潜堤对平均沿岸流及波高和增减水的影响

谢栩鹏，沈良朵

（浙江海洋大学港航与交通运输工程学院，浙江舟山 316022）

潜堤是在海岸线外合适距离的海域中建造基本与岸线相平行的淹没在水面下的护岸建筑物。近年来，潜堤在国内外得到广泛应用。由于潜堤的存在，可以消散一部分波浪的能量，让波浪的破碎提前，削弱波浪能，减弱对堤趾的侵害，从而使具有破坏性的波浪分裂，稳定潜堤后面的水域，达到减弱海岸被侵蚀的工程目的。潜堤在保护岸线上扮演者十分重要的角色。而且潜堤在海面下，不会影响景观，符合人们的审美要求，相比与丁坝等有明显优势，因此潜堤逐渐成为越来越受欢迎并且值得推广的护岸建筑物。很多学者对于潜堤开展了广泛的研究。陈兆林[1]通过模型试验，检验了在不同水深及波高情况下不同潜堤的波浪消散效果。CHO，et al[2]对规则波与组合潜堤的强反射进行实验研究；汪文诚等[3]研究了规则波在潜堤前、后波高变化规律；JENG，et al[4]通过模型实验研究波浪通过直墙前潜堤的传播变形；RAMBABU，et al[5]讨论了入射波、潜堤尺寸等对透射系数的影响效果；波浪经过潜堤后的变形蒋昌波等[6]对其进行了研究。陈杰等[7]相对于波浪能量和潜堤顶部水深做了部分研究。沈良朵[8]对沿岸流的不稳定性及其特征进行了相当研究。李鹏[9]对波浪在潜堤上传播和破碎进行了相关研究。以上的成果主要是对潜堤作用下的波浪传播变形以及反射透射相关的研究，潜堤对波高和增减水的相关研究还较少，而波高和增减水对海洋工程的作用力也有较大影响[10]。因此，潜堤对波高及增减水以及平均沿岸流的研究具有一定价值，它对于实际工业和生活具有一定的参考价值。

本文基于港池沿岸流实验数据[11]通过设置潜堤以及设置不同离岸距离的潜堤，来分析潜堤对于波高和增减水以及平均沿岸流的影响。

1 实验方法及实验条件

为了研究潜堤对平均沿岸流及波高和增减水的影响，实验场地在位于大连的海岸和近海工程国家重点实验室多功能综合水池，实验水池长55.0 m、宽34.0 m、水深条件1.0 m。实验坡道设置为1:40。为了减少受外部水流干扰试验区域，波导墙被设置在造波机到坡脚处之间，为起消浪作用，将消浪网放在墙内侧。斜坡留有3 m距离。水池内水体将由实验产生的水位差带动循环。图1下部分图片为地形剖面。ADV声学多普勒流速仪作为本次实验的测速仪，为达到实验目的，本次实验共用了28个。同时为了达到简洁明了的效果，采用无线方式通信连接，如图2所示。

图1 实验场地Fig.1 Experimental area

图2 ADV通讯Fig.2 Communication between ADV and PC

每台仪器顶部与实验水池底的间隙为水深的1/3，且分为两列安放在垂直与平行岸线方位。平行一列共有11台仪器，平行一列仪器安置距岸线2.5 m。相邻仪器间距为2 m。垂直方向安置18台（一台与平行方向共用），为了获得更好的沿岸流剖面分布特征，采用不均匀间距布置，第一台仪器距离岸线0.2 m，往后仪器距离前一台仪器距离分别为0.4 m、0.4 m、0.3 m、0.3 m、0.4 m，在距离岸线 2～7 m 之间的每台仪器间距是0.5 m，在距离岸线7～9 m之间的每台仪器间距是 1 m（图 3）。

2 潜堤对平均沿岸流的影响

基于不同波高及周期的规则波情况下（表1），在不设置潜堤及设置不同离岸距离的潜堤下沿岸流垂直岸方向速度和沿岸方向速度分布，如图4所示，左图是不同离岸距离下沿岸流垂直岸方向速度分布图，右图是沿岸方向速度分布图。

图3 流速仪布置图Fig.3 The layout of velocity meters

表1 实验波况表Tab.1 Wave cases in the experiment

从图4可以看出，在波况Case1～Case4中，由于潜堤的存在，和未设置潜堤情况相比较，沿岸流垂直岸方向曲线会向y轴方向靠拢，表明垂直岸方向的沿岸流分布有整体向岸偏移的趋势，在一定范围内（如潜堤离岸距离由4.5 m减少为4.0 m），潜堤离岸越近，沿岸流最大值近岸一侧越向岸偏移。同时，沿岸方向速度分布曲线可以看出潜堤离岸越近，会使沿岸方向上游流速增加更明显，并且使得总的沿岸方向的流速分布更均匀。Case1、Case3和Case4较明显地反映了这一特征，Case2在最大值离岸一侧也反映了这一特征，但在最大值近岸一侧不加潜堤情况下比在离岸4.5 m处加潜堤更靠近岸线。Case2与Case4相比较，可以发现：在相同周期不同波高的波况条件下，波高越高，上述偏移趋势越明显。此外，当潜堤离岸距离近到一定程度时（如潜堤离岸距离从4.0 m减少为3.5 m），潜堤离岸距离较近，沿岸流整体向岸偏移的趋势不明显，以上潜堤对平均沿岸流的影响可能会有所变化，需要进一步模拟实验确定。

3 潜堤对波高和增减水的影响

上节讨论了规则波波况Case 1～Case 4不设置潜堤及设置不同离岸距离的潜堤情况下对平均沿岸流的影响，这里将进一步讨论上述情况下的波高和波浪增减水变化特征，如图5所示。图5左图中波高变化表明，增加潜堤会使得波浪破碎后波高分布有向岸偏移的趋势，Case1和Case3这一趋势表现较为明显，当进一步改变潜堤离岸距离，使其由4.5 m减少为3.5 m的过程中，波浪破碎后的波高分布变化不明显，这可能是由于该变化趋势较小，波高仪测量精度有限造成的。Case2和Case4情况下，均能体现上述偏移趋势，波高峰值没有明显变化差异。

与之类似，图5右图中波浪增减水也有相应的变化趋势，增减水分布曲线在x值0～6之间，曲线有变陡趋势，表明增加潜堤会使得波浪由减水转为增水的过程曲线变陡，潜堤的存在会使波浪的增减水幅度加剧，如Case3所示，但总的来说，该趋势不明显。变化潜堤位置后，波浪增减水的变化规律也不明显。

图4 沿岸流垂直岸方向速度分布（左）和沿岸方向速度分布（右）图Fig.4 Cross-shore （left）and alongshore （right）distributions of longshore currents

图5 波高（左）和增减水（右）分布图Fig.5 Distributions of wave height and water level fluctuation

4 结论

本文在设置潜堤以及变换潜堤的位置的基础上，分析潜堤对波高及增减水和平均沿岸流的影响，得出结论：（1）潜堤的存在会使垂直岸方向的沿岸流分布有明显的向岸偏移趋势，并且随潜堤离岸越近，该趋势加剧。而且，潜堤的存在会使得沿岸方向上游流速增加越大，使得该方向的流速更均匀的分布。（2）潜堤的存在会让得波浪破碎后波高分布有向岸偏移的趋势，同时会使得波浪由减水转为增水的过程曲线变陡，但该趋势不如流速分布变化趋势明显。