風暴潮浪與深水結構物相互作用研究綜述

張華慶，張桂平，孫熙平

（1.哈爾濱工程大學船舶工程學院，哈爾濱150001；2.交通運輸部天津水運工程科學研究所水工構造物檢測、診斷與加固技術交通行業重點實驗室，天津300456）

風暴潮浪與深水結構物相互作用研究綜述

張華慶1，2，張桂平1，孫熙平2

（1.哈爾濱工程大學船舶工程學院，哈爾濱150001；2.交通運輸部天津水運工程科學研究所水工構造物檢測、診斷與加固技術交通行業重點實驗室，天津300456）

文章綜合闡述了國內外關于風暴潮數值模擬的研究現狀、深水結構的主要結構型式以及風暴潮浪與深水結構物相互作用的計算方法等，為風暴潮浪作用下深水結構的安全性計算研究提供參考。

風暴潮；深水結構；靜力計算；動力響應

風暴潮是由大風以及氣壓急劇變化等因素造成的沿海或者河口水位的異常升降現象。我國是受臺風襲擊比較嚴重的國家之一，由熱帶氣旋引起的風暴潮幾乎遍及整個沿海，而由溫帶氣旋誘發的風暴潮主要集中在我國的渤海和黃海沿岸。許多情況下，天文潮、風暴潮以及波浪的相互作用，會使水位增加、波高增大，對水工建筑物的安全造成巨大危害。值得指出的是，風暴潮并不是單獨存在的，它的影響因素相當復雜，臺風應力及低壓引起的共振是風暴潮產生的主要因素。而對于在沿岸水域，風應力是風暴潮的主要強迫力，伴隨臺風的強風和低氣壓，能在海面上引起10 m以上的巨浪，這2個過程相互影響與疊加產生風暴潮浪。風暴潮浪災害已經成為影響社會和經濟可持續發展最為嚴重的自然災害之一，2010年8月初受臺風“梅花”的影響，位于大連的渤海灣海堤受風暴潮增水及風暴潮浪的沖擊，有3處潰堤，每個缺口都長達二三十米，給當地的經濟帶來巨大損失。由此，掌握好風暴潮與臺風浪的相互作用的變化規律對做好風暴潮浪的數值模擬、預測、預警、采取有效的防護措施非常重要。

離岸深水港建設是我國水運工程建設發展的方向，離岸深水結構一般位于無掩護的開敞海域，受風暴潮浪等作用嚴重。目前，單獨對風暴潮浪的研究甚少，國內外研究主要集中于風暴潮的數值模擬，而對于風暴潮浪與深水結構物相互作用機理的研究卻很少有文獻報道。若想得到風暴潮浪要素，首先要對有臺風引起的臺風浪和風暴潮增水極值以及其重現期周期值進行研究，通過數值計算，得出風暴潮增水和風暴潮浪的時空分布。本文綜合闡述國內外關于風暴潮數值模擬的研究現狀、深水結構的主要結構型式、風暴潮浪與深水結構物相互作用的計算方法等。

1 風暴潮浪的數值模擬研究現狀

由于風暴潮浪是由風暴潮與臺風浪的聯合作用產生的，并與風浪或涌浪疊加，使水位進一步升高、波高增加。起初，人們主要注重于對風暴潮的研究,沒有考慮天文潮、臺風浪等對風暴潮的影響。關于風暴潮的研究主要有理論、經驗統計和數值模擬等3種方法［1］。其中，數值模擬是研究風暴潮最直接的方法，國外很多發達國家都開發出成熟的風暴潮數值模型。最早是由Kivisild于1954年用手工計算方法對美國Okeechobee Lake進行的一次風暴潮數值模擬研究［2］。1981年美國國家海洋大氣管理局（NOAA）、國家天氣局（NWS）開始的一項關于颶風暴潮數值預報的美國國家研究項目，經過十多年對現有的SPLASH模式的研制和改進，開發了美國最新一代的二維風暴潮預報模式SLOSH［3］。這種模式在我國一些工程技術系統得到了廣泛應用。但是在風暴潮期間，由臺風產生的波浪傳播到近岸地區時，會產生反射、折射以及破碎等現象，從而給水體施加一種壓力，形成明顯的增水現象，因此在計算風暴潮時，人們越來越注重對風暴潮浪的研究。Wolf等［4］于1988年首先對風暴潮浪進行了數值研究，之后Tolmann［5］，Masternbroek［6］等運用風暴潮浪數值模式對某海域進行了研究，尤其重點研究了依賴風暴潮浪成長狀態的風應力對風暴潮增水的影響。

我國瀕臨西北太平洋，容易受到臺風、溫帶氣旋及寒潮等諸多天氣因素的影響在沿海地區造成風暴潮災害，我國的風暴潮研究始于20世紀60年代，國家海洋局于1974年5月召開中國首次風暴潮浪預報經驗交流會，并出版了論文集。金正華等［7］、胡克林等相繼考慮浪、潮、風暴潮的聯合相互作用，并分別對黃渤海和長江口杭州灣地區進行了二維風暴潮的數值計算；劉永玲等［9］利用第三代淺水波浪模式SWAN和三維海流模式POM建立了考慮風暴潮浪影響的三維風暴潮模式，并應用于黃海和渤海區域。

近年來，風暴潮浪研究進展主要體現在：采用天文潮和風暴潮耦合技術，考慮二者非線性效應，提高增水預報和波浪要素計算的精度；由于風應力和低壓主導了風暴潮及風暴潮浪的產生和發展［10］，采用描述在氣壓場、風場作用下的風暴潮基本方程［11］，建立風暴潮數值模型，綜合利用數值模型與統計模型的各自優勢，客觀地反映臺風增水和風暴潮浪的空間分布和時變過程；如根據中國海域的地理特征，對東中國海和南中國海分別建立了風暴潮預報模型；風暴潮的實際觀測資料更加豐富，通過實測資料對數值模型進行驗證，風暴潮預報數值模型精度大幅度提高，從而能夠更精確地確立風暴潮浪的波浪要素。

通過國內外學者多年來的努力，風暴潮數值模擬技術已經取得了很大的進步，然而，關于風暴潮-海浪的聯合分布對建筑物的作用的研究，以及風暴潮浪流耦合的必要性研究等問題，仍然是風險評估中需要解決的問題。

2 深水結構物型式的研究

國外大型離岸深水港水工建筑物結構型式較多，多采用全直樁碼頭結構、導管架結構及復合式結構（如樁基—重力式復合結構和重力式—桁架復合結構）等。一些直接面向外海的25萬t級以上碼頭較少采用重力式結構和由斜樁組成的剛性結構，更多的是采用柔性或半柔性結構。如日本喜入石油基地50萬t原油碼頭，水深28 m，采用全直樁半柔性墩式結構；法國昂蒂費爾50萬t原油碼頭，水深29 m，結構形式采用全直樁柔性結構；美國長灘27萬t原油碼頭，水深23.2 m，采用全直樁半柔性墩式結構；伊朗哈格島50萬t原油碼頭，水深33 m，采用導管架結構；日本苫小牧28萬t原油碼頭，水深25 m，采用導管架結構。

近年來，我國陸續研究開發了新型的結構型式主要包括：氣幕式防波堤、波能利用型透空式防波堤結構、遮簾式板樁碼頭結構，導管架結構等，研究重點主要集中在結構與地基的相互作用和地基承載力問題。此外，深水中的樁基結構也從完全剛性的斜樁墩臺開始向全直樁柔性結構和半柔性結構型式發展，但尚缺乏深入的研究工作和設計、施工經驗。

3 風暴潮浪與深水結構相互作用計算方法研究

國外海洋平臺結構的計算方法已經相當成熟，深水大型碼頭的結構動力計算借鑒了海洋平臺結構計算方法。國內在這方面的研究較少，截至目前，我國絕大多數港口與海岸工程建設采用的結構物剛度較大，自振周期在1 s左右或小于1 s，遠小于波浪周期，結構動力響應特性、風暴潮浪與結構相互作用等問題不明顯，從國外發展現狀和我國工程實踐看，典型的離岸深水結構是柔度較大的樁柱承臺式結構，其自振周期達3 s以上，而風暴潮浪周期由幾秒到幾十秒不等，由此，結構動力響應特性、風暴潮浪與結構相互作用等問題凸顯出來，但我國目前還缺乏在這方面深入、系統的研究工作和設計施工經驗。風暴潮浪與離岸深水結構相互作用是離岸深水港建設亟待解決的課題。

所謂風暴潮浪與結構相互作用研究是研究風暴潮浪的波浪力作用下，結構的變形、內力和穩定性，不考慮兩者之間的相互作用、相互影響。深水中的結構物大多承受靜力與動力相結合的荷載，因此研究風暴潮浪、水流作用下深水結構的穩定性計算方法十分重要。下面以半柔性深水全直樁結構為例，簡述風暴潮浪作用下其安全性計算方法。

3.1 簡化靜力計算方法

風暴潮浪是由風暴潮與臺風浪聯合作用下產生的一種波浪形式，其周期可以是幾秒，十幾秒不等，起初，人們主要注重研究風暴潮的起因，從觀測統計學、瞬變渦動能量學和中尺度數值模擬角度，深入研究海洋風暴潮形成的氣候特征及可能產生的風暴潮浪的動力學機制［12］。波浪對水工建筑物樁基的作用可分為垂直的軸向荷載（浮托力）與側向水平荷載。然而，對于風暴潮浪環境下的深水樁基結構，過去很長一段時間，人們一直偏重于研究樁基在豎向荷載作用下的工作性能，而對水平荷載作用下的性能研究較少［13］。設計工作者假定豎直樁只承受軸向荷載，而水平力一般由斜樁和叉樁承受。然而，隨著科學的發展，管樁和大直徑鉆孔樁開始應用，這些豎直樁具有較大的抗彎剛度，人們才越來越重視波浪對樁的水平承載力的計算。實踐表明，豎直樁能通過抗剪和抗彎來承擔相當大的水平荷載，因此，用豎直單樁或群樁而不配用斜樁來承擔水平荷載、豎向荷載和力矩共同作用下的樁基日益增多［14］。目前水平荷載下的單樁一般均被視為線彈性體［15］，其理論計算方法主要有彈性理論法、地基反力法、有限元法。Poulos等［16-17］曾經用彈性理論法推導出了樁頂位移及轉角的計算公式。但是該方法不能計算群樁中各單樁所承受的荷載，也不能確定一定水平荷載作用下群樁基礎的位移。地基反力法又分極限地基反力法和彈性地基反力法。極限地基反力法先假定處于極限狀態的地基土反力分布的形式，再由樁的力平衡條件求側土抗力［18］。關于彈性地基反力法，又可以分很多方法，現在普遍采用Winker假定的解法進行計算。另外，彈性地基反力法中，“m”法［19］是我國相關規范推薦的一種使用方法。

目前，有限元法是應用最廣泛的一種數值模擬方法。Yang Zhao-hui［20］等利用有限元法對層狀彈塑性土體中的側向承載樁進行了數值模擬；Kucukarslan等［21］利用有限元-邊界元相結合的雜交元法研究了側向承載樁，并經試驗驗證了該法的正確性；Wang Nian-xiang［22］則用三維有限元法分析了碼頭側向承載樁與岸坡的相互作用。這些都為研究風暴潮浪對深水結構的作用提供了理論研究參考。

3.2 動力分析方法

風暴潮浪對水工建筑物結構的作用以波浪形式存在，所以選擇合理的波浪對結構的作用分析方法，可以形象的描述風暴潮浪對深水結構物的影響。由于波浪對水工建筑物的沖擊作用機理極其復雜，包括設計波浪的強非線性、流體粘性、瞬時效應、水氣參雜、湍流等諸多因素，所以風暴潮浪引起的結構的振動及其破壞作用已經引起了人們的廣泛關注。在波浪動力荷載作用下，整個振動體系是由波浪-樁-土三者相互作用構成的。由此，研究風暴潮浪與深水建筑物的相互作用問題需要解決以下3個方面的問題：風暴潮浪和土的相互作用問題；風暴潮浪與群樁的作用問題以及群樁與土的相互作用問題。

（1）對于流體對土的作用問題，關鍵在于研究風暴潮浪引起的孔隙水壓力及剪應力變化問題，目前很多學者采用基于Biot的多孔彈性介質模型研究海床在波浪荷載下的動力問題。Biot固結理論就是除了把土體看作是可變形的多孔彈性介質外，還考慮了可壓縮孔隙水和土骨架間的相互作用［23-25］。章根德等［26］采用Boit理論分析了有限厚度沙床對波浪荷載的響應問題。Berryman［27-28］采用不同的Biot介質通過嵌入方式，精確計算了Biot孔隙彈性方程中的系數。

（2）風暴潮浪對樁的作用問題的計算方法一般采用勢流理論和Morsion方程。勢流理論一般適用于計算大尺度物體和波浪的相互作用力，考慮流體的慣性力及繞射力，而忽略流體黏性引起的速度力。采用此方法，Havelock［29］和MacCamy［30］等對無限水深和有限水深中的直立圓柱進行了研究，得到了波浪、風浪等繞射問題的解析解。Hulme［31］得到了無限水深中漂浮半球附加質量和輻射阻尼的解析解。但是，勢流理論解析方法只能計算圓球、圓柱等簡單形狀的物體，對于具有復雜形狀的物體無法進行理論分析，而數值分析法卻有明顯的優勢。用來分析波浪與結構動力相互作用問題的數值方法同樣可以用來研究風暴潮浪與水工結構的相互作用問題，包括有限元法（Mei［32-33］）、邊界元法、離散元法、有限差分法［34-35］等等。Morison方程是一個半經驗半理論公式，一般用來計算波浪與小尺度物體之間的相互作用問題。它忽略了流體對物體的繞射力，只考慮由流體粘性引起的粘滯效應和由流體慣性及結構的存在而引起的附加質量效應，因此使用Morison方程的關鍵是正確選用阻力系數和慣性力系數。張學志等［36］采用非線性的Morison方程計算了考慮流固耦合時海洋平臺的浪致響應，并比較了考慮流固耦合和不考慮流固耦合時海洋平臺動力響應的差異。袁迎春等［37］采用Morison公式進行了深水橋梁地震反應計算，得出了非線性阻尼項對一般橋梁樁、墩結構地震反應的貢獻很小的結論。但是，小直徑樁一般以群樁形式存在于海洋建筑物中，在波浪力作用下，存在比較復雜的群樁效應，目前在理論上難以描述樁群周圍的波動場，只能通過模型試驗來研究群樁效應。

（3）關于群樁和土體的相互作用問題進行數值分析時一般采用2種方法：基于相關規范的傳統分析法［38］和針對系統響應分析的某一因素建立相應模型，國內外很多學者一般都考慮以泥面下6倍樁徑處嵌固端等效土的相互作用或者以靜力p-y曲線法或者m法模擬模擬樁土間相互作用［39-43］。Mostafa等［44］曾采用動力p-y曲線和t-τ曲線模擬樁土間相互作用問題。鄭兆昌等［45］利用模態綜合技術和模態疊加方法研究流體-樁-土系統的響應求解動力方程。

在數值方法中，對于動力相互作用的問題分析，目前較為成熟的方法仍然是完全有限元法［46］，即波浪力的計算對結構-土體采用整體有限元進行分析，谷漢斌［47］開展了對垂向二維和三維波浪數學模型的研究，為波浪與建筑物的相互作用的瞬時過程和流場特性提供了信息。張海龍［48］等對于水對深水結構動力效應的影響進行了研究，創造性地改進了耦聯振動的基本方程。目前，對于風暴潮浪與深水結構物間的動力響應問題還需要不斷探索與研究。

4 結語

離岸深水港建設是我國水運工程建設發展的方向，從國外發展現狀和我國工程實踐看，典型的離岸深水結構是柔度較大的樁柱承臺式結構，其自振周期較傳統結構周期明顯增大，結構動力響應特性、波浪與結構相互作用等問題凸顯出來。現階段，對風暴潮的研究國內外主要集中于風暴潮的數值模擬，而對于風暴潮環境下產生的風暴潮浪與深水結構物相互作用機理的研究卻很少有文獻報道。本文綜合闡述了國內外關于風暴潮數值模擬的研究現狀、深水結構的主要結構型式以及風暴潮浪與深水結構物相互作用的計算方法等，可為風暴潮浪作用下深水結構的安全性計算研究提供參考。

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交通運輸部天津水運工程科學研究院組建水路交通首個國家工程實驗室

本刊從交通運輸部天津水運工程科學研究院獲悉，由交通運輸部天津水運工程科學研究院為依托單位申報組建的港口水工建筑技術國家工程實驗室已獲國家發改委正式批復。這是我國水路交通運輸領域第一個國家工程實驗室，標志著我國港口水工建筑領域技術研發工作上升為國家級科技創新內容，并成為國家科技創新體系建設的重要組成部分。實驗室建成后，將針對我國沿海港口航道開發建設、運營面臨的深水港灣資源少、超常規自然災害頻發、碼頭超負荷運轉等突出問題，開展港口建筑物新型結構構型、地基基礎穩定性安全監測、老碼頭結構檢測評估與加固等關鍵共性技術的研發和工程化。（殷缶，梅深）

交通運輸部天津水運工程科學研究院成為海島保護規劃編制技術推薦單位

本刊從交通運輸部天津水運工程科學研究院獲悉，日前，經國家海洋局批準，交通運輸部天津水運工程科學研究院正式成為海島保護規劃編制技術和無居民海島使用論證的推薦單位之一。此次推薦單位的成功申請，對于交通運輸部天津水運工程科學研究院今后在海域使用論證領域中開展相關工作將起強有力的推動作用。（殷缶，梅深）

Research summary of interaction between storm surge and deepwater structure

ZHANG Hua-qing1，2，ZHANG Gui-ping1，SUN Xi-ping2
（1.College of Shipbuilding Engineering，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China；2.Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering，Key Laboratory of Harbor&Marine Structure Safety，Ministry of Transport，Tianjin 300456，China）

In this paper，the domestic and international research status on numerical simulation of storm surge，the main structure type of deepwater structure,and the calculation methods for storm surge interaction with the deep structure were described comprehensively.The results can provide reference for the study on safety calculation of the deepwater structure under the effect of storm surge.

storm surge；deepwater structure；static calculation；dynamic response YANG S T.Simplified Computation Method of Vibration Characteristics of Jacket Platforms［J］.Chinese Journal of Applied Mechanics，1993，10（3）:103-108.

TV 143；O 242.1

A

1005-8443（2012）05-0369-06

2012-05-16；

2012-06-25

西部交通建設科技項目（編號200932800008）；交通運輸部行業重點實驗室應用基礎研究項目（04111010）

張華慶（1965-），男，江蘇省人，研究員，主要從事沿海及內河港口與航道工程水動力和泥沙問題的研究工作。Biography：ZHANG Hua-qing（1965-），male，professor.