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不规则波对不同建筑物的作用浅谈
摘要
不规则波对建筑物的作用有很多，因建筑物不同，主要关注点不同。本文主要介绍了不规则波对直墙式建筑物的波浪力作用；对斜坡式建筑物的爬高和越浪量；对单桩（柱）的波浪力，群桩的群桩效应；对离岸式高桩码头面板底部的波浪浮托力。
关键词：不规则波；波浪力；越浪量；波浪浮托力
0、前言
随着海洋工程的发展，需要在海边和海中建设各种不同的建筑物。波浪力是这类工程的一个重要的外荷载。对于规则波的作用研究有很多，工程中对于不规则波的处理一般是选择一个特征波高作为规则波进行计算。但这样处理有时会产生严重后果。在设计工作中将海浪视为一种随机不规则波是很有必要的。不规则波对建筑物的作用有很多，因建筑物不同，而关注点不同。如对直墙建筑物关注不规则波对墙的波浪力，斜坡式的则主要是爬高和越浪量。下文将进行简要介绍。
1、不规则波对直墙式建筑物的作用
直立式防波堤是外海防护建筑物和护岸建筑物的一种重要型式。由于其具有以下优点如:适用于水深较大的地区，造价要低于斜坡式防波堤，同时其内侧可兼作码头等，因而在日本、意大利和中国的海岸地区得到广泛采用。但由于其消浪差，所受波浪力较大，一旦破坏则不易修复，故应对其所受波浪力进行研究，以确定合理的设计波浪力，保证所建防波堤既安全又经济。自然界中的波浪是多向不规则的，而且常斜向击堤，入射波与反射波相互干涉，在堤前形成短峰波，Hsu[1]，Fenton[2]等对短峰波的理论研究表明，短峰波对直堤有可能产生比正常立波更大的波浪力。
波浪力是作用在直立堤上的主要荷载。计算作用在单元堤上的总波浪力时，首先需要确定作用在单位堤长上的波浪力，我国《海港水文规范》中规定按单向波正向击堤计算堤面水平波浪力和堤底浮托力。然而自然界中的波浪是多向不规则的，而且常斜向击堤，所以计算中应考虑波浪斜向作用和多向性对波浪力的影响。这种影响表现在两个方面:一是对单位堤长上波浪力的影响，二是对作用在整个单元堤上总波力的影响。
由于现场观测和实验室模拟多向不规则波浪与直堤相互作用的困难，国内外有关多向波与直立堤相互作用的研究成果较少。初步研究结果表明，多向波的作用力小于单向波的结果，且多向波力随波向角的变化不大。但斜向波作用在单位堤长上的波浪力随波向角的变化规律还存在较大的分歧，单元堤上波浪力纵向折减的定量计算方法也不够成熟。理论上由于采用一些假设，在实际应用中存在一定的局限性。由此可见，为使工程设计更为经济合理，进一步研究斜向和多向不规则波对直立堤的作用是非常必要的。
另一个研究不规则波浪对直立堤作用的途径是建立垂向二维或三维数值波浪水池，用来获得波浪对建筑物接触面的压强，以全面了解波浪对建筑物的作用。与物理模型试验相比，数值模拟更具有灵活性，可以在相对较短的时间内考虑多种不同的方案，具有费用较低，无比尺效应，不受场地限制等优点。而且在计算域内，可对控制方程不做任何简化处理，对三维波场的水深地形及岸壁形状不加任何限制条件，可保证在边界上严密地满足波浪运动边界条件，这也是它优越于理论解析解的一方面。但它由于存在随时间变化的不规则自由表面处理和压力泊松方程求解等方面的困难，这方面的研究比较缓慢。数值模拟波浪与结构物相互作用的另一个难点是造波和吸收边界的处理问题。尤其模拟波浪与直墙的相互作用时，波浪在直墙前的反射比较严重，其反射波到达造波边界后可形成二次反射波，此时常用的方法是扩大计算域，在波浪遇建筑物形成的反射波传至造波边界产生的二次反射波到达直墙前停止计算。但对于不规则波浪，必须长时间连续造波和消除造波边界的二次反射，上述造波边界的处理就意味着需大量地增加计算区域，造成计算机资源的浪费，因而不适用于模拟不规则波与直墙的相互作用。鉴于存在此问题，过去很少有人直接从数值模拟的角度来研究不规则波浪与直墙堤的相互作用问题。[3]
李本霞（2003）[3]对于斜向和多向不规则波对直立堤作用的研究得到以下结论：
（1）斜向波作用于单位堤长上的波浪力并不随入射角的增大而减小。入射角小于450时，波陡较小的单向波作用在单位堤长上的波浪力常随入射角的增大而增大，且场=45“时的波力常比波浪正向入射产生的波力大得多。而多向波力随波浪入射角的变化不大，多向波的作用力略小于单向波的结果，波浪多向性(s=40和10)对单位堤长波浪力的影响不很明显。入射角相同时，长波产生的波浪力较大。单位堤长波力随相对波高的增大而增大，且二者不成线性关系，波浪的不规则性对单位堤长波浪力的影响不大。当规则波的波高和周期的等于不规则波的H1%和时，其产生的单位堤长波浪力要略小于不规则波力P1%。
（2）由于波浪斜向入射时最大波力并不同时作用于整个单元堤上，作用在单元堤上的总波力还取决于波浪力沿堤长的纵向分布。波浪正向入射时，多向波力的纵向不均匀性大于单向波力的不均匀性，并随波浪多向性的增强而增强。斜向波作用下，由于多向波能量的方向分布所起的均匀化作用，多向波力的纵向不均匀性要小于单向波力的结果。当波浪能量的方向分布宽度相同时，波浪力的纵向分布主要取决于单元堤的相对长度，基本上不受波陡和相对波高等波浪要素的影响。
（3）目前常用的计算直堤波浪力的方法(《海港水文规范》法或Goda方法)对于斜向波和多向波可能是不合适的，因为它们不能正确考虑波浪入射角对延米波力的影响和单元堤上总波力的折减。
2、不规则波对斜坡式建筑物的作用
海浪与斜坡式海岸建筑物接触后会沿建筑物的坡面向上爬高，当爬高超过堤顶时即发生越浪。越浪量是衡量越浪大小和多少的参数，以往采用较多的是平均越浪量的定义，即：一个波列(包含一百个以上波浪)在单位堤长上，单位时间内的平均越顶水量(m3/m.s)。平均越浪量可以反映出越浪的长期效果，是考虑建筑物顶部及内坡冲蚀、侵蚀和堤后陆地排水问题的主要参数。该参数提出的较早应用的也较广，我国的《海港水文规范》已收入有关正向波平均越浪量计算的相关规定，详见1.2节。
Kobayashi等[4]味口俞聿修等[5]的研究结果表明，频谱宽度对不规则波的越浪量有一定的影响，谱宽越大，越浪量越大。van der Meer [6]和Lorenzo等的研究表明在实验中如果采用谱峰周期Tp或频谱负一阶矩周期Tm-1.0，则对于不同宽度和形状的频谱得到的结果都是相近的，特别是当采用Tm-1.0时即使双峰频谱的实验结果也与其它谱型的结果相近。Owen[7]在进行光滑斜坡堤上单向不规则波平均越浪量的实验时也对少量斜向波的情况进行了考察，指出波向角在β=15°-30°之间的平均越浪量比正向波时的大，且在波向角为150时最大。Banyard[8]等指出光滑斜坡堤上单向不规则波的波向角对平均越浪量的影响可表示为:
（1）
其中Or为斜向波的平均越浪量与正向波的平均越浪量的比值。当波浪以很小的角度(小于10°)斜向入射时平均越浪量有时会出现最大值，但总体上平均越浪量随波向角增大而减小，并且多向波减小的程度要小于单向波。de waal等对斜坡堤上不规则波越浪实验结果的分析指出，当β=10°-30°时有时可以发现平均越浪量较正向波时增大的情况，但总体上单向波的平均越浪量在β<30°时基本保持不变， β>30°时平均越浪量开始快速减小， β=60°时平均越浪量只有正向波时的0.6倍。相比之下多向波的平均越浪量受波向角影响更小， β=60°时的平均越浪量仍为正向波时的0.8倍。
但平均越浪量无法对越浪的短期效应作出恰当的反映，目前已有相关报道在一些游人较多的海滨和海堤后侧建有公路的地区每年都会发生越浪袭击游人和过往车辆的事件。这些危险事件是由少数大波产生的越浪引起的，因此对单个波浪产生的越浪量进行研究十分必要。[9]
由于工程中所遇的波浪为随机波浪，所以设计时常采用对应于一段较长时间内最大的单波越浪量或对应于某个超值概率(如1%，即大小超过该值的单波越浪量的概率为1%)的单波越浪量作为设计标准。
《港口水文规范》中计算风直接作用下不规则波的爬高时，需用到斜坡护面结构型式有关的糙渗系数，与风速有关的系数，累计频率为1%的波高，糙渗系数和波高都为1时的爬高等参数。[10]
3、不规则波对桩基和墩柱的作用
作用于柱体全断面上与波向平行的正向力由速度分力和惯性分力组成，工程上可按海港水文规范计算，与波的因素相关的是波长，波高和周期。对于不规则波浪，在一个波列中的各个波浪的波高和周期都是变化的。工程上常用某种特征波高及其相应的周期来代表一个不规则波列。
在波浪作用下， 群桩中各组成桩的受力常与孤立桩有较大的差别。这种变化的原因被称之为群桩效应。群桩效应除与相对桩距、群桩排列方式、桩个数等几何因素有关外， 还与波要素及波态(规则波或不规则波) 有关。群桩效应的研究工作迄今大都限于规则波的情形， 而天然海浪是不规则的。因而， 研究不规则波作用下的群桩效应具有很大的工程现实意义，主要采用实验室模拟和数值计算两种方法。
4、离岸式高桩码头面板底部波浪浮托力
波浪在高桩码头下传播的过程中，将会对码头面板等上部结构产生严重的冲击。根据海港水文规范（JTS 145-2-2013），对于高桩码头面板底部的波浪浮托力，应计算各计算水位下可能出现的最大总浮托力和对应的均布压强、最大冲击压强和对应的冲击总力。正向不规则波作用下，高桩码头面板底部纵向单位长度上的波浪最大总浮托力及其对应的均布压强可按下列公式计算：[10]
（2）
（3）
（4）
（5）
（6）
（7）
（8）
式中：累积频率为1%的波高作用下面板底部纵向单位长度上的最大浮托力（kN/m）;
:水的重度（kN/m3）;
x1%：面板底部的波浪作用宽度（m），即均布压强分布宽度，当x1%>B时取为B。
H1%:累积频率为1%的入射波波高（m）；
K1：面板宽度影响系数；
：面板底部在静水面以上的高度（m）;
：H1%波高对应的波峰在静水面以上的高度（m）；
：有效波波长（m）；
d：码头前沿水深（m）；
B：沿波浪传播方向的面板宽度（m）；
g：重力加速度（m/s2）；
Ts：有效波周期（s）；
：累积频率为F的波高作用下面板底部纵向单位长度上的最大总浮托力（kN/m）；
：高桩码头面板底部不同累积频率F的波浪总浮托力换算系数。
：累积频率为F的波高作用下面板底部均布压强（kPa）。
正向不规则波作用下，高桩码头面板底部波浪最大冲击压强及其对应的纵向单位长度上的冲击总力也可根据海港水文规范中给出的公式计算，需要知道关于不规则波的参数有效波波长，有效波周期及累积频率为1%的入射波波高。
总结
工程设计中，因建筑物不同，我们对不规则波作用的主要关注点不同。不规则波的作用，对直墙式建筑物主要关注波浪力作用；对斜坡式建筑物关注爬高和越浪量；对单桩（柱）关注波浪力，群桩要注意群桩效应；对离岸式高桩码头要关注面板底部的波浪浮托力。值得注意的是虽然对不同建筑物主要是关注上面介绍的，但不代表其他方面不需要关注，在工程设计计算中，也是需要计算其他的作用的。
参考文献
[1]Hsu, J.C..短峰波.海岸及海洋工程手册[M].李玉成,陈士荫, 俞聿修等译.大连:大连理工大学出版社,1992.69-129.
[2]Fenton, J.D..Wave forces on vertical walls[J]. J. of Waterway, Port, Coastal and Ocean Engineering, 1985,111(4):693-718.
[3]李本霞.斜向和多向不规则波对直立堤作用的研究[D],大连：大连理工大学,2003.
[4]Kobayashi. N., Reece, A. M.. Irregular wave overtopping on gravel islands. Proc 19th Int Conf on Coastal Eng, Texas, Austin, ASCE,429-444,1983.
[5]俞聿修,魏德斌. 海堤越波量的试验研究. 海岸工程[J],Vol.10(3):1-8,1991.
[6]van der MEER J W.. Technical report wave run-up and wave overtopping at dikes. Delft: Technical Committee on Flood Defence,2002.
[7]Owen, M. W.. Design of seawalls allowing for wave overtopping. Report EX 924, HR Walling- ford, United Kingdom,1980.
[8]Banyard, L and Herbert, D M. The effect of wave angle on the overtopping of seawalls. HR Wallingford, Report SR396, December 1995.
[9]李晓亮.斜向和多向不规则波在斜坡堤上越浪量的研究[D],大连：大连理工大学,2008.
[10]中华人民共和国交通部,海港水文规范(JTS 145-2-2013).北京:人民交通出版社.2013.