武漢巖土所珊瑚礁坪水動力消能機理研究獲新進展

科研團隊以某實際工程為原型，按照重力相似準則，建立了用於開展珊瑚礁礁坪波浪傳播過程衰減消能研究的物理試驗模型，通過水槽模型試驗和數值計算模擬，分析不同坡度、粗糙度的礁坪對不同波高、周期的波浪傳播過程以及波高衰減規律，揭示了波浪能量耗散機理，研究了波浪在礁緣處破碎、波生流以及增水過程，提出了島礁防波堤穩定性設計可靠參數。

珊瑚礁具有獨特的地貌相帶特徵，由外至內依次為：向海坡（礁緣坡）相帶、外礁坪相帶、礁坪突起相帶、內礁坪相帶、潟湖坡相帶和潟湖盆相帶。珊瑚礁生長特點決定了礁坪相帶整體坡度小、表面粗糙不平，坑洞和凸石分布無規律。因此，波浪自礁坪外緣向潟湖方向傳播，翻越整個礁坪時能量逐漸衰減，形成波能分布帶。礁坪的存在能夠有效減弱深海傳遞的波浪直接作用於吹填島礁護岸防波堤的水動力作用，在堤腳防浪塊石和扭王字塊共同作用下，護岸防波堤被淘蝕衝毀的威脅可降至更低。然而，由於海洋測試條件困難、傳感器精度和使用範圍受限，礁坪水動力現場準確測試一直難以實現，為了更好的揭示礁坪水動力消能機理，為島礁防波堤穩定性設計提供可靠參數，武漢巖土所海洋工程地質科研團隊與天津大學建築工程學院聯合攻關，開展了相關研究。

科研團隊以某實際工程為原型，按照重力相似準則，建立了用於開展珊瑚礁礁坪波浪傳播過程衰減消能研究的物理試驗模型，通過水槽模型試驗和數值計算模擬，分析不同坡度、粗糙度的礁坪對不同波高、周期的波浪傳播過程以及波高衰減規律，揭示了波浪能量耗散機理，研究了波浪在礁緣處破碎、波生流以及增水過程，提出了島礁防波堤穩定性設計可靠參數。研究結果表明：相同條件下，相對入射波高越大（水深越小或者入射波高越大），礁坪的消能比越高；隨著波浪周期的增加，礁坪的消能比相應提高，即礁坪對不同季節波浪消能效果不同；相同條件下，礁坪坡度越大，礁坪消能效果越顯著，表現在不同位置礁坪對同級波浪消能效果存在差異；礁坪粗糙特徵尺度越小，對波浪能的耗散越好，但是粗糙度的整體影響較為有限。

該研究成果受中科院戰略性先導科技專項（A類）（XDA13010200）和國家自然科學基金（No. 41877267）資助。

圖1  典型組次試驗條件照片（H=0.06m, T=1.4s）

圖2  數值模擬與試驗測試結果驗證（α=2°，d2=0.3m，h=4.8m，H=2.4m，T=8.67s）

圖3  沿數值模擬波浪傳播過程，α=4°, h=4.80m, d2=0.30m，H=2.40m，T=8.67s

　圖4  礁坪消能比模型試驗與數值計算結果相關性分析