不规则波及其与海工建筑物的相互作用

出处：按学科分类—自然科学总论 北京出版社《现代科技综述大辞典上》第668页（4244字）

海浪是不规则的，是一种复杂的随机过程，它的作用常构成海洋工程和海岸工程等的控制荷载，同时建筑物的建造又常对海浪产生反作用。

因此海浪及其与建筑物的相互作用早就引起人们的重视，开展了大量的研究。但由于海浪运动的随机性、复杂性，早年限于科技水平，长期把海浪简化成波高和周期都固定不变的规则波，先后建立了线性波浪理论、非线性波浪理论，并由低阶向高阶理论发展。还研究了规则波与建筑物的相互作用。这些在认识波浪和进行工程实践中起到了重大的作用，至今仍扮演着重要的角色。

但它们毕竟与实际的海浪情况是不相符的，必然要随着科技的发展逐步向不规则波理论方向发展。1979年日本“港口设施技术标准及编制说明”比较全面系统地引进了不规则波的概念和大幅度地采用不规则波设计方法。其他西方国家也多逐步采用不规则波设计法。

不规则波及其与海工建筑物的相互作用，主要研究作为随机过程的海浪(不规则波)在时间域、频率域和概率域的特性；不规则波浪对各种(直墙式、斜坡式、混合式、浮式和桩柱结构等)建筑物以及岸坡的作用，包括对建筑物基础的冲刷作用；以及建筑物和岸坡对波浪的反作用：波浪的折射、绕射、反射和破碎等等。

斯维尔德鲁普(Sverdrup)和孟克(Munk)在二次世界大战期间首先考虑到海浪的不规则性，提出了有效波的概念，用于预报风浪，开创了不规则波研究的先河。1952年，皮尔森(Pierson)最先把瑞斯(Rice)关于无线电噪声的理论应用于海浪，对不规则波进行了大量的开创性研究，建立了在时域描述不规则波的第1个数学模型。同年劳曼(Nenmann)提出了能量谱(海浪谱)的概念，用于海浪预报，逐步形成了预报风浪的PNJ法。从此利用谱以随机过程描述海浪逐步成为海浪研究的一个主要途径，劳曼提出的波谱表达式成为不少研究工作的基础。

1968～1969年间，英、荷、美、德等国进行了“联合北海波浪计划”，系统地观测了海浪，提出了JONSWAP谱，得到广泛的应用，中国文圣常于1988年从理论上导得风浪频谱，可考虑到风浪发展阶段和水深的影响。1953～1959年期间，美国首次尝试由航空摄影测量波浪的方向分布(方向谱)，Cote等于1960年指出波能的方向分布也与波浪频率有关。光易恒于1975年建议了比较完备的方向谱。

1985年Donelan采用14个测波仪组成的阵列，系统地观测了方向谱，提出了新的公式。

50年代中，朗盖脱－赫金斯(Longuet-Higgins)把瑞斯提出的高斯随机过程中振幅的概率函数和能谱的解析关系引入到随机海浪中，首先提出了包括极值在内的各种波高的概率预报方法，表明波高服从瑞利分布。后又提出了非窄带波的分布、波高和周期的联合分布等的预报方法。

1959年，Tick提出了第1个二维深水波随机波动二阶非线性模型，随后进一步推广于有限水深情况。1973年，Hasselmann等最先把二阶谱应用于海浪的研究。

1970年合田良实首先提出了波群现象的重要性，并通过数模进行了研究。以后不少学者研究了波群特性及其对建筑物的影响，表明它对斜坡堤和系泊浮体等有较大的破坏作用。

关于不规则波浪对建筑物的作用，最早工程师们采用有效波作为不规则波的代表波，沿用规则波的方法设计斜坡式建筑物。对于直墙式和桩柱建筑物，不规则波列中少数大波的作用就可能导致建筑物的破坏，因此采用最高波或百分之一大波等大特征波作为设计波浪。

这类方法都是把不规则波用单一的规则波来代表，只是根据不同的作用情况采用不同的特征波要素，统称为特征波(代表波)法。此法易于考虑波浪的非线性影响，广泛应用于静力计算。

60年代末，合田良实在研究海堤越浪量时，指出要考虑不规则波列中各单个波浪越浪量的累积效果。伊藤喜行(1966)研究直墙防波堤的稳定性时，也采用了累积滑移量的概念。对于桩柱结构，可由波高分布推算波力分布以确定设计波力，或用于由实测资料确定水动力系数。此类方法称为概率分布法。

1967年，Borgman在研究波浪对于桩柱的作用时，把不规则波浪及其对桩柱的作用都看作是平稳随机过程，它们之间的变换可简化为一个非随机函数－方差谱的变换。这种方法称为谱分析法，它易于考虑结构物对波浪作用的动力反响，但仅限于线性化系统。

1958年，R．O．Reid首先提出用线性过滤法数值模拟不规则波浪对桩柱的作用力。1969年，Borgman系统论述了波浪迭加法和线性过滤法模拟波浪和波浪力的方法，确立了数模方法的地位，它既适用于线性系统，也适用于非线性系统，而且为在实验水槽中复演不规则波进行物理模型试验打下基础。Hudspeth和Chen于1979年开始研究非线性不规则波的模拟。

物模试验是研究不规则波浪及其与建筑物相互作用的主要方法之一。

从60年代起，以船模水池为中心，不规则造波机逐渐得到普及。70年代后，在港口和海岸工程研究机构也广为应用。中国在70年代末80年代初开始研制，80年代中期从美、日和丹麦等国引进了现代化的造波系统。对不规则波浪的特性及其对群桩、海底管线、斜坡堤和系泊船舶的作用以及港内泊稳条件等进行了大量的研究。

为了在实验室模拟多向不规则波，70年代中期英国水利试验站首先把10台不规则造波机排列在圆心角为100°的圆弧上，按要求的波能方向分布造波，在圆心区产生多向不规则波。1977年英国爱丁堡大学把蛇形造波机用于产生多向不规则波，逐步得到推广应用。中国海岸与近海工程国家重点实验室(设在大连理工大学)于1990年建成了我国第1座多向不规则波浪水池。

1973年合田良实提出了考虑不规则波浪特性计算直墙波浪力的方法，对立波和破波采用统一的计算公式。80年代洪广文从理论上研究了非线性不规则波及其与直墙相互作用的随机模型。

1984年，van der Meer基于一系列的模型试验结果，建议了随机波作用下斜坡堤的设计公式。

50年代以来，本领域的研究已取得了长足的进步，在水动力研究领域中受到广泛的重视。但还很不成熟，远远不能满足工程实践的需要。

目前研究的热点为：(1)非线性随机波浪(包括浅水破波带随机波)及其与岸坡和建筑物的相互作用；(2)三维随机波浪及其与建筑物相互作用的研究；(3)波浪－建筑物－地基的相互作用；(4)把数值模拟和物理模拟结合起来的联合模拟研究。

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【参考文献】：

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(大连理工大学博士生导师俞聿修教授撰)