礁顶的波浪大小受到礁顶水深的限制。岛礁地形的存在会引起水深的急剧变化

2、，波浪在水深剧变与缓变地形上的传播相比，变化规律有很大的不同，工程设计急需研究波浪在珊湖確上的传播规律。我国沿海建筑物的设计波髙大多是取当地的极限波高即破碎波高，虽然提高港工建筑物的设计标准可以提高建筑物抵御波浪破坏作用的能力，但同时也会增加工程投资成本，因此对破碎及破碎带来的波浪传播特性的变化的研究具有重要的工程实用价值。另外，关于这一问题研究成果的推广，对于波浪在其他海底障碍物上传播的研究，如海底沙现、潜堤、人工岛礁等，都将起到积极作用。因此，波浪在岛礁地形上的传播规律越来越受到人们的重视。1.2国内外研究概况及发展趋势波浪自深水传入浅水区后，受到水深、地形、地物等的影响，

3、将会发生变浅作用、折射、绕射和破碎等变形，导致波向、波长、波高等发生变化，波浪频谱也会有明显的变化。这些变化后的波浪对建筑物的作用恰恰是海岸工程、海洋工程的主要荷载。对于海浪在岛礁地形或其他海岸环境传播特性的研究，如由于变浅作用或破碎等原因引起的波浪变化，Bretschneider等⑴及Lngo等己作论述。岛礁地形不同于一般的礁石或泥沙海底，波浪衰减特性也有较大不同，赵子丹等根据近年来国内外相关结果，对海浪在台阶式水深剧变地形上传播的研究进展进行了综述。到目前为止，已有一些学者通过对某些存在珊瑚礁盘的海域的波浪进行现场观测，进而研究其传播特性，还有一些学者通过模型试验的方式模拟

4、波浪在岛礁地形的的传播。Lee和Black[4](1978)对穿越夏威夷珊瑚礁的波浪进行了观测记录，分析了其波高分布的概率密度曲线和波浪谱的形状。Kono和Tsukayama[5](1980)将岛礁地形简化为陡坡，且随着向岸方向坡度减小,通过对试验数据进行分析，发现浅水处的(H/d)b值符合Nelson试验得到的结果。Yoimg(1989)通过对实测数据分析，用现有的底摩阻及波浪破碎理论分析了穿越珊瑚礁的波浪衰减率。Hardy等[7](1990)对波浪在澳大利亚东北部珊瑚礁地形的传播进行了实地观测，得到了波浪穿越礁坪时有效波高的定量衰减值。黎满球等[8](2003)对中国南沙群

5、岛永暑珊瑚礁坪上的实测海浪数据进行分析，得到波浪的衰减公式及谱能量的变化。Seding[9](1983)进行了模型试验，研究了规则波和符合窄谱假定的不规则波在礁顶上的传播。张庆河等(1999)将珊瑚礁盘简化成台阶地形，对规则波在台阶地形上的破碎规律进行了试验研究。梅強等(2013)根据实测坡度模拟礁坪外缘剖面，分析了礁坪上的波浪沿程变化。通过对海浪在岛碟地形上传播的现场观测及实验室内进行的物理模型试验，现有的研究成果大致描述了波浪穿越礁盘时的一些定性特征，得到了可用以描述波浪破碎判据及波浪衰减规律的一些经验公式。..2模型设计2.1实验设备与模型设计本试验在大连理工大学海岸及近

6、海工程国家重点实验室的波流水槽中进行。如图2.1所示，水槽长69m，宽2m，深1.8in,水槽的工作段在纵向分割成1.2m和0.8m两个部分，试验在0.8m宽度段进行。水槽一侧装有实验室自行研制的不规则波造波机、微机控制与数据采集系统及2台ImVs轴流栗的双向造流系统。水槽末端设置有消波缓坡和消波装置。试验中各测点波浪要素的测定采用北京水科院研制的DJ800多点浪高仪采集测量系统，该系统由计算机、多功能监测仪和传感器组成数据釆集和数据处理系统，可以同步测量多个浪高仪的波面过程并进行数据分析，最大可以测量波高为50cm的大波，波高分辨精度为±0.001m，误差小于0

7、.15%。试验中，将岛礁地形简化为坡度1:5的斜坡，斜坡段水平距离为2.5m，礁坪部分简化为一水平地形，表面为抹平的光滑混凝土面，高度为0.5ni，水平距离为30m，后接斜坡式消能装置，如图2.1所示。试验中共布置18根浪高仪，各浪高仪位置及间距的详细布置见图2.2。其中，1-3号浪高仪位于坡前，4-10号浪高仪设置在陡坡上，11号浪高仪位于坡顶处，12-18号浪高仪位于礁坪段。.2.2波浪要素与实验组次就真实的珊湖礁而言，礁坪段可能存在较大的高低起伏或凹凸不平，从而影响波浪变形。本文重点为