波浪荷載的計(jì)算理論-書摘

1、 波浪荷載的計(jì)算理論波浪是發(fā)生在海洋表面的一種波動(dòng)現(xiàn)象，其波動(dòng)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(kuò)散的最主要的水動(dòng)力環(huán)境之一。破浪破碎與沖擊現(xiàn)象對(duì)海上工程設(shè)施的安全也十分重要。由于波浪破碎及沖擊作用的機(jī)理極其復(fù)雜，至今仍然是海岸工程領(lǐng)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(duì)港口碼頭和海洋平臺(tái)等結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的作用。目前按繞射理論進(jìn)行分析。波浪對(duì)結(jié)構(gòu)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(diǎn)速度平方成正比）；不恒定水流的慣

2、性或結(jié)構(gòu)物在水流中作變速運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的附加質(zhì)量力（與波浪中水質(zhì)點(diǎn)加速度成正比）；結(jié)構(gòu)物的存在對(duì)入射波浪流動(dòng)場(chǎng)的輻射作用所產(chǎn)生的壓力和結(jié)構(gòu)物運(yùn)動(dòng)對(duì)入射波浪流動(dòng)場(chǎng)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(shí)際工作中，常用只考慮了結(jié)構(gòu)受到波浪摩阻力和質(zhì)量力影響的半經(jīng)驗(yàn)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(diǎn)與結(jié)構(gòu)間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)所引起的。波浪是一隨機(jī)性運(yùn)動(dòng)，很難在數(shù)學(xué)上精確描述。當(dāng)結(jié)構(gòu)構(gòu)件（部件）的直徑小于波長(zhǎng)的20時(shí)，波浪荷載的計(jì)算通常用半經(jīng)驗(yàn)半理論的美國(guó)莫里森方程；大于波長(zhǎng)的20時(shí)，應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)對(duì)入射波場(chǎng)的影響,考慮入射波的繞射,計(jì)算時(shí)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(jié)構(gòu)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(duì)一些特殊形狀或特別重要的海洋工程結(jié)構(gòu)，除了用上述的方法進(jìn)行計(jì)算分析外，還應(yīng)進(jìn)行物理模型試驗(yàn)，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(jié)構(gòu)的有關(guān)尺寸代入莫里森方程或繞射理論的公式，求出作用在結(jié)構(gòu)上的波浪力。此法簡(jiǎn)便易行，在海洋工程設(shè)計(jì)廣泛應(yīng)用。 譜分析法。利用海浪譜進(jìn)行波浪荷載計(jì)算、結(jié)構(gòu)疲勞和動(dòng)力響應(yīng)分析的一種方法。把波浪作為隨機(jī)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(jì)的方法收集、分析處理波浪觀測(cè)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jì)特征值，進(jìn)而得到某一累積概率的波浪力。由于波浪具有明顯的隨機(jī)性，難用確定的函數(shù)表達(dá)，故在波浪的研究中常采用多個(gè)或無限個(gè)振幅、頻率、方向、位相不同的簡(jiǎn)單波的疊加，并規(guī)定組成波的振幅或相位是隨機(jī)量，從而疊加的結(jié)果為隨即函數(shù)，以反映波浪的隨機(jī)性。實(shí)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(jì)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(jié)構(gòu)。當(dāng)然，波浪外觀上表現(xiàn)出來

5、的性質(zhì)和它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是有聯(lián)系的。由于波浪具有明顯的隨機(jī)性，難用確定的函數(shù)表達(dá)，故在波浪的研究中常采用多個(gè)或無限個(gè)振幅、頻率、方向、位相不同的簡(jiǎn)單波的疊加，并規(guī)定組成波的振幅或相位是隨機(jī)量，從而疊加的結(jié)果為隨即函數(shù)，以反映波浪的隨機(jī)性。實(shí)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(jì)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(jié)構(gòu)。當(dāng)然，波浪外觀上表現(xiàn)出來的性質(zhì)和它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是有聯(lián)系的。水庫波浪席在風(fēng)里直接作用下產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)，表面十分復(fù)雜，在統(tǒng)計(jì)過程中是把波浪當(dāng)作準(zhǔn)穩(wěn)定的隨即過程來處理，每次測(cè)量實(shí)踐為10-5小時(shí)。如果觀測(cè)是段短、波數(shù)少時(shí)，為了提高精度，可父子倆偏差大的缺點(diǎn)，

6、也可將各組中每種波的出現(xiàn)概率進(jìn)行加權(quán)統(tǒng)計(jì)。左圖是根據(jù)1966、1967年密云水庫和還有那個(gè)水庫的原形觀測(cè)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(shí)甚為符合(即圖上所示公式)。波浪荷載作用下土體的動(dòng)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(shí)刻,當(dāng)波峰作用在所研究的土單元正上方,則會(huì)產(chǎn)生正的豎向壓力;當(dāng)波谷作用在其上時(shí),則產(chǎn)生負(fù)的豎向壓力. 這樣,在一個(gè)波長(zhǎng)距離的波作用下,產(chǎn)生的應(yīng)力是由三軸應(yīng)力作用的圓形軌跡. 在波高為零的瞬時(shí),波作用在土單元上,產(chǎn)生水平剪應(yīng)力并引起單剪模式的應(yīng)變,這一水平剪應(yīng)力分量也隨著波的傳播而改變其方向,引起剪應(yīng)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(yīng)力是交替作用而不是同時(shí)作用的. 三軸試驗(yàn)的剪切模式所產(chǎn)生的循環(huán)應(yīng)力與單剪模式的水平剪應(yīng)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(yīng)力是沿主應(yīng)力方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)的,其應(yīng)力交替的性狀可由圖2 (b) 中的vh與(v - h) / 2 之間的圓形關(guān)系來表示.具體例子：直立浮式截圓柱柱群的繞射問題假設(shè)流體為不可壓、無粘性、均勻的理想流體，流場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)處處無旋。對(duì)靜止于水深為d的水域中的N個(gè)相同吃水h、半徑a的柱體，坐標(biāo)系統(tǒng)如圖1，單個(gè)柱體的圓心Oj坐標(biāo)為（xoj,yoj，z）（j1，N），建立局部的柱坐標(biāo)系（j，j，z）。這樣

8、第k個(gè)柱體中心Ok相對(duì)于j柱局部坐標(biāo)系有（Rjk，jk，z）極坐標(biāo)，(j，k1，2，N）。入射波采用線性微幅波理論。圖1坐標(biāo)系統(tǒng)為了將每個(gè)單元柱體的不同散射波成分迭加并計(jì)入柱間水動(dòng)力干擾，引入大間距假設(shè)，即認(rèn)為柱間距Rjk，j，k1，2，N與入射波波長(zhǎng)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(duì)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(jìn)平面波法。對(duì)每一個(gè)柱體而言，其速度勢(shì)中的未知系數(shù)與其編號(hào)無關(guān)，即決定未知系數(shù)的方程對(duì)每一個(gè)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(shì)即可。對(duì)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(shì)j2I可記為:

9、（1）式中，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(yīng)滿足色散關(guān)系:2gk0thk0d。PHjexpi（k0xjcosk0yjsin）為相位項(xiàng)。對(duì)應(yīng)第j柱的內(nèi)、外域速度勢(shì)應(yīng)有:（2）（3）由入射波速度勢(shì)j2I引起的第j柱的繞射速度勢(shì)j2s為:（4）式中，考慮另一個(gè)柱體k，半徑亦為a，到j(luò)柱的距離為Rjk。由第j柱入射波引起的第k柱繞射勢(shì)為:（5）式中:代表了等效平面波幅:（6）為非平面波修正項(xiàng)，其中:這樣對(duì)N（N2）個(gè)柱體所組成的群柱中，外部入射波在第j柱的入射勢(shì)仍如（1）式。與上述二柱情形類

10、似可得，由其他N1個(gè)柱的繞射波在j柱產(chǎn)生的等效平面入射波勢(shì)j2I1：（7）對(duì)于j柱，等效平面入射波的一階非平面修正項(xiàng)包含兩部分:對(duì)其它N1個(gè)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(duì)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(chǎng)速度勢(shì)i（i1，2），可由伯努利方程確定流場(chǎng)中任一點(diǎn)壓力:（10）這樣沿濕表面上積分可得波浪對(duì)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(duì)應(yīng)縱蕩、橫蕩、垂蕩、

11、橫搖、縱搖和首搖等運(yùn)動(dòng)模態(tài)。3數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析本文應(yīng)用上述理論和方法計(jì)算了不同波長(zhǎng)、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(xiàn)結(jié)果進(jìn)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(diǎn)號(hào)（。）和叉號(hào)（×）分別表示相應(yīng)狀態(tài)下由A N WilliamsZ Demirbilek計(jì)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(shí)入射

12、波向角0°，ha0.5，da10，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(shí)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(shí)，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(shí)0°，ha0.5，da10。圖2雙柱迎浪間距3a時(shí)x軸方向受力幅頻曲線圖3雙柱迎浪間距5a時(shí)x軸方向受力幅頻曲線圖4雙柱迎浪間距3a時(shí)z軸方向受力幅頻曲線Fig.4Nondimensional amplitude-frequency curves of load

13、 in z axle of two cylinders R3a圖5雙柱迎浪間距5a時(shí)z軸方向受力幅頻曲線圖6雙柱迎浪間距3a時(shí)時(shí)縱搖干擾力矩幅頻曲線圖7雙柱迎浪間距5a時(shí)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(duì)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(shí)，顯然柱1在x軸方向的波浪荷載最大幅值比R3a（圖2）時(shí)小。但是它隨k0a的變化明顯地比R3a時(shí)的復(fù)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(shí)荷載Fx出現(xiàn)了兩個(gè)峰值而圖3同樣區(qū)間內(nèi)Fx卻出現(xiàn)了四個(gè)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(shì)。

14、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著柱間距的增加而有劇烈的變化。（2）柱間水動(dòng)力相互作用在入射波頻率很低時(shí)并不明顯。如圖3，當(dāng)頻率在區(qū)間（0，0.5）即較低頻范圍內(nèi)變化時(shí)，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(shí)柱體所受力矩曲線也基本重合?？梢姷皖l時(shí)柱間的水動(dòng)力相互作用并不明顯，因此此時(shí)計(jì)算荷載時(shí)將其忽略也是合理的。（3）不同的波浪特性對(duì)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(cuò)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

15、距較大也是如此:如圖2中無因次的Fx大約在k0a0.8即0.89時(shí)出現(xiàn)最大值2.2，遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(shí)達(dá)到最大值1.95，大于同頻率下單柱的值1.45。因此，在平臺(tái)設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)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(tái)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(shì)大體相當(dāng)。出現(xiàn)這種現(xiàn)象主要是由柱間水動(dòng)力相互作用引起的。柱間水動(dòng)力相互作用可分為干擾效應(yīng)和遮蔽效應(yīng)，干擾效應(yīng)使波浪荷載變化劇烈且使幅值增大，而遮蔽效應(yīng)也使波浪荷載變化劇烈但卻使其幅

16、值減少。以本文中的雙柱為例，前柱對(duì)后柱主要起屏蔽作用，使作用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(duì)前柱的作用主要是干擾效應(yīng)，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(shí)大于相同條件下的單柱荷載。隨著柱間距的增大，水動(dòng)力相互作用有所減弱。隨著柱體個(gè)數(shù)的增加其變化規(guī)律會(huì)更為復(fù)雜，但是干擾效應(yīng)和遮蔽效應(yīng)仍然會(huì)十分明顯。（4）進(jìn)一步的計(jì)算表明，隨著浮式圓柱個(gè)體數(shù)量的增加，計(jì)算的復(fù)雜程度也迅速增大。而改進(jìn)平面波法的確是在理想的TLP平臺(tái)模型柱間散射波存在的情況下計(jì)算水動(dòng)力作用的一種高效、精確的快速方法。

17、該方法計(jì)算所耗機(jī)時(shí)較少，占計(jì)算機(jī)內(nèi)存小，有利于工程實(shí)際應(yīng)用，可廣泛地應(yīng)用在各類海洋結(jié)構(gòu)物的類似水動(dòng)力計(jì)算中。預(yù)防措施：江河湖海岸坡和堤防岸坡的防護(hù)主要是防止水流和波浪對(duì)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(hù)應(yīng)根據(jù)防洪規(guī)劃和河流治導(dǎo)線的要求，并按因勢(shì)利導(dǎo)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(gè)掩蔽水域所需要的水工建筑物或其他設(shè)施。它是在建港的自然條件不能滿足其掩蔽水域的需要時(shí)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(hù)海港

18、的各種裝備與設(shè)施，是海港工程的重要組成部分。一般規(guī)定港內(nèi)的容許波高在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(hù)的水域常有一個(gè)或幾個(gè)口門供船只進(jìn)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(yùn)動(dòng)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(duì)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(duì)淤泥質(zhì)海岸，防波堤可用于引導(dǎo)挾沙水流，盡量不改變?cè)瓉頌┥硾_淤平衡。港內(nèi)泥沙淤積強(qiáng)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(shí)還需采用疏浚措施維護(hù)水深。在有冰凌的港口建造防波堤，還應(yīng)考慮減輕流冰對(duì)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(duì)海港水域的水面平穩(wěn)和泥沙淤積起決定性作用。口門一般布置在港區(qū)的最大水深處，口門軸線（