波浪與海上建筑物相互作用

摘要：占地球表面積71% 的海洋是一個巨大的資源寶庫， 除了豐富的水資源與生物資源外， 海洋石油及其他礦物資源不僅種類可與陸地上的各類資源相媲美，而且數量巨大。 此外， 海洋空間也是一種潛力巨大的資源， 在陸地上的可用資源日益緊張的今天， 海洋空間的作用將顯得更加重要。 海洋正在成為人類的第二生存空間， 下一個世紀人類對海洋的開發利用將面臨一個空前迅猛的發展時代， 與此同時， 也帶來了對海洋環境保護問題的嚴重關注。關于海洋的簡單介紹，如下。

關鍵詞：波浪；海上建筑物；作用

海洋開發利用首先必須依賴于海上工程設施。由于海洋的環境條件十分惡劣， 隨著海洋開發利用規模的日趨龐大， 就要求人類對海洋環境條件的認識、工程設施的設計理論與建造技術水平等有很大的提高， 以期在保證安全可靠的前提下降低工程造價、縮短建設周期、減少維修工作和延長使用年限，這必將給海岸和近海工程領域的發展帶來前所未有的機遇與挑戰。

波浪作用是海上建筑物最重要的環境荷載，了解海浪及其對建筑物的作用， 對于海岸和近海工程的研究、設計、施工及管理等方面的人員來說， 無論在理論上和實踐上都有重要意義。

對于海上建筑物而言，其承受的主要自然荷載之一是波浪荷載。當風浪由深海或近海傳播到近岸遇到海上工程建筑物時，就會發生波浪與建筑物的相互作用。建筑物對波浪的作用，使波浪發生變形或可能破碎，而建筑物則要承受由波浪作用而引發的波浪動力作用力；來波越大，則波浪荷載作用力越大。海上建筑物的存在，必然會影響到波浪在海域中的傳播，建筑物將對波浪產生阻礙作用，波浪遇到建筑物則會發生反射、繞射、透射及變形和出現波浪破碎和立波等現象，更為嚴重的會由此直接引發建筑物破壞。下面本文將從海洋中工程應用的幾個主要方面來具體闡述波浪與建筑物的相互作用。

一、波浪作用下建筑物周圍的泥沙沖刷及海床演變

海上建筑物有多種具體形式，如海底管線、小尺度樁柱、大尺度圓柱、防波堤、人工島等。當這些建筑物在海洋中存在時，建筑物附近的水流速度分布將被改變，這種流速的改變產生下面現象：在結構前方產生馬蹄形渦和渦在建筑物后方脫落；湍流的加強；波浪遇到建筑物時將會產生繞射、反射以及波浪破碎等現象。這些現象都會使建筑物周圍的底部剪切應力和泥沙輸沙率值增大，導致局部沖刷。在海上建筑物周圍，由于泥沙的運動受到很多因素的影響，尤其是當波浪和水流共同存在時，波浪與水流的相互作用是非線性的，波流共同作用下的海底水流速度和剪應力的分布也不是由單純波浪和單純水流兩種情況的簡單疊加，所以相對于定常流情況，對海上建筑物周圍泥沙沖刷的計算要復雜得多，目前還沒有十分成熟的，能較精確地模擬建筑物周圍的海床演變過程的數值模型。

近年來一些學者對于大尺度建筑物周圍的泥沙沖刷進行了試驗研究或數值模擬，在數值模型中，波浪場計算使用的是利用線性水平二維波浪方程或線性波浪在圓柱周圍繞射的解析展開解，模型中考慮了波浪輻射應力引起的水流，并且所研究的泥沙為無粘性的。在數值模型中利用水質點速度計算泥沙輸沙率，沒有對波浪邊界層的剪應力進行計算，并通過泥沙質量守恒方程計算海床演變。上面所提到的數值方法的計算結果與實測值都有較大的差別。在以往的關于大尺度建筑物周圍的泥沙沖刷的數值和試驗研究結果中，在建筑物的迎浪側會出現沖坑，而在背浪側會出現淤積。

在試驗結果中，當圓柱的直徑與水流和波浪水質點速度相比較大時，在圓柱的前方發生沖刷，而在圓柱的后方發生淤積，沖刷面積比淤積面積大，沖刷面積隨圓柱的直徑的減小而增大，當圓柱的直徑很小時，在圓柱周圍的海床全部被沖刷。在任何情況下最大沖坑深度位置位于在圓柱的側面。數值結果的沖坑深度較實測值小，而淤積高度較實測值大，數值結果與實測值之間的誤差隨圓柱直徑的減小而增大，說明數值模型在大尺度圓柱周圍的泥沙沖刷中是比較有效的。由于泥沙的運動情況受到很多因素的影響，目前關于海底剪切應力和泥沙沖刷的理論還很不成熟，所以在這一領域還有待于進行深入研究。

二、波浪與拋石防波堤相互作用

海水與防波堤及海床土體形成了一個相互交融的統一整體，大氣運動誘發了海水的波浪運動，又造成海浪與巖土的相互作用\"波浪的主要特征有周期性，且時斷時續、時高時低。當一次大風浪到來前后，常有若干較小系列的波浪呈現，并偶有暴風急雨、驚濤巨浪。由于海床巖石土體構造的復雜性和地質層狀性，波浪循環荷載作用下各種土體表現出很大的差異，這樣給解決波浪作用下海床土體動力響應問題和防波堤穩定性問題增加了難度。

對于波浪與防波堤相互作用及其海床土體動力響應問題，一般而言可采用現場觀測、試驗研究、理論分析以及數值模擬等方法來研究解決。物模試驗能較好地模擬實際波浪運動規律，能直接觀察到各種試驗現象并能通過各種傳感器采集到所需的重要物理數據，但由于受實驗場地限制，比尺一般較小，僅限于用在較小空間范圍內，且試驗成本高、耗時長，模擬邊界可能與實際狀況存在一定差別。理論分析方法從流體力學的基本控制方程出發，必須對具體問題做相當的簡化與假定，才能求得解析解，因此這種方法一般只適用于規則邊界的簡單情形，一般局限于線性問題，也難以在實際工程中廣泛應用。

隨著數值模型理論、計算方法和計算機圖形軟件的發展，數值計算模擬可以愈來愈逼真地顯示和預報海岸工程建筑物在波浪作用下的各種物理現象。相對物理模型而一言，目前數學模型在研究工作中所占的比重愈來愈大。在波浪與防波堤相互作用研究領域，應用的數值計算方法主要有有限差分法、有限元法、邊界元法、粒子追蹤法和無網格法等。

目前為止，人們通過運用現場調查觀測、物理模型試驗、數值計算和理論分析等方法，從不同角度、借用不同手法和基于不同假定，針對波浪與拋石防波堤相互作用及其海床動態響應題目密切相關的問題做了大量的分析研究工作，取得了一系列成果并得到了工程實踐的應用，然而仍存在許多未解決的或未解決好的問題有待深入探討，就與本文研究的相關內容，僅列舉以下幾個點：

（一）首先是海床巖土特性問題，例如，土顆粒的物理、力學性質、天然含水

固結狀態如何確定，用什么方法從海底獲得準確的、未擾動的原始土體樣本的問題等等。

（二）一般情況下，海床巖石土體材料是各向異性、非均質的彈塑性介質。目前有關各向異性、非均質和塑性特征對海床動力響應的影響方面還少有研究。

（三）實際海洋波浪往往是的非線性且不規則的。現有的研究成果多數還局限在線性波或規則波范圍。

（四）目前，對波浪作用下海床動響應問題，主要局限于純海床，且絕大多數研究成果是以砂質海床為對象，且假定其為彈性、均質、各向同性的兩相飽和介質。對有建筑物海床的動力響應及其在三維空間的分布問題更趨復雜，但也更具工程實際意義。因此，有必要針對土體原發的各向異性和非均質性來開展研究。

（五）傳統上對波浪域均假定其為無粘有勢的波動場，它沒有考慮流體的粘性和紊態特征，難以描述波浪與拋石多孔介質建筑物之間的強非線性和紊動行為，現巳有用紊動控制方程并借用各種數值計算方法來研究的成果，但哪種方法更合理更接近實際仍是未知數，還有待大量的試驗和現場實測來比較驗證。

（六）對于波浪域與海床面之間的邊界、拋石介質孔隙流域與海床面之間邊界、拋石介質孔隙流域與防波堤底的邊界均成在運動和動力禍合問題，現有成果或是未在完全意義上考慮了動力藕合問題，或是還未考慮到這類禍合問題。

三、海底管道沖刷與波浪力試驗研究

海上油氣資源已成為我國能源供應的一個重要組成部分。據 2005 年國土資源部、國家發改委聯合組織的第三次石油資源評價初步結果，目前全國海洋石油資源量為 246 億 t，海洋天然氣資源量為 15.8 萬億m3 。開發海洋、開采海洋油氣資源是我國能源發展的一個重要方向。

從 80 年代末到 90 年代，Sumer、Chiew 等對管道周圍砂質底床沖刷做了大量調查研究。Chiew根據不同的研究目的，設計了三個類型的試驗，對單向流作用下沖刷起動的機理和沖刷的發展過程進行了探討。此外，他還研究了波浪作用下，管道上安裝Spoiler對沖刷深度、幅度及沖刷發展速度的影響。Sumer對管道周圍沖刷的起動、沖刷坑發展的影響因素、引起管道渦激振蕩的極限沖刷長度等問題進行了詳細討論。Sumer的試驗重點考察了參數 e/D（e 為管道埋置于海底的深度，D 為管徑）和 KC（丘卡）數對沖刷起動的影響，而對沖刷起動時波浪的作用時間未作詳細研究；此外，Sumer 等也沒有考慮泥沙粒徑對沖刷深度的影響。Sumer 等得到的擬合關系式在應用上有一定的局限性，不能用于粘性底質海床沖刷深度預測。另一方面，Sumer 等的試驗主要集中于貼地管道周圍沖刷的研究，而對于有一初始埋置深度的管道周圍的局部沖刷未作深入研究。在國內，夏令等（2006）探討了波浪作用下泥沙的起動機制，在現有研究成果的基礎上，進一步考慮了波浪作用下海床中產生的滲透力對泥沙起動的影響。基于大型波浪水槽（水槽長 26.5m、寬 0.6m、高 0.8m）物理模型試驗，初步分析了波浪作用下海底管道周圍沖刷發生機理及其一般演變規律性。利用 VOF 法模擬波浪運動，并采用標準 k?ε湍流模型計算了平底固壁床面上沒有管道存在和有管道存在兩種情況下的壁面剪切應力，通過比較給出管道存在對底床侵蝕產生的影響。

早期，波浪力對管道穩定性影響的研究都是用機械驅動器來模擬作用在管道上實際的水動力，所以通過試驗得到的管土相互作用模型不包含波浪參數。如果要和以前的試驗結果作對比，必須對作用在管道上的水動力作計算。計算作用在海底管道上的波浪力都是用莫里森（Morison）方程，計算水平向力、垂向力和上升力。然而在力的模型中，尾流會改變管道周圍水質點的速度，試驗表明莫里森方程在預測形態細節和力的作用時間上有局限性。Soedigdo等）提出WakeⅡ模型，該模型基于對振蕩流的線性Navier-Stokes模型閉合形式的解法，得出尾流速度修正值；基于起動效應確定水動力系數。WakeⅡ模型可用來計算分析只在規則波作用下的各種管徑管道的穩定性。Sabag等（2000）指出：WakeⅡ模型與試驗結果吻合，是對莫里森（Morison）方程的改善。

MadhuSudhan等（2002）通過試驗對埋置于底床中的管道所受波浪力進行了研究。試驗水槽長30m、寬2m、高1.7m，把一段管徑為200mm的管道模型埋置于砂質底床中，針對不同波高和埋置深度進行了96組試驗。管道垂直于水流方向放置，通過均勻布置在環管道周圍的12個傳感器測定管道所受波浪力。試驗結果表明：管道所受波浪力明顯取決于波周期，并與管道埋置深度有關。管道頂部所受波浪力較大，管道底部所受波浪力較小。

在國內，麥繼婷等根據懸浮隧道自身結構特點和工程設計中所考慮的波浪條件，利用Morison方程和線性波浪理論，計算分析了隧道放置深度、海流速度、流向與波向間的夾角、波浪周期等諸多因素對隧道所受水平波浪力的影響。研究發現：（1）隧道放置深度過大，將使水平波浪力變化幅度增加，在一個波浪作用周期內受力情況趨于復雜；（2）海流速度的變化，導致波浪力變化幅度、出現峰值的時刻發生變化，且曲線波形變化趨于對稱；而流向與波向間夾角對波浪力的影響，當海流速度較小時，夾角的變化對波浪力幾乎不產生影響，只有當速度較大時，才有所反應；（3）周期的變化對隧道所受波浪力有明顯影響。波浪作用周期過小將導致隧道所受波浪力的變化幅度顯著增加，且在波浪作用周期內峰值次數增加，使得隧道所受波浪力變化趨于復雜。因此在設計時應對周期較短的波浪對結構物的作用予以重視。

總之，關于海底管道沖刷掏空和管道穩定性早已引起國內外高度重視。我國在這方面的研究起步較晚、發展較快，由于目前我國海底管道面臨的問題比較嚴重，需要加大研究力度，為海底管道安全提供技術保障。

四、波浪和地震作用下對樁柱的影響

隨著經濟的快速發展，越來越多的跨海大橋和鉆井平臺之類的帶樁柱結構的建筑物出現在海洋之中，所以研究波浪和地震對海洋中樁柱結構的作用越來越重要。

深水橋梁在地震作用下同時會受到波浪作用，研究地震和波浪聯合作用對深水橋梁動力響應的影響具有重要意義。現在有些學者提出利用輻射波浪理論求解橋墩地震動水壓力，并采用繞射波浪理論考慮波浪作用，建立地震和波浪聯合作用下的深水橋梁動力響應分析方法；首先對深水橋梁分別進行地震和波浪作用下的動力響應分析，最后進行地震和波浪聯合作用下的橋梁動力響應分析。分析得到，地震動水壓力作用增大了橋梁結構的動力響應；波浪沿橋梁不同方向入射時波浪力對橋梁結構的動力響應影響有所不同，相對地震作用而言波浪影響較小；波浪和地震聯合作用時橋梁結構的動力響應并不是兩者單獨作用下動力響應幅值的簡單累加。由此得出深水橋梁動力響應分析應合理考慮地震和波浪作用的結論。

還有些學者利用有限元軟件ANSYS模擬高樁承臺-土-上部結構在波浪和地震共同作用下的內力和變形，采用Morison方程計算波浪力，并對結構水平方向輸入El-centro波進行模擬，根據時程曲線分別選取初始狀態和正負加速度最大狀態對結構進行研究，研究了樁基礎在波浪和地震共同作用下的位移、彎矩、剪力以及軸力的變化，并與地震單獨作用下的結構動響應進行了對比分析。分析結果表明，在波浪和地震共同作用下，前排樁所受彎矩最大，同時，樁頂的受力最危險；樁頂軸力分布表現出角樁最大、中間樁最小的分布特征。當波浪力和地震力方向一致時，樁頂位移增大，樁身彎矩和樁頂剪力也隨之增加；反之，當波浪力和地震力方向相反時，則樁頂位移減小，樁身彎矩和樁頂剪力也隨之減小。

通過波浪與海上建筑物相互作用的四個在工程實例方面的主要應用，介紹了近幾年來波浪與海上建筑物相互作用這一學科的發展狀況和當前所面對的主要問題。隨著經濟的快速發展的需要，這方面的問題也亟待解決，前輩們對我們這新一代研究人員給予深切期望，我們更應該努力探索，爭取在這一問題上有所突破。

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