珊瑚礁地形上波浪增水的试验研究

摘要

我国南海诸岛多为珊瑚礁地貌，深海珊瑚礁的礁坪上水深通常很浅，其礁前斜坡陡峭，礁面上水深变化剧烈。当深海波浪行进到礁体前时，波浪将沿礁前斜坡带发生浅水变形并在礁缘或礁坪前端破碎。虽然大部分入射波能由于波浪破碎而被耗散掉，然而在台风和风暴潮等极端天气时，由于波浪变形和波浪破碎等强非线性作用，导致礁坪上产生显著的波浪增水、波生流或低频波振荡，进而威胁礁坪后方建筑物的安全。基于珊瑚礁地形的特殊性，目前国内外对深水波浪经过陡峭礁面传至浅水礁坪的演变规律缺乏全面深入的研究，同时礁坪上波浪增水也是现阶段学术界和工程界关注的热点之一，因此开展珊瑚礁地形水动力学研究具有重大的科学与工程意义。 本文设计并开展了珊瑚礁地形的二维断面试验，将珊瑚礁地形(台礁)概化为坡度为1∶1的陡峭礁面加上水平礁坪段，且礁坪后方与泻湖衔接。试验中测试并获得了四种不同礁坪淹没水深下不同规则波和不规则波况经过陡峭珊瑚礁地形后的波面数据；对比分析了不同淹没水深及不同入射波况下的波面变形、波高衰减、波浪增水及波能传递等。 对于规则波工况，波浪传至礁面发生变浅，在礁缘附近发生剧烈破碎，并给出了相关的波浪破碎位置判据；波高经过波浪破碎后显著衰减，在破波带外达到稳定，并由礁坪后方水深控制；波浪变浅产生减水，波浪破碎产生增水，波浪增水沿破波带逐渐增大，并在破波带外达到最大值；波浪最大增水随入射波高增大而增大，随淹没水深增大而减小，而与周期的关系则较为复杂；运用无量纲分析方法对最大增水进行了对比分析，给出了礁坪形状参数Kp的取值； 对于不规则波工况，波浪破碎、波高分布、波浪增减水等波浪变形规律与规则波工况相似；波浪发生变浅时，波能由主频向低频和高频转移，当波浪破碎后，主频能量大量耗散，随着波浪继续向礁坪传播，低频能量逐渐占主导；随着淹没水深增大，波浪破碎点前移及破波带缩短导致破碎强度下降，低频部分能量减少。通过设置一定频率区间(0.02Hz,0.2Hz)对原始波面进行滤波，得到了次重力波，分析了次重力波面和相对波能沿程变化及随入射波高和淹没水深的变化关系，并与原始波面和相对总波能进行了对比。 本文详细全面地对不同淹没水深下的规则波和不规则波经过陡峭珊瑚礁地形的传播变形规律进行了对比研究，相关成果可为礁坪上的工程建设项目及波浪在陡峭珊瑚礁地形上传播变形的数值计算提供试验数据和参考。

目录

第一个书签之前