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第八届亚洲及太平洋地区海岸国际会议（亚太地区2015）
非线性波浪在潜水建筑物上的传播
Yana Saprykina, Sergey Kuznetsov, Dmitry Korzinin
P.P.Shirshov Institute of Oceanology, Russian Academy of Sciences, Nakhimovsky pr. 36, Moscow, 117997, Russia
摘要
在室内试验的基础上研究了非线性波浪在矩形透水式潜堤和实体式矩形潜堤上的传播。考虑了波浪透射系数和平均波周期的变化作为波浪传播的参数，这两个参数都能表征水下结构在海岸带减少波浪冲击的能力。研究结果显示，实体式潜堤对减小平均波周期更有效，透水式潜堤对减少波高更有效。本文揭示了透射系数和平均波周期变化与堤和波的参数之间的最佳关系。对于减少平均波周期来说，实体式潜堤的最佳长度必须为初始波长的0.4倍，而透空式潜堤则为0.1倍。对于降低波高，透空式潜堤的堤长必须是初始波长的0.21倍，实体式潜堤则为0.55倍。实验结果表明，平均波周期在堤的1.25倍相对深度处减少得最多，与堤的渗透性无关。透射系数与平均波周期变化的最佳关系取决于波陡。
关键词：潜水建筑物，透射系数，平均波周期
1.介绍
命名
Hs in 堤前有效波高
Hs tr 堤后有效波高
Ktr 透射系数
S 波谱
f 频率
Tm 平均波周期
L 波长
Lbar 堤长
dbar 堤上水深
海岸防浪是海岸工程中的一个重要问题。在海岸工程的现代实践中，有必要寻找创新的解决方案，以保护海岸，同时挽救海岸带的生态环境。像防波堤这样的潜水建筑物可以满足这些要求。在这种情况下，波浪破碎和减少波能是波浪在潜水建筑物上传播时应考虑的主要特征。潜水建筑物上部水深越小，波浪破碎和波能减少越强烈。波浪在潜水建筑物上传播的另一个效应为非线性波的分解和次波的形成，次波包括同样能减少波浪对海岸冲击效应的最高阶非线性谐波。
许多研究人员详细描述了次波形成的基本非线性色散机制(例如：Johnson等人(1951), Beji和Battjes (1993), Masselink (1998), Van der Meer等人(2000), Kuznetsov和Saprykina (2009, 2012))。次波作为初始波表面上独立的峰值出现，由主波运动的高次谐波组成。波浪在浅水区潜水建筑物顶部传播时由于非线性特性形成高次谐波。次波在潜水建筑物后很明显（图1）。
初始波的分解和次波的形成导致了平均波周期的减小。它在海岸工程方面有许多优点: 1) 它可以消除或至少抑制波浪破碎，从而减少海岸线消能；2) 短波对海底地形和工程结构的影响较小; 3) 减少为波浪运动的附加衰减而使用浮式防波堤所需的波周期允许范围(Kuznetsov, Saprykina (2013))。所以把减少平均波周期作为护岸的新方法可能会非常有效，并且可以看做是潜堤的额外功能。
透射系数和平均波周期可以作为评价波浪在潜水建筑物上传播的标准。前者定义了潜水建筑物对波浪反射和波浪破碎的影响。后者定义了非线性色散机理对波浪传播的影响。
这项工作的主要目的是揭示波浪在堤后的透射系数和平均波周期取决于堤和初始波的参数。
图1：次波模型——初波表面的独立波峰（实验记录片段）
2.实验方法
室内实验是在俄罗斯索契研究中心“Sea Coasts”的水槽中进行的，水槽长22米，宽0.6米，深1米。研究了虚拟单频波在实体式潜堤和透空式潜堤上的传播。
实体式潜堤长1米，高度0.17米，置于水平底部，水深0.34米。在实验过程中，用3电容式测波仪测量波浪的传播过程。波浪记录的持续时间为1-2分钟，采样频率为17赫兹（图2a）。
透水式潜堤由四脚护堤块构成。堤长约0.4米，高约0.14米，倾斜放置，堤底斜率为0.022，水深0.4米。波浪传播用14电容式测波仪测量（图2b）。波浪记录的持续时间为2-3分钟，采样频率为50赫兹。
图2：实验水槽设计（a—实体式潜堤；b—透水式潜堤）
透射系数按下式计算：
其中下标tr和in代表堤后变形波和堤前初始波
平均波周期计算公式为：
平均波周期和传播系数的变化在wave chronograms分析的基础上进行评价，堤前和堤后要使用最近的测量仪记录：实体式潜堤为1号和2号测量仪，透空式潜堤为5号和6号测量仪（图2）。研究了平均波周期和堤与初始波的下一个无量纲参数的传播之间的依赖关系：
bull;相对波长 -堤长与深水区波长之比：Lbar / L；
bull;相对波高 - 堤上水深与堤前有效波高之比：dbar /Hs in；
bull;堤前波陡：Hs in/L
3.结果讨论
室内试验显示，透射系数随着波长的减小和波陡的增加而减小（图3）。透水式潜堤和实体式潜堤的透射系数最小值约为0.58，透水式潜堤在Lbar/L=0.21 时取得最小透射系数，实体式潜堤在 Lbar/L=0.55 时取得最小透射系数。透射系数随波陡的增加（波陡最大达到0.09）而减小，但对于陡度超过0.09的波，随着堤长的增加，透射系数增大。对于陡波来说，波浪破碎仅发生在堤端处，波浪在堤上变浅而不破碎致使堤后波高的增加。
图3：透射系数与相对波长和相对波陡之间的关系（a—透水式潜堤；b—实体式潜堤）
波的渗透性对平均波周期的变化有很强的影响，那些穿过透空式潜堤的波浪平均波周期不会发生变化（T2/T1 约等于1，图4 a）。对实体式潜堤来说，平均波周期总是至少减少至4%（图4 b）。两种潜堤平均波周期的减少都在波陡小于0.09时更有效。波陡 0.03lt;Hs in/Llt;0.09 时，实体式潜堤的平均波周期减少的更多。当波陡超过0.09时，实体式潜堤平均波周期的减少不超过5%，透空式潜堤不超过20%。对于相对堤长的增加的波浪来说，平均波周期几乎不变。这是因为陡波在堤上传播时消耗了最高非线性谐波。一般来说，透空式潜堤上平均波周期的减少不超过1.3倍（T2/T1最小值为0.77），但是实体式潜堤上平均波周期可以减少1.5倍（T2/T1最小值为0.65）。在波浪经过透空式潜堤上方，波长为堤长的12.5倍(Lbar/L=0.08)时，波周期取最小值。实体式潜堤减少的更快，当波长为堤长3倍(Lbar/L=0.32)时，波周期最小。
图4:平均波周期的变化与相对波长和相对波陡的关联（a—透水式潜堤；b—实体式潜堤）
图5：透射系数与相对波高和相对波陡之间的关系（a—透水式潜堤；b—实体式潜堤）
传播系数和主周期的变化取决于堤上的相对水深–堤上水深与堤前有效波高之比（图5,6）。对两种潜堤来说，都是相对水深越小，波陡越大，传播系数越小（或者堤后波高越小）。当堤上相对水深约为1.25时，平均波周期最小，在这个相对水深的过程中，将产生高次非线性谐波在耗散过程中占主导地位。这发生在波陡小于0.03的波浪在透空式潜堤上传播时和波陡为0.03lt;Hs in/Llt;0.09的波浪在实体式潜堤上传播时。
图6：平均波周期的变化与相对波高和相对波陡之间的关系（a—透水式潜堤；b—实体式潜堤）
图7：平均波周期的变化与透射系数和波陡之间的关系（a—透水式潜堤；b—实体式潜堤）
图7显示了对这两种潜堤来说，平均波周期的变化和传播系数之间的关系。可以看出，波陡对传播系数和平均波周期变化的最佳关系有影响。最佳是指传输系数的最小值和平均周期的最大下降值。表1给出了对实体式潜堤不同波陡时传播系数和平均波周期变化的最佳关系，表2给出了透空式潜堤。
表1：不同波陡的透射系数和平均波周期（实体式潜堤）
表1：不同波陡的透射系数和平均波周期（实体式潜堤）
所以，对透空式潜堤来说，平均波周期减小的越多(21%)，传播系数越大(0.89)。对实体式潜堤来说，这种相关性并不明显。实体式潜堤的传播系数基本不变 (0.74-0.76) ，对所有的平均波周期变化和波陡来说。波陡为 0.03lt;Hs in/Llt;0.09 时，透空式潜堤和实体式潜堤的平均波周期减小和波高都是最强烈的。潜堤可以减小14%的平均波周期（透空式潜堤），实体式潜堤可以减小33%。潜堤还可以减小36%的波高（透空式潜堤），实体式是34%。同时考虑两个参数（传播系数和平均波周期变化）对海岸带上波浪冲击的缓解作用，比只考虑传播系数（dbar /Hs约等于0.7），潜水建筑物上方的水深可以增加约30%（dbar /Hs约等于1）。这对于沿海地区的娱乐潜力很重要，因为，举个例子，对于快艇和小船将不再有航道限制。
4.结论
通过对潜堤上波浪传播的实验研究，验证了波浪进过潜堤时，波高可能会减小，平均波周期同样也可能减小。
对于减少平均波周期，实体非透空式潜堤更为有效。对于减小平均波周期，实体式潜堤的堤长必须在0.32倍初始波波长左右，对于透空式潜堤，这一数据为0.08。为了减少波长，透空式潜堤的堤长必须为0.21倍的初始波波长，实体式潜堤则为0.55。
实验结果表明，平均波周期在堤的1.25倍相对深度处减少地最多，与堤的渗透性无关。
传播系数和平均波周期变化的最佳关系取决于波陡。波陡为 0.03lt;Hs in/Llt;0.09 时，平均波周期和波高都将减小：平均波周期的减小程度分别为14%（透空式潜堤）和33%（实体式潜堤）；波高的减小率分别为36%（透空式潜堤）和34%（实体式潜堤）。
5.鸣谢
这项工作得到了俄罗斯基础研究基金会的№15-05-04649号项目和№149-2014-0034号项目的支持。
6.参考文献
Johnson, J.W., Fuchs, R.A., Morison, J.R., 1951. The damping action of submerged breakwaters. Trans. Am. Geophys. Union 32 (5), 704-718.
Beji, S., Battjes, J.A., 1993. Experimental investigation of wave propagation over a bar. Coast. Eng. 19, 151-162. Masselink, G., 1998. Field investigation of wave propagation over a bar and the consequent generation of secondary waves. Coast. Eng. 33, 19.
Van der Meer, J.W., Regeling H.J. and De Wall J.P. 2000. Wave transmission: spectral changes and its effects on run-up and overtopping. ASCE, Proc. 27th ICCE, Sydney, Australia
Kuznetsov S. and SaprykinaY., 2009. Mechanism of formation of secondary waves in coastal zone. Proc. of Int. Conf. on Coastal Dynamics 2009, Tokyo, Japan, World scientific.
Kuznetsov S. and SaprykinaY., 2012. Secondary waves in coastal zone: physical mechanisms of formation and possible application for coastal protection. Proceeding of 33th International Conference on Coastal Engineering, ed. by J.McKee Smith, World Scientific.
Kuznetsov S, Saprykina Ya., 2013. Combinations of submerged structures and floating breakwater for shore protection. Coas
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