現(xiàn)代科技綜述知識文庫：波浪與海工建筑物的相互作用

1、現(xiàn)代科技綜述系列波浪與海工建筑物的相互作用科技是人類區(qū)別于動物的重要文明之一，是人類對自然規(guī)律研究和利用的學(xué)科。本文提供對科技基本概念“波浪與海工建筑物的相互作用”的解讀，以供大家了解。波浪與海工建筑物的相互作用隨著世界海洋運(yùn)輸事業(yè)的發(fā)展，港口、海岸及海洋工程的發(fā)展就顯得越來越重要。波浪是海上建筑物所經(jīng)受的最主要的動力荷載，是設(shè)計海上工程時所需考慮的關(guān)鍵因素，它對海工建筑物的作用直接影響著建造在海岸和海洋中的用于各種用途的海工建筑物的設(shè)計、施工和安全等問題。因此波浪對海工建筑物的作用的研究是十分重要的問題。波浪對建筑物的作用有許多種類，由于結(jié)構(gòu)型式的不同，建筑物前的波浪形態(tài)和波浪對建筑物的作用

2、也各異。防波堤、開敞式碼頭、護(hù)岸及海上平臺是目前國內(nèi)最常見的海上建筑物，它們分別屬于直墻式、斜坡式、混合式，以及各種尺度和布置型式的樁或柱結(jié)構(gòu)。波浪又分為深水波、淺水波或不規(guī)則波、正在破碎波、已破碎波或未破碎波等。由于工程實(shí)際的需求，波浪與各種型式的海工建筑物的相互作用一直是海洋工程界學(xué)者主要關(guān)注的研究內(nèi)容。就采用的波浪理論而言，總的趨勢是由線性理論向非線性理論發(fā)展，提出了微幅波，Stokes波、孤立波、橢余波和流函數(shù)波浪理論等等。20世紀(jì)50年代初，Pierson最先把Rice關(guān)于無線電噪聲的理論應(yīng)用于海浪，與Newman等提出了能量譜的概念，并用于海浪預(yù)報。從此這一理論開辟了海浪研究的另一

3、個重要途徑，并成為90年代的主要研究方向。隨著海工建筑物的發(fā)展，有關(guān)波浪作用的理論和試驗(yàn)方法、計算方法也隨之有了廣泛 而深入的發(fā)展。海岸工程及海洋工程的結(jié)構(gòu)物中，各種型式的桿件或柱狀結(jié)構(gòu)得到了廣泛的應(yīng)用，這些桿件或柱體可以是垂直的、水平的或斜向布置的，其截面尺度相對于波要素可以是小尺度的或是大尺度的。對于小直徑垂直構(gòu)件，至今仍主要采用1950年Morison等人提出的方法計算波浪對其的作用力，它認(rèn)為當(dāng)構(gòu)件尺度與波長相比較小時，樁柱的存在并不影響波浪場，故作用在其上的波浪力除與樁柱尺度有關(guān)外，還取決于未被樁柱擾動的波動場內(nèi)的水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動速度和加速度。對于傾斜桿件，Borgman(1958)建議采用

4、推廣的向量Morison方程進(jìn)行計算，李玉成等分別對傾斜桿件上的波浪力做了實(shí)驗(yàn)研究，很好地驗(yàn)證了Borgman所提出的計算方法。由于Morison公式的經(jīng)驗(yàn)性質(zhì)，所以被廣泛地應(yīng)用于海上小尺度桿件的設(shè)計中。當(dāng)柱體尺度很大時，波浪場將受柱體的干擾，此時Morison方程不再適用，通常采用1954年由MacCamy和Fuchs所提出的基于波浪繞射理論的計算方法。他們假定流體無粘性作勢流運(yùn)動，采用線性波理論，柱體只產(chǎn)生波浪的散射而無水流的分離。因此，當(dāng)平面波推進(jìn)與柱體相遇時，此入射波將與沿柱面向外散射的波系相疊加形成一新波系，柱體所受的波浪力將決定于新波浪場。隨著研究的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)墩柱上作用有定常或

5、緩變的波浪力，這個現(xiàn)象是線性理論所不能解釋的，于是許多研究者就開始了非線性波浪力的研究。由于階數(shù)的增加，計算量迅速增加，且更高階的勢所占的比重不會很大，所以一般的非線性研究只考慮二階問題。Chakrabarti在1972年研究了垂直圓柱體受到非線性波浪力，把Stokes五階展開理論應(yīng)用到繞射問題。接著Hunt與Baddour等對Chakrabarti的工作做了改進(jìn)，由于二階繞射勢的輻射條件不甚清楚，在求解中，有多種輻射條件被采用。隨著對任意形狀的柱體的研究的開展，從80年代開始，有人用數(shù)值解法研究了非線性波浪力，有限元法、無限元法、源匯分布法等都曾被用來解決這樣一個問題，也得到了比較滿意的結(jié)果

6、。邱大洪(1985)將此繞射理論應(yīng)用到淺水區(qū)域橢圓余弦波對單個墩柱和多個墩柱的作用情況，又將此繞射理論向前發(fā)展了一步。在港口及海岸工程中，斜坡堤是一種傳統(tǒng)的、廣為采用的結(jié)構(gòu)型式，這種結(jié)構(gòu)可以采用大量的當(dāng)?shù)夭牧希以诔O(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的外荷載的作用下一般不易發(fā)生災(zāi)害性破壞，因而采用較多。它通?？梢杂米龇啦ǖ?、碼頭、護(hù)岸等。由于波浪容易在斜坡堤面上發(fā)生劇烈破碎，人們就發(fā)展了幾十種穩(wěn)定性較高的混凝土人工塊體。最早計算斜坡堤石塊穩(wěn)定重量的方法是在1938年由西班牙Iribarren所提出的，他假設(shè)波浪在斜坡堤上完全破碎，石塊有可能沿斜坡下滑滑動失穩(wěn)。1959年美國Hudson提出了另一種方法，即沿用至今的Hu

7、dson公式，其假定波浪在斜坡面上發(fā)生破碎，塊體由于浮起失重而失去穩(wěn)定。Hudson公式至今仍廣為應(yīng)用。波浪爬高亦是斜坡堤設(shè)計中的一個很關(guān)鍵的參數(shù)。由于斜坡堤有著各種不同的斷面形式，從而得到適用條件各不相同的研究結(jié)果，有側(cè)重理論的，也有側(cè)重于試驗(yàn)的，由于斜坡面上波浪水流現(xiàn)象的復(fù)雜性，迄今在工程上主要采用試驗(yàn)研究成果。斜坡堤越波量的估算，目前的一些成果也是基于模型試驗(yàn)得到的。直墻建筑物也是工程中經(jīng)常被采用的一種結(jié)構(gòu)型式，如防波堤、護(hù)岸、碼頭等，波浪力通常是它們最主要的外荷載。直墻前的波浪形態(tài)與墻體結(jié)構(gòu)和墻前的地形和水深有很大關(guān)系，可以形成全反射的立波、部分反射的立波、遠(yuǎn)破波、近破波等。關(guān)于立波理

8、論，1928年法國Sainflou應(yīng)用拉格朗日坐標(biāo)系提出了一個直墻前立波的理論解，由于其計算簡便，且在一定范圍內(nèi)具有足夠的精度，所以至今一直為工程師們所采用。70年代以來各國學(xué)者分別在尋求更高階的近似解，中國的洪廣文及邱大洪對高階近似解都做過大量的工作，邱大洪還把橢余波理論應(yīng)用到直墻建筑物的情形，給出了許多有意義的理論和試驗(yàn)結(jié)果，Penny和Price對深水有限振幅的立波進(jìn)行了詳盡的研究，得到了五階近似的理論解，對淺水立波也作了二階近似解，傳統(tǒng)的直墻結(jié)構(gòu)主要起擋浪作用，它或是將波浪全部反射，或是部分反射及部分破碎，因而需要很大的自重才能保持建筑物的安全與穩(wěn)定，為了降低工程造價，減輕結(jié)構(gòu)物重量，

9、并很好地消浪，人們提出了許多新型結(jié)構(gòu)，如削角堤、圓形結(jié)構(gòu)、透空式結(jié)構(gòu)和曲面壁消浪結(jié)構(gòu)沉箱等。目前對于直墻前的波浪破碎的機(jī)理尚無滿意的解釋，因此大部分研究工作均靠實(shí)驗(yàn)研究。隨著計算技術(shù)的高速發(fā)展，也給海岸工程的研究注入了新鮮血液，已有人在用數(shù)值方法模擬波浪對直墻建筑物作用的全過程，這無疑使得人們對波浪的作用現(xiàn)象認(rèn)識更為清楚。波浪是海上建筑物的主要荷載，波浪對建筑物的作用主要有二方面：一是直接作用在建筑物上的波浪力，一是波浪在海床內(nèi)引起的滲流對建筑物與海床接觸的邊界上作用的波浪滲流力。前面涉及的都是指前者的作用，后者的研究在學(xué)術(shù)界是80年代才開始的，而在工程界則多采用根據(jù)判斷而提出的經(jīng)驗(yàn)計算方法，

10、缺乏理論依據(jù)。波浪在多孔介質(zhì)內(nèi)的滲流作用包括兩方面，一是作為多孔介質(zhì)的海床或人工拋石基礎(chǔ)，在與之相接觸的海工建筑物上作用有波浪滲流力；一是以多孔介質(zhì)為材料所建造的海工建筑物中的波浪滲流作用，上述滲流作用比較復(fù)雜，它涉及波浪在可滲結(jié)構(gòu)上和內(nèi)部傳播引起的孔隙水壓、滲流、孔隙水壓積累等現(xiàn)象，以及可滲結(jié)構(gòu)對波浪的影響?；诤４矠閯傂远鄮卓踪|(zhì)的假定，Durand和Monkmeyer(1980)對波浪場下滲流對大尺度圓柱的作用進(jìn)行了理論分析和計算，并相應(yīng)地做了一些驗(yàn)證性模型試驗(yàn)。邱大洪領(lǐng)導(dǎo)的課題小組自1986年開始，基于海床可滲可壓縮的假定，用Biot固結(jié)理論對重力式結(jié)構(gòu)底面上由于波浪引起的滲流力進(jìn)行了系

11、統(tǒng)的研究，其中包括解析的、數(shù)值的和實(shí)驗(yàn)研究，相繼給出了立于有限深或無限深海床上或拋石基床上的二維或三維的圓形截面，以及任意形狀建筑物在線性波、橢余波、不規(guī)則波作用下的滲流力的解析解、數(shù)值解和模型試驗(yàn)結(jié)果，經(jīng)比較表明，理論結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合很好。在波浪作用下，斜坡式拋石防波堤和護(hù)岸等拋石結(jié)構(gòu)，其堤身和護(hù)面都可能發(fā)生破壞，在設(shè)計此類結(jié)構(gòu)時，所需考慮的幾個因素大多與堤身內(nèi)引起的滲流運(yùn)動有關(guān)，在目前的工程設(shè)計中，均采用經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計方法或物理模型試驗(yàn)來確定設(shè)計斷面，雖然也有一些數(shù)模結(jié)果，但距實(shí)際工程尚有差距。由于這些因素，許多研究者相繼開展了這方面的研究。1978年Madsen在長波、小振幅的假定下，研究

12、了波浪的爬高、反射、波浪在堤身內(nèi)的運(yùn)動以及波浪的透射等問題。邱大洪等用邊界元與有限元相結(jié)合的方法，采用同時求解波浪場和滲流場的數(shù)學(xué)模型，提出了波浪在拋石防波堤內(nèi)引起的滲流運(yùn)動模型。除了以上所述的幾種建筑物外，波浪與海工建筑物相互作用研究還包括波浪對浮體、海底管線的作用，對這方面的問題也已有不少的研究成果。波浪對海工建筑物的作用分為確定性的和不確定性的問題。在確定性分析中，波浪被看做是單方向的、連續(xù)穩(wěn)定的、等振幅的過程，然后確定其波浪力的大小，規(guī)則波的作用情形就屬于這類問題。在不確定性分析中，波浪被看做是隨機(jī)的過程，通過統(tǒng)計分析和譜方法分析波浪力的大小，不規(guī)則波的作用情形則屬于這類問題。不規(guī)則波

13、的作用力將以建筑物所受的規(guī)則波浪力的分析計算方法做為其研究的基礎(chǔ)，目前主要采用以下幾種方法進(jìn)行分析：特征波法；譜分析法；概率分析法；不規(guī)則波試驗(yàn)法。目前許多研究者對此進(jìn)行了大量而深入的研究，并已將許多研究成果應(yīng)用到實(shí)際工程之中。由于計算機(jī)的引入，波浪對海工建筑物的作用研究大大拓寬了其研究范圍。目前許多計算方法，諸如有限差分法、有限單元法、邊界元法、流體體積函數(shù)法、有限分析法等，都曾被用來解決這一領(lǐng)域的許多問題，將此數(shù)值解與理論解及實(shí)驗(yàn)結(jié)果結(jié)合起來，構(gòu)成了對問題的一個完整解答。研究表明，數(shù)值方法已越來越顯示其巨大的優(yōu)越性和蓬勃的生命力?！緟⒖嘉墨I(xiàn)】： 1 Morison J R, Johnson J. W. Schaaf, SA, Petrole