波浪荷載的計算理論-書摘

1、 波浪荷載的計算理論波浪是發(fā)生在海洋表面的一種波動現(xiàn)象，其波動性質(zhì)因受淺水區(qū)域海底地形影響和水深的變淺，發(fā)生波浪破碎現(xiàn)象，成為影響海岸侵蝕和變形以及海岸帶污染物遷移與擴散的最主要的水動力環(huán)境之一。破浪破碎與沖擊現(xiàn)象對海上工程設施的安全也十分重要。由于波浪破碎及沖擊作用的機理極其復雜，至今仍然是海岸工程領域沒有解決的困難課題之一。因此，開展近海波浪破碎與沖擊過程數(shù)值模型的研究，就有著重要的理論意義和工程意義。波浪荷載,也稱波浪力，是波浪對港口碼頭和海洋平臺等結構所產(chǎn)生的作用。目前按繞射理論進行分析。波浪對結構物的作用由四部分組成：水流粘滯性所引起的摩阻力（與水質(zhì)點速度平方成正比）；不恒定水流的慣

2、性或結構物在水流中作變速運動所產(chǎn)生的附加質(zhì)量力（與波浪中水質(zhì)點加速度成正比）；結構物的存在對入射波浪流動場的輻射作用所產(chǎn)生的壓力和結構物運動對入射波浪流動場的輻射作用所引起的壓力。包括上述全部作用影響的波浪力理論稱為繞射理論。在目前實際工作中，常用只考慮了結構受到波浪摩阻力和質(zhì)量力影響的半經(jīng)驗半理論的莫里森方程分析波浪力。波浪荷載是由波浪水質(zhì)點與結構間的相對運動所引起的。波浪是一隨機性運動，很難在數(shù)學上精確描述。當結構構件（部件）的直徑小于波長的20時，波浪荷載的計算通常用半經(jīng)驗半理論的美國莫里森方程；大于波長的20時，應考慮結構對入射波場的影響,考慮入射波的繞射,計算時用繞射理論求解。影響波

3、浪荷載大小的因素很多，如波高、波浪周期、水深、結構尺寸和形狀、群樁的相互干擾和遮蔽作用以及海生物附著等。 波浪荷載常用特征波法和譜分析法確定。對一些特殊形狀或特別重要的海洋工程結構，除了用上述的方法進行計算分析外，還應進行物理模型試驗，以確定波浪力。 特征波法。 選用某一特征波作為單一的規(guī)則波，并以它的參數(shù)（有效波高、波浪周期、水深）和結構的有關尺寸代入莫里森方程或繞射理論的公式，求出作用在結構上的波浪力。此法簡便易行，在海洋工程設計廣泛應用。 譜分析法。利用海浪譜進行波浪荷載計算、結構疲勞和動力響應分析的一種方法。把波浪作為隨機性的、由許多不同波高和波周期的規(guī)則波線性迭加而成的不規(guī)則波，用概

4、率論和數(shù)理統(tǒng)計的方法收集、分析處理波浪觀測數(shù)據(jù)，由于它能較精確地反映波浪的能量分布規(guī)律，所以是一種比較理想的方法。海洋工程結構設計中常用的有P-M和聯(lián)合(JONSWAP)譜。波力譜確定后，可求出波浪力分布函數(shù)中的統(tǒng)計特征值，進而得到某一累積概率的波浪力。由于波浪具有明顯的隨機性，難用確定的函數(shù)表達，故在波浪的研究中常采用多個或無限個振幅、頻率、方向、位相不同的簡單波的疊加，并規(guī)定組成波的振幅或相位是隨機量，從而疊加的結果為隨即函數(shù)，以反映波浪的隨機性。實踐證明這種方法是可行的，它以成為研究波浪要素的統(tǒng)計特性的分布來描述它，另一是用波浪要素的“譜”來表征其內(nèi)部的頻率結構。當然，波浪外觀上表現(xiàn)出來

5、的性質(zhì)和它的內(nèi)部結構是有聯(lián)系的。由于波浪具有明顯的隨機性，難用確定的函數(shù)表達，故在波浪的研究中常采用多個或無限個振幅、頻率、方向、位相不同的簡單波的疊加，并規(guī)定組成波的振幅或相位是隨機量，從而疊加的結果為隨即函數(shù)，以反映波浪的隨機性。實踐證明這種方法是可行的，它以成為研究波浪要素的統(tǒng)計特性的分布來描述它，另一是用波浪要素的“譜”來表征其內(nèi)部的頻率結構。當然，波浪外觀上表現(xiàn)出來的性質(zhì)和它的內(nèi)部結構是有聯(lián)系的。水庫波浪席在風里直接作用下產(chǎn)生的運動，表面十分復雜，在統(tǒng)計過程中是把波浪當作準穩(wěn)定的隨即過程來處理，每次測量實踐為10-5小時。如果觀測是段短、波數(shù)少時，為了提高精度，可父子倆偏差大的缺點，

6、也可將各組中每種波的出現(xiàn)概率進行加權統(tǒng)計。左圖是根據(jù)1966、1967年密云水庫和還有那個水庫的原形觀測資料繪出的波高小于H的概率曲線，它與三元海浪概率分布的克雷洛夫共識甚為符合(即圖上所示公式)。波浪荷載作用下土體的動力特性:在波浪荷載作用下,海床中的土單元也受到一系列循環(huán)荷載作用. 在某一時刻,當波峰作用在所研究的土單元正上方,則會產(chǎn)生正的豎向壓力;當波谷作用在其上時,則產(chǎn)生負的豎向壓力. 這樣,在一個波長距離的波作用下,產(chǎn)生的應力是由三軸應力作用的圓形軌跡. 在波高為零的瞬時,波作用在土單元上,產(chǎn)生水平剪應力并引起單剪模式的應變,這一水平剪應力分量也隨著波的傳播而改變其方向,引起剪應力的

7、另一類型的循環(huán)交替. 值得注意的是,上述兩種循環(huán)剪應力是交替作用而不是同時作用的. 三軸試驗的剪切模式所產(chǎn)生的循環(huán)應力與單剪模式的水平剪應力相位差為90. 因此,由波浪荷載產(chǎn)生的作用在海床土體的循環(huán)應力是沿主應力方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)的,其應力交替的性狀可由圖2 (b) 中的vh與(v - h) / 2 之間的圓形關系來表示.具體例子：直立浮式截圓柱柱群的繞射問題假設流體為不可壓、無粘性、均勻的理想流體，流場中運動處處無旋。對靜止于水深為d的水域中的N個相同吃水h、半徑a的柱體，坐標系統(tǒng)如圖1，單個柱體的圓心Oj坐標為（xoj,yoj，z）（j1，N），建立局部的柱坐標系（j，j，z）。這樣第k個柱體中

8、心Ok相對于j柱局部坐標系有（Rjk，jk，z）極坐標，(j，k1，2，N）。入射波采用線性微幅波理論。圖1坐標系統(tǒng)為了將每個單元柱體的不同散射波成分迭加并計入柱間水動力干擾，引入大間距假設，即認為柱間距Rjk，j，k1，2，N與入射波波長相比足夠大，k0Rjk1。這樣由柱群中任一圓柱在入射波作用下產(chǎn)生的繞射波對其它圓柱的作用可近似為非平面修正的等效平面波，即改進平面波法。對每一個柱體而言，其速度勢中的未知系數(shù)與其編號無關，即決定未知系數(shù)的方程對每一個柱體都是相同的。因此，柱群情況下只需考慮第j柱附近的速度勢即可。對于第j柱，傳播方向與x軸正向夾角為的線性規(guī)則波速度勢j2I可記為:（1）式中，

9、A為入射波波幅（m），為入射波頻率（s1）；Jm（x）為第一類m階Bessel函數(shù)，m為Neumann常數(shù)，且01，m2（m1）；k0為波數(shù)，應滿足色散關系:2gk0thk0d。PHjexpi（k0xjcosk0yjsin）為相位項。對應第j柱的內(nèi)、外域速度勢應有:（2）（3）由入射波速度勢j2I引起的第j柱的繞射速度勢j2s為:（4）式中，考慮另一個柱體k，半徑亦為a，到j柱的距離為Rjk。由第j柱入射波引起的第k柱繞射勢為:（5）式中:代表了等效平面波幅:（6）為非平面波修正項，其中:這樣對N（N2）個柱體所組成的群柱中，外部入射波在第j柱的入射勢仍如（1）式。與上述二柱情形類似可得，由其

10、他N1個柱的繞射波在j柱產(chǎn)生的等效平面入射波勢j2I1：（7）對于j柱，等效平面入射波的一階非平面修正項包含兩部分:對其它N1個柱體外部入射波的繞射波的修正;其它柱體的繞射波在j柱的反射后的等效平面波修正。（8）由于等效平面波幅Cjk包含兩部分:k柱對外部入射波引起的繞射;由其它柱繞射波引起在k柱的二次繞射，這樣得:（9）式中，j，k1，2，N，jk。由（9）式可確定未知的等效平面波幅Cjk。確定了流場速度勢i（i1，2），可由伯努利方程確定流場中任一點壓力:（10）這樣沿濕表面上積分可得波浪對直立浮式柱群的q模態(tài)線性干擾力或力矩:（11）其中:q1，6，分別對應縱蕩、橫蕩、垂蕩、橫搖、縱搖和

11、首搖等運動模態(tài)。3數(shù)值計算結果分析本文應用上述理論和方法計算了不同波長、波頻情況下兩根直立浮式圓柱群的波浪荷載，并與現(xiàn)有的文獻結果進行了比較，取得了良好的一致。圖中圓柱橫截面半徑a10m，柱吃水h5m，水深d100m，波幅A1m，為海水密度，g為重力加速度，k0為波數(shù)，（s1）為入射波頻率，兩柱間距用R表示。圖中箭頭（）表示入射波的方向，表示前柱，表示后柱。圖中的點號（。）和叉號（）分別表示相應狀態(tài)下由A N WilliamsZ Demirbilek計算所得的雙柱的波浪力6。圖2為單柱及雙柱迎浪狀態(tài)下前柱（柱1）和后柱（柱2）所受x軸方向波浪荷載的幅頻變化曲線，此時入射波向角0，ha0.5，d

12、a10，R3a。圖3與圖2的情況相同，只是R5a。圖4為單柱及雙柱前、后柱所受y軸方向波浪荷載的幅頻變化曲線，此時0，ha0.5，da10，R3a。圖5與圖4的情況相同，只是R5a。圖6和圖7分別R3a和R5a時，單柱及雙柱迎浪狀態(tài)下前柱和后柱所受波浪力矩荷載的幅頻變化曲線，此時0，ha0.5，da10。圖2雙柱迎浪間距3a時x軸方向受力幅頻曲線圖3雙柱迎浪間距5a時x軸方向受力幅頻曲線圖4雙柱迎浪間距3a時z軸方向受力幅頻曲線Fig.4Nondimensional amplitude-frequency curves of load in z axle of two cylinders R3

13、a圖5雙柱迎浪間距5a時z軸方向受力幅頻曲線圖6雙柱迎浪間距3a時時縱搖干擾力矩幅頻曲線圖7雙柱迎浪間距5a時縱搖干擾力矩幅頻曲線（1）從圖中可見，柱群所受的波浪力對于柱間距和入射波頻率十分敏感。隨著柱間距離的增加，前柱1所受荷載峰值明顯變小。如圖3，R5a時，顯然柱1在x軸方向的波浪荷載最大幅值比R3a（圖2）時小。但是它隨k0a的變化明顯地比R3a時的復雜:圖2中k0a在區(qū)間（0，3.0）即頻率在區(qū)間0，1.7內(nèi)變化時荷載Fx出現(xiàn)了兩個峰值而圖3同樣區(qū)間內(nèi)Fx卻出現(xiàn)了四個峰值。圖5和圖7中柱1所受荷載和力矩變化也呈現(xiàn)出這樣的趨勢。相比之下，后柱2的變化總是比較平緩，它所受的荷載和力矩并不隨

14、著柱間距的增加而有劇烈的變化。（2）柱間水動力相互作用在入射波頻率很低時并不明顯。如圖3，當頻率在區(qū)間（0，0.5）即較低頻范圍內(nèi)變化時，單柱、柱1和柱2所受荷載幅頻曲線基本重合，圖7中低頻時柱體所受力矩曲線也基本重合?？梢姷皖l時柱間的水動力相互作用并不明顯，因此此時計算荷載時將其忽略也是合理的。（3）不同的波浪特性對柱群所受荷載有不同的影響。隨著入射波頻率的變化，前柱1所受力和力矩荷載以單柱荷載為平均值交錯變化，在某一頻率出現(xiàn)的最大值要超過同頻率下單柱所受荷載。某種參數(shù)組合的條件下，浮式柱群所受的荷載比單柱所受荷載要大許多，即使柱間距較大也是如此:如圖2中無因次的Fx大約在k0a0.8即0.

15、89時出現(xiàn)最大值2.2，遠遠大于同頻率下單柱的值1.4，而即使在R5a的情況下，如圖3，柱1的無因次Fx仍在某一頻率時達到最大值1.95，大于同頻率下單柱的值1.45。因此，在平臺設計中，設計人員只有充分考慮到這種由于柱間的相互作用所產(chǎn)生的荷載增加，才能有效地保證平臺的安全。相比之下，后柱2所受荷載都比同頻率下單柱所受荷載小，而且二者的荷載幅頻曲線的變化趨勢大體相當。出現(xiàn)這種現(xiàn)象主要是由柱間水動力相互作用引起的。柱間水動力相互作用可分為干擾效應和遮蔽效應，干擾效應使波浪荷載變化劇烈且使幅值增大，而遮蔽效應也使波浪荷載變化劇烈但卻使其幅值減少。以本文中的雙柱為例，前柱對后柱主要起屏蔽作用，使作用

16、在后柱的荷載較孤立柱明顯減小，如各圖中柱2所受荷載均小于相同條件下孤立單柱荷載;而后柱對前柱的作用主要是干擾效應，使得前柱上的波浪干擾力和力矩變化劇烈，較孤立柱明顯增大，如各圖中前柱1所受荷載的峰值在某些頻率時大于相同條件下的單柱荷載。隨著柱間距的增大，水動力相互作用有所減弱。隨著柱體個數(shù)的增加其變化規(guī)律會更為復雜，但是干擾效應和遮蔽效應仍然會十分明顯。（4）進一步的計算表明，隨著浮式圓柱個體數(shù)量的增加，計算的復雜程度也迅速增大。而改進平面波法的確是在理想的TLP平臺模型柱間散射波存在的情況下計算水動力作用的一種高效、精確的快速方法。該方法計算所耗機時較少，占計算機內(nèi)存小，有利于工程實際應用，

17、可廣泛地應用在各類海洋結構物的類似水動力計算中。預防措施：江河湖海岸坡和堤防岸坡的防護主要是防止水流和波浪對岸坡基土的沖蝕和淘刷造成的侵蝕、塌岸等現(xiàn)象。堤岸防護應根據(jù)防洪規(guī)劃和河流治導線的要求，并按因勢利導的原則，根據(jù)具體條件確定工程布局、形式和適宜的材料。 防波堤種類：斜坡堤、直墻堤、混成堤、透空堤、浮堤、噴氣堤和射水堤 為防御波浪、泥沙、冰凌入侵，形成一個掩蔽水域所需要的水工建筑物或其他設施。它是在建港的自然條件不能滿足其掩蔽水域的需要時建造的，使掩蔽水域有足夠的水深和平穩(wěn)的水面，既能保證船舶的系泊、裝卸和航行的安全，又能保護海港的各種裝備與設施，是海港工程的重要組成部分。一般規(guī)定港內(nèi)的容

18、許波高在0.51.0米之間，具體按水域的不同部位、船舶的不同類型與噸位的需要確定。防波堤常由一、二道與岸連接的突堤或不連接的島堤組成，或由突堤和島堤共同組成。防波堤掩護的水域常有一個或幾個口門供船只進出。沙質(zhì)海岸和淤泥質(zhì)海岸在波浪和潮流共同作用下，泥沙運動活躍，常在港口航道和泊地淤積。在這種情況下建造防波堤，除了防浪外還兼有防沙的要求。對沙質(zhì)海岸，防波堤可以起到攔截挾沙水流，改變泥沙淤積部位的作用。對淤泥質(zhì)海岸，防波堤可用于引導挾沙水流，盡量不改變原來灘沙沖淤平衡。港內(nèi)泥沙淤積強度直接影響港池和航道水深，除采用防波堤防淤、減淤外，必要時還需采用疏浚措施維護水深。在有冰凌的港口建造防波堤，還應考慮減輕流冰對航道和泊地的影響，以及易于排走冰塊。防波堤的平面布置，特別是口門的位置、方向、大小，對海港水域的水面平穩(wěn)和泥沙淤積起決定性作用?？陂T一般布置在港區(qū)的最大水