风暴潮浪与深水结构物相互作用研究综述

张华庆，张桂平，孙熙平

（1.哈尔滨工程大学船舶工程学院，哈尔滨150001；2.交通运输部天津水运工程科学研究所水工构造物检测、诊断与加固技术交通行业重点实验室，天津300456）

风暴潮浪与深水结构物相互作用研究综述

张华庆1，2，张桂平1，孙熙平2

（1.哈尔滨工程大学船舶工程学院，哈尔滨150001；2.交通运输部天津水运工程科学研究所水工构造物检测、诊断与加固技术交通行业重点实验室，天津300456）

文章综合阐述了国内外关于风暴潮数值模拟的研究现状、深水结构的主要结构型式以及风暴潮浪与深水结构物相互作用的计算方法等，为风暴潮浪作用下深水结构的安全性计算研究提供参考。

风暴潮；深水结构；静力计算；动力响应

风暴潮是由大风以及气压急剧变化等因素造成的沿海或者河口水位的异常升降现象。我国是受台风袭击比较严重的国家之一，由热带气旋引起的风暴潮几乎遍及整个沿海，而由温带气旋诱发的风暴潮主要集中在我国的渤海和黄海沿岸。许多情况下，天文潮、风暴潮以及波浪的相互作用，会使水位增加、波高增大，对水工建筑物的安全造成巨大危害。值得指出的是，风暴潮并不是单独存在的，它的影响因素相当复杂，台风应力及低压引起的共振是风暴潮产生的主要因素。而对于在沿岸水域，风应力是风暴潮的主要强迫力，伴随台风的强风和低气压，能在海面上引起10 m以上的巨浪，这2个过程相互影响与叠加产生风暴潮浪。风暴潮浪灾害已经成为影响社会和经济可持续发展最为严重的自然灾害之一，2010年8月初受台风“梅花”的影响，位于大连的渤海湾海堤受风暴潮增水及风暴潮浪的冲击，有3处溃堤，每个缺口都长达二三十米，给当地的经济带来巨大损失。由此，掌握好风暴潮与台风浪的相互作用的变化规律对做好风暴潮浪的数值模拟、预测、预警、采取有效的防护措施非常重要。

离岸深水港建设是我国水运工程建设发展的方向，离岸深水结构一般位于无掩护的开敞海域，受风暴潮浪等作用严重。目前，单独对风暴潮浪的研究甚少，国内外研究主要集中于风暴潮的数值模拟，而对于风暴潮浪与深水结构物相互作用机理的研究却很少有文献报道。若想得到风暴潮浪要素，首先要对有台风引起的台风浪和风暴潮增水极值以及其重现期周期值进行研究，通过数值计算，得出风暴潮增水和风暴潮浪的时空分布。本文综合阐述国内外关于风暴潮数值模拟的研究现状、深水结构的主要结构型式、风暴潮浪与深水结构物相互作用的计算方法等。

1 风暴潮浪的数值模拟研究现状

由于风暴潮浪是由风暴潮与台风浪的联合作用产生的，并与风浪或涌浪叠加，使水位进一步升高、波高增加。起初，人们主要注重于对风暴潮的研究,没有考虑天文潮、台风浪等对风暴潮的影响。关于风暴潮的研究主要有理论、经验统计和数值模拟等3种方法［1］。其中，数值模拟是研究风暴潮最直接的方法，国外很多发达国家都开发出成熟的风暴潮数值模型。最早是由Kivisild于1954年用手工计算方法对美国Okeechobee Lake进行的一次风暴潮数值模拟研究［2］。1981年美国国家海洋大气管理局（NOAA）、国家天气局（NWS）开始的一项关于飓风暴潮数值预报的美国国家研究项目，经过十多年对现有的SPLASH模式的研制和改进，开发了美国最新一代的二维风暴潮预报模式SLOSH［3］。这种模式在我国一些工程技术系统得到了广泛应用。但是在风暴潮期间，由台风产生的波浪传播到近岸地区时，会产生反射、折射以及破碎等现象，从而给水体施加一种压力，形成明显的增水现象，因此在计算风暴潮时，人们越来越注重对风暴潮浪的研究。Wolf等［4］于1988年首先对风暴潮浪进行了数值研究，之后Tolmann［5］，Masternbroek［6］等运用风暴潮浪数值模式对某海域进行了研究，尤其重点研究了依赖风暴潮浪成长状态的风应力对风暴潮增水的影响。

我国濒临西北太平洋，容易受到台风、温带气旋及寒潮等诸多天气因素的影响在沿海地区造成风暴潮灾害，我国的风暴潮研究始于20世纪60年代，国家海洋局于1974年5月召开中国首次风暴潮浪预报经验交流会，并出版了论文集。金正华等［7］、胡克林等相继考虑浪、潮、风暴潮的联合相互作用，并分别对黄渤海和长江口杭州湾地区进行了二维风暴潮的数值计算；刘永玲等［9］利用第三代浅水波浪模式SWAN和三维海流模式POM建立了考虑风暴潮浪影响的三维风暴潮模式，并应用于黄海和渤海区域。

近年来，风暴潮浪研究进展主要体现在：采用天文潮和风暴潮耦合技术，考虑二者非线性效应，提高增水预报和波浪要素计算的精度；由于风应力和低压主导了风暴潮及风暴潮浪的产生和发展［10］，采用描述在气压场、风场作用下的风暴潮基本方程［11］，建立风暴潮数值模型，综合利用数值模型与统计模型的各自优势，客观地反映台风增水和风暴潮浪的空间分布和时变过程；如根据中国海域的地理特征，对东中国海和南中国海分别建立了风暴潮预报模型；风暴潮的实际观测资料更加丰富，通过实测资料对数值模型进行验证，风暴潮预报数值模型精度大幅度提高，从而能够更精确地确立风暴潮浪的波浪要素。

通过国内外学者多年来的努力，风暴潮数值模拟技术已经取得了很大的进步，然而，关于风暴潮-海浪的联合分布对建筑物的作用的研究，以及风暴潮浪流耦合的必要性研究等问题，仍然是风险评估中需要解决的问题。

2 深水结构物型式的研究

国外大型离岸深水港水工建筑物结构型式较多，多采用全直桩码头结构、导管架结构及复合式结构（如桩基—重力式复合结构和重力式—桁架复合结构）等。一些直接面向外海的25万t级以上码头较少采用重力式结构和由斜桩组成的刚性结构，更多的是采用柔性或半柔性结构。如日本喜入石油基地50万t原油码头，水深28 m，采用全直桩半柔性墩式结构；法国昂蒂费尔50万t原油码头，水深29 m，结构形式采用全直桩柔性结构；美国长滩27万t原油码头，水深23.2 m，采用全直桩半柔性墩式结构；伊朗哈格岛50万t原油码头，水深33 m，采用导管架结构；日本苫小牧28万t原油码头，水深25 m，采用导管架结构。

近年来，我国陆续研究开发了新型的结构型式主要包括：气幕式防波堤、波能利用型透空式防波堤结构、遮帘式板桩码头结构，导管架结构等，研究重点主要集中在结构与地基的相互作用和地基承载力问题。此外，深水中的桩基结构也从完全刚性的斜桩墩台开始向全直桩柔性结构和半柔性结构型式发展，但尚缺乏深入的研究工作和设计、施工经验。

3 风暴潮浪与深水结构相互作用计算方法研究

国外海洋平台结构的计算方法已经相当成熟，深水大型码头的结构动力计算借鉴了海洋平台结构计算方法。国内在这方面的研究较少，截至目前，我国绝大多数港口与海岸工程建设采用的结构物刚度较大，自振周期在1 s左右或小于1 s，远小于波浪周期，结构动力响应特性、风暴潮浪与结构相互作用等问题不明显，从国外发展现状和我国工程实践看，典型的离岸深水结构是柔度较大的桩柱承台式结构，其自振周期达3 s以上，而风暴潮浪周期由几秒到几十秒不等，由此，结构动力响应特性、风暴潮浪与结构相互作用等问题凸显出来，但我国目前还缺乏在这方面深入、系统的研究工作和设计施工经验。风暴潮浪与离岸深水结构相互作用是离岸深水港建设亟待解决的课题。

所谓风暴潮浪与结构相互作用研究是研究风暴潮浪的波浪力作用下，结构的变形、内力和稳定性，不考虑两者之间的相互作用、相互影响。深水中的结构物大多承受静力与动力相结合的荷载，因此研究风暴潮浪、水流作用下深水结构的稳定性计算方法十分重要。下面以半柔性深水全直桩结构为例，简述风暴潮浪作用下其安全性计算方法。

3.1 简化静力计算方法

风暴潮浪是由风暴潮与台风浪联合作用下产生的一种波浪形式，其周期可以是几秒，十几秒不等，起初，人们主要注重研究风暴潮的起因，从观测统计学、瞬变涡动能量学和中尺度数值模拟角度，深入研究海洋风暴潮形成的气候特征及可能产生的风暴潮浪的动力学机制［12］。波浪对水工建筑物桩基的作用可分为垂直的轴向荷载（浮托力）与侧向水平荷载。然而，对于风暴潮浪环境下的深水桩基结构，过去很长一段时间，人们一直偏重于研究桩基在竖向荷载作用下的工作性能，而对水平荷载作用下的性能研究较少［13］。设计工作者假定竖直桩只承受轴向荷载，而水平力一般由斜桩和叉桩承受。然而，随着科学的发展，管桩和大直径钻孔桩开始应用，这些竖直桩具有较大的抗弯刚度，人们才越来越重视波浪对桩的水平承载力的计算。实践表明，竖直桩能通过抗剪和抗弯来承担相当大的水平荷载，因此，用竖直单桩或群桩而不配用斜桩来承担水平荷载、竖向荷载和力矩共同作用下的桩基日益增多［14］。目前水平荷载下的单桩一般均被视为线弹性体［15］，其理论计算方法主要有弹性理论法、地基反力法、有限元法。Poulos等［16-17］曾经用弹性理论法推导出了桩顶位移及转角的计算公式。但是该方法不能计算群桩中各单桩所承受的荷载，也不能确定一定水平荷载作用下群桩基础的位移。地基反力法又分极限地基反力法和弹性地基反力法。极限地基反力法先假定处于极限状态的地基土反力分布的形式，再由桩的力平衡条件求侧土抗力［18］。关于弹性地基反力法，又可以分很多方法，现在普遍采用Winker假定的解法进行计算。另外，弹性地基反力法中，“m”法［19］是我国相关规范推荐的一种使用方法。

目前，有限元法是应用最广泛的一种数值模拟方法。Yang Zhao-hui［20］等利用有限元法对层状弹塑性土体中的侧向承载桩进行了数值模拟；Kucukarslan等［21］利用有限元-边界元相结合的杂交元法研究了侧向承载桩，并经试验验证了该法的正确性；Wang Nian-xiang［22］则用三维有限元法分析了码头侧向承载桩与岸坡的相互作用。这些都为研究风暴潮浪对深水结构的作用提供了理论研究参考。

3.2 动力分析方法

风暴潮浪对水工建筑物结构的作用以波浪形式存在，所以选择合理的波浪对结构的作用分析方法，可以形象的描述风暴潮浪对深水结构物的影响。由于波浪对水工建筑物的冲击作用机理极其复杂，包括设计波浪的强非线性、流体粘性、瞬时效应、水气参杂、湍流等诸多因素，所以风暴潮浪引起的结构的振动及其破坏作用已经引起了人们的广泛关注。在波浪动力荷载作用下，整个振动体系是由波浪-桩-土三者相互作用构成的。由此，研究风暴潮浪与深水建筑物的相互作用问题需要解决以下3个方面的问题：风暴潮浪和土的相互作用问题；风暴潮浪与群桩的作用问题以及群桩与土的相互作用问题。

（1）对于流体对土的作用问题，关键在于研究风暴潮浪引起的孔隙水压力及剪应力变化问题，目前很多学者采用基于Biot的多孔弹性介质模型研究海床在波浪荷载下的动力问题。Biot固结理论就是除了把土体看作是可变形的多孔弹性介质外，还考虑了可压缩孔隙水和土骨架间的相互作用［23-25］。章根德等［26］采用Boit理论分析了有限厚度沙床对波浪荷载的响应问题。Berryman［27-28］采用不同的Biot介质通过嵌入方式，精确计算了Biot孔隙弹性方程中的系数。

（2）风暴潮浪对桩的作用问题的计算方法一般采用势流理论和Morsion方程。势流理论一般适用于计算大尺度物体和波浪的相互作用力，考虑流体的惯性力及绕射力，而忽略流体黏性引起的速度力。采用此方法，Havelock［29］和MacCamy［30］等对无限水深和有限水深中的直立圆柱进行了研究，得到了波浪、风浪等绕射问题的解析解。Hulme［31］得到了无限水深中漂浮半球附加质量和辐射阻尼的解析解。但是，势流理论解析方法只能计算圆球、圆柱等简单形状的物体，对于具有复杂形状的物体无法进行理论分析，而数值分析法却有明显的优势。用来分析波浪与结构动力相互作用问题的数值方法同样可以用来研究风暴潮浪与水工结构的相互作用问题，包括有限元法（Mei［32-33］）、边界元法、离散元法、有限差分法［34-35］等等。Morison方程是一个半经验半理论公式，一般用来计算波浪与小尺度物体之间的相互作用问题。它忽略了流体对物体的绕射力，只考虑由流体粘性引起的粘滞效应和由流体惯性及结构的存在而引起的附加质量效应，因此使用Morison方程的关键是正确选用阻力系数和惯性力系数。张学志等［36］采用非线性的Morison方程计算了考虑流固耦合时海洋平台的浪致响应，并比较了考虑流固耦合和不考虑流固耦合时海洋平台动力响应的差异。袁迎春等［37］采用Morison公式进行了深水桥梁地震反应计算，得出了非线性阻尼项对一般桥梁桩、墩结构地震反应的贡献很小的结论。但是，小直径桩一般以群桩形式存在于海洋建筑物中，在波浪力作用下，存在比较复杂的群桩效应，目前在理论上难以描述桩群周围的波动场，只能通过模型试验来研究群桩效应。

（3）关于群桩和土体的相互作用问题进行数值分析时一般采用2种方法：基于相关规范的传统分析法［38］和针对系统响应分析的某一因素建立相应模型，国内外很多学者一般都考虑以泥面下6倍桩径处嵌固端等效土的相互作用或者以静力p-y曲线法或者m法模拟模拟桩土间相互作用［39-43］。Mostafa等［44］曾采用动力p-y曲线和t-τ曲线模拟桩土间相互作用问题。郑兆昌等［45］利用模态综合技术和模态叠加方法研究流体-桩-土系统的响应求解动力方程。

在数值方法中，对于动力相互作用的问题分析，目前较为成熟的方法仍然是完全有限元法［46］，即波浪力的计算对结构-土体采用整体有限元进行分析，谷汉斌［47］开展了对垂向二维和三维波浪数学模型的研究，为波浪与建筑物的相互作用的瞬时过程和流场特性提供了信息。张海龙［48］等对于水对深水结构动力效应的影响进行了研究，创造性地改进了耦联振动的基本方程。目前，对于风暴潮浪与深水结构物间的动力响应问题还需要不断探索与研究。

4 结语

离岸深水港建设是我国水运工程建设发展的方向，从国外发展现状和我国工程实践看，典型的离岸深水结构是柔度较大的桩柱承台式结构，其自振周期较传统结构周期明显增大，结构动力响应特性、波浪与结构相互作用等问题凸显出来。现阶段，对风暴潮的研究国内外主要集中于风暴潮的数值模拟，而对于风暴潮环境下产生的风暴潮浪与深水结构物相互作用机理的研究却很少有文献报道。本文综合阐述了国内外关于风暴潮数值模拟的研究现状、深水结构的主要结构型式以及风暴潮浪与深水结构物相互作用的计算方法等，可为风暴潮浪作用下深水结构的安全性计算研究提供参考。

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交通运输部天津水运工程科学研究院组建水路交通首个国家工程实验室

本刊从交通运输部天津水运工程科学研究院获悉，由交通运输部天津水运工程科学研究院为依托单位申报组建的港口水工建筑技术国家工程实验室已获国家发改委正式批复。这是我国水路交通运输领域第一个国家工程实验室，标志着我国港口水工建筑领域技术研发工作上升为国家级科技创新内容，并成为国家科技创新体系建设的重要组成部分。实验室建成后，将针对我国沿海港口航道开发建设、运营面临的深水港湾资源少、超常规自然灾害频发、码头超负荷运转等突出问题，开展港口建筑物新型结构构型、地基基础稳定性安全监测、老码头结构检测评估与加固等关键共性技术的研发和工程化。（殷缶，梅深）

交通运输部天津水运工程科学研究院成为海岛保护规划编制技术推荐单位

本刊从交通运输部天津水运工程科学研究院获悉，日前，经国家海洋局批准，交通运输部天津水运工程科学研究院正式成为海岛保护规划编制技术和无居民海岛使用论证的推荐单位之一。此次推荐单位的成功申请，对于交通运输部天津水运工程科学研究院今后在海域使用论证领域中开展相关工作将起强有力的推动作用。（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

西部交通建设科技项目（编号200932800008）；交通运输部行业重点实验室应用基础研究项目（04111010）

张华庆（1965-），男，江苏省人，研究员，主要从事沿海及内河港口与航道工程水动力和泥沙问题的研究工作。Biography：ZHANG Hua-qing（1965-），male，professor.