劉贊強(qiáng),紀(jì) 平,趙懿珺

（中國(guó)水利水電科學(xué)研究院,北京 100038）

畸形波對(duì)直墻式構(gòu)筑物作用的探索

劉贊強(qiáng),紀(jì) 平,趙懿珺

（中國(guó)水利水電科學(xué)研究院,北京 100038）

文章借助一個(gè)工程試驗(yàn),探索性地研究了工程前天然地形下近岸畸形波的存在情況以及工程后畸形波和常規(guī)隨機(jī)波浪對(duì)直墻式核電取水構(gòu)筑物作用的區(qū)別,給出了該試驗(yàn)畸形波和常規(guī)隨機(jī)波浪對(duì)直墻式構(gòu)筑物作用的關(guān)系及工程設(shè)計(jì)方面的建議。

近岸畸形波;隨機(jī)波浪;直墻式構(gòu)筑物

Biography：LIU Zan?qiang（1981-）,male,engineer.

畸形波（freak wave）是海洋中突然出現(xiàn)又很快消失的一種巨大的、破壞力極強(qiáng)的波浪,是隨機(jī)波浪的一種特殊現(xiàn)象,在近岸和深海都有可能發(fā)生。如1995年1月1日發(fā)生在北海的畸形波波面時(shí)間序列如圖1所示,該畸形波對(duì)Draupner采油平臺(tái)造成了損害［1］。

目前,畸形波的發(fā)生機(jī)理尚無(wú)定論,也無(wú)確切的定義,研究學(xué)者大都認(rèn)為畸形波是一種波能集中現(xiàn)象。通常將一個(gè)波序列中出現(xiàn)不小于2倍有效波高（三分之一大波平均值）的單個(gè)大波稱為畸形波［2-4］,即畸形波波高滿足Hmax/H1/3≥2.0。

圖1 北?；尾ú鏁r(shí)間序列（1995-1-1）Fig.1 Time series plot for freak wave recorded on January l,1995

由于畸形波不可預(yù)測(cè)且具有隨機(jī)性,因此外海研究畸形波存在極大困難,其相關(guān)特性的研究主要依賴于實(shí)驗(yàn)室模擬。目前,研究學(xué)者在實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了畸形波的可控生成,并開展了畸形波對(duì)結(jié)構(gòu)物作用方面的研究,但大都僅限于浮體或圓柱體結(jié)構(gòu)［5-6］,而畸形波對(duì)直墻式結(jié)構(gòu)物作用的試驗(yàn)研究尚未見報(bào)道。

核電廠通常建在水源豐富的近岸地區(qū),以海水為冷卻水源。取水構(gòu)筑物通常為直墻式結(jié)構(gòu)物,受復(fù)雜地形和岸邊界影響,取水構(gòu)筑物前可能形成畸形波,威脅取水構(gòu)筑物的安全。

在紅沿河核電廠二期工程波浪物理模型試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)進(jìn)水口附近水域波面時(shí)間序列中存在畸形波。鑒于畸形波是一種災(zāi)害性波浪,有必要對(duì)畸形波作用下取水構(gòu)筑物的受力特性作探索性的研究,為取水構(gòu)筑物的安全設(shè)計(jì)提供參考。

圖2 工程地理位置圖Fig.2 Location of the project

1 研究背景

核電站在運(yùn)行期間會(huì)產(chǎn)生巨大的熱量,因此,核電廠通常設(shè)在水源豐富、方便獲取冷卻水的近岸地區(qū)。遼寧紅沿河核電廠位于遼東灣內(nèi)溫坨子附近［7］,其地理位置如圖2所示。

該核電廠分一期工程和二期工程,一期工程已建設(shè)完成,二期工程規(guī)劃再建設(shè)兩臺(tái)核電機(jī)組,均采用海水為冷卻水,海水通過(guò)進(jìn)水明渠進(jìn)入取水構(gòu)筑物。為減小泥沙、飄冰和波浪等不利因素對(duì)取水構(gòu)筑物的影響,在進(jìn)水明渠外側(cè)布置導(dǎo)流堤,導(dǎo)流堤延伸至約-10 m水深的岸邊。

通過(guò)波浪物理模型試驗(yàn),確定二期工程取水構(gòu)筑物和導(dǎo)流堤的頂標(biāo)高及其穩(wěn)定性,使得設(shè)計(jì)方案更加經(jīng)濟(jì)合理,并確定不同工況組合條件下有無(wú)導(dǎo)流堤時(shí)取水構(gòu)筑物前波浪及取水構(gòu)筑物所受波浪壓力情況。取水構(gòu)筑物和導(dǎo)流堤平面布置方案如圖3所示。

取水構(gòu)筑物的結(jié)構(gòu)型式為直墻式,迎浪側(cè)長(zhǎng)×高為22 m×60 m,底部寬37.5 m,如圖4和圖5所示。

圖3 取水構(gòu)筑物和導(dǎo)流堤平面布置示意圖Fig.3 Plane layout of ingarage structure and breakwater

圖4 取水構(gòu)筑物斷面圖Fig.4 Cross?section diagram of ingarage structure

圖5 取水構(gòu)筑物平面圖Fig.5 Plane graph of ingarage structure

依據(jù)技術(shù)任務(wù)書［7］要求,試驗(yàn)包括設(shè)計(jì)工況和校核工況與不同重現(xiàn)期和不同浪向的組合工況,并給出了近岸-15 m等深線波浪要素作為試驗(yàn)控制條件。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及模型設(shè)計(jì)

該實(shí)驗(yàn)在中國(guó)水利水電科學(xué)研究院河流環(huán)境實(shí)驗(yàn)廳進(jìn)行,實(shí)驗(yàn)廳多功能試驗(yàn)池長(zhǎng)×寬約100 m×42 m,深1.3 m,最大試驗(yàn)水深1.0 m,混凝土結(jié)構(gòu)。水池一端裝配有30 m長(zhǎng)蛇形造波機(jī),可模擬產(chǎn)生多向不規(guī)則波浪及±45°范圍內(nèi)的單向不規(guī)則波浪,生波周期范圍0.5～5.0 s。

模擬范圍需考慮包含-15 m等深線以外、外?？刂评讼蛞约皩?shí)驗(yàn)室條件等因素,同時(shí)依據(jù)《波浪模型試驗(yàn)規(guī)程》［8]和試驗(yàn)內(nèi)容,將模型比尺選為1：50;在實(shí)驗(yàn)廳長(zhǎng)度方向截取40 m作為實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地（圖3）。

波浪模擬采用不規(guī)則波（JONSWAP譜）進(jìn)行,譜寬因子取3.3。在天然地形上-15 m等深線處放置波高儀進(jìn)行波要素率定。

波高測(cè)量和點(diǎn)壓力測(cè)量均采用北京水科院研制生產(chǎn)的DS30型浪高測(cè)量系統(tǒng)和DS30型點(diǎn)壓力測(cè)量系統(tǒng)。浪高測(cè)量系統(tǒng)采集儀內(nèi)置128通道,最小采樣時(shí)間間隔為0.02 s,該系統(tǒng)可同步測(cè)量多點(diǎn)波面過(guò)程并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,在每次試驗(yàn)前均進(jìn)行標(biāo)定,標(biāo)定線性度均大于0.999。點(diǎn)壓力測(cè)量系統(tǒng)配置CYL型點(diǎn)壓力傳感器,絕對(duì)誤差小于0.01 kPa,最小采樣時(shí)間間隔為0.001 5 s,滿足波浪沖擊壓力的測(cè)量要求。

試驗(yàn)中,浪高測(cè)量系統(tǒng)和點(diǎn)壓力測(cè)量系統(tǒng)的采樣時(shí)間間隔均設(shè)為0.02 s,采樣長(zhǎng)度8 192。試驗(yàn)過(guò)程中兩系統(tǒng)同時(shí)采集,以保證波浪和點(diǎn)壓力數(shù)據(jù)的同步性。

3 天然地形上波浪場(chǎng)中的畸形波

制作完成的天然地形如圖6所示。

圖6 模型原始地形制作Fig.6 Laboratory equipment and original terrain

圖7 天然地形上取水口附近波高測(cè)點(diǎn)布置示意圖Fig.7 Locations of wave gauges layout

在完成原始地形制作之后進(jìn)行外海波浪率定和波要素提取試驗(yàn)。圖7給出了天然地形上取水口附近波要素測(cè)點(diǎn)布置位置,其中31#為外海波浪率定監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

在設(shè)計(jì)工況、50 a重現(xiàn)期N向、NNW向浪作用下,意外發(fā)現(xiàn)采集點(diǎn)波序中存在畸形波。例如在N向浪作用下,31#、10#、25#、16#、8#等多處采集波序中出現(xiàn)畸形波。作為示例,圖8給出了10#、25#和8#點(diǎn)的波序過(guò)程。

上述試驗(yàn)結(jié)果表明,畸形波可能發(fā)生在近岸海域。因此,在近岸的人員、船只及構(gòu)筑物,應(yīng)該提高警惕,加強(qiáng)防護(hù),預(yù)防畸形波可能帶來(lái)的損害。但是,近岸畸形波的發(fā)生與地形和岸邊界之間的關(guān)系,從本試驗(yàn)中還無(wú)法確定,尚需進(jìn)一步的試驗(yàn)研究。

圖8 天然地形上測(cè)得含有畸形波的隨機(jī)波列Fig.8 Random wave time series plots including freak waves

4 引水渠開挖后取水構(gòu)筑物異常點(diǎn)壓力和近岸畸形波

按照設(shè)計(jì)方案和試驗(yàn)內(nèi)容,在外海波要素率定之后將進(jìn)行引水渠開挖并安放取水構(gòu)筑物,測(cè)量在有無(wú)導(dǎo)流堤時(shí)取水構(gòu)筑物所受波浪壓力、取水口前波峰面高度和取水口附近海域波要素。引水渠開挖和取水構(gòu)筑物安放如圖9所示。

圖9 引水渠開挖和取水構(gòu)筑物安放及浪高儀布置圖Fig.9 Excavation of headrace and layout of wave gauges and ingarage structure

圖10 引水渠開挖后波高測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.10 Locations of wave gauges layout after diversion canal excavation

以下將進(jìn)行無(wú)導(dǎo)流堤時(shí)的試驗(yàn)工況。有導(dǎo)流堤時(shí)的試驗(yàn)工況將不作論述。

為充分測(cè)量近岸波況,在取水口前、引水明渠和導(dǎo)流堤（未建設(shè)）水域適當(dāng)加密了浪高儀的布設(shè),如圖10所示。

取水構(gòu)筑物模型上點(diǎn)壓力傳感器的布置如圖11所示,圖12給出了對(duì)應(yīng)于原型中的點(diǎn)壓力傳感器的布置示意圖及編號(hào),其中10#傳感器位于設(shè)計(jì)工況水位+2.37 m的位置。在距離取水構(gòu)筑物模型前沿2 cm處安放浪高儀,同步采集發(fā)生在取水構(gòu)筑物前的波高,其中4#浪高儀緊臨點(diǎn)壓力傳感器。模型前浪高儀布置及工況試驗(yàn)如圖13所示。

圖11 點(diǎn)壓力傳感器在模型中布置圖Fig.11 Arrangement of pressure transducers in the model

圖12 點(diǎn)壓力傳感器在原型中的布置示意圖Fig.12 Sketch of pressure transducers arrangement in the prototype

圖13 浪高儀布置和工況試驗(yàn)Fig.13 Arrangement of probes and a scene during experiment

試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn),在設(shè)計(jì)工況、50 a重現(xiàn)期N向浪作用下,取水構(gòu)筑物+5.37 m處11#點(diǎn)壓力序列中有異常值出現(xiàn)。圖14給出了各個(gè)點(diǎn)壓力的時(shí)間過(guò)程線。

將異常點(diǎn)壓力發(fā)生時(shí)段進(jìn)行放大,同時(shí),除異常點(diǎn)壓力以外的最大點(diǎn)壓力發(fā)生時(shí)間段也進(jìn)行放大,如圖15所示。

從圖15可以看出,位于+5.37 m處的11#點(diǎn)壓力采集序列中156.48 s時(shí)突然出現(xiàn)了一個(gè)極大值1.57 kPa,表現(xiàn)出了很強(qiáng)的異常性;除該異常點(diǎn)外,最大點(diǎn)壓力為0.69 kPa,發(fā)生在靜水位+2.37處10#采集序列中的22 s,在壓力時(shí)間序列中,該值較常規(guī)。上述兩點(diǎn)壓力之比為2.28。

圖14 各點(diǎn)壓力時(shí)間過(guò)程線Fig.14 Wave pressure time series plot

圖15 點(diǎn)壓力過(guò)程線放大Fig.15 Zoom on high wave pressures

上述點(diǎn)壓力異常值情況的出現(xiàn),一個(gè)可能的原因是設(shè)備受到外部電場(chǎng)、磁場(chǎng)等的干擾而產(chǎn)生的信號(hào)跳躍;另一個(gè)可能的原因是由特殊波浪作用而產(chǎn)生的實(shí)際結(jié)果。該儀器已在多次試驗(yàn)中使用,性能良好,抗干擾強(qiáng),模擬結(jié)果準(zhǔn)確可信。因此,該異常點(diǎn)壓力為真實(shí)值,可能是由特殊波浪如畸形波引起的強(qiáng)烈沖擊。

對(duì)取水構(gòu)筑物附近采集到的波高時(shí)間序列進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)在異常點(diǎn)壓力發(fā)生時(shí)刻前,距離取水構(gòu)筑物較近的8#、3#、4#等波高測(cè)點(diǎn)的采集波序中均出現(xiàn)畸形波,波面時(shí)間序列過(guò)程及畸形波放大如圖16所示。

由圖16可以看出,在8#點(diǎn)采集波序中,最大波高Hmax=17.65 cm,有效波高H1/3=7.01 cm,Hmax/H1/3=2.52。在3#點(diǎn)采集波序中,最大波高Hmax=15.20 cm,有效波高H1/3=6.78 cm,Hmax/H1/3=2.24。在緊挨點(diǎn)壓力傳感器的4#點(diǎn)采集波序中,最大波高Hmax=20.65 cm,有效波高H1/3=8.41 cm,Hmax/H1/3=2.46。三組波列中均滿足Hmax/H1/3≥2.0,出現(xiàn)了畸形波。

測(cè)點(diǎn)位置8#和3#距離取水口不超過(guò)一個(gè)特征波長(zhǎng),在此很短的距離內(nèi),在8#和3#位置形成的畸形波很容易傳播至取水構(gòu)筑物,同時(shí),在4#波序中畸形波與8#和3#波序中畸形波的發(fā)生時(shí)間相差小于一個(gè)平均周期,因此4#波序中的畸形波是由8#和3#波序中的畸形波傳播至此。由圖15和圖16可以看出,畸形波和異常點(diǎn)壓力幾乎同時(shí)發(fā)生。由此可以推斷,取水構(gòu)筑物上異常點(diǎn)壓力是由畸形波引起的。

在波高采集波列中22 s附近無(wú)畸形波發(fā)生,表明在點(diǎn)壓力采集序列中常規(guī)最大點(diǎn)壓力是由普通隨機(jī)波浪引起的。

圖17給出了在異常點(diǎn)壓力和常規(guī)最大點(diǎn)壓力發(fā)生時(shí)刻所有點(diǎn)壓力傳感器的壓力值。

在通常情況下,波浪對(duì)直墻式結(jié)構(gòu)物的最大點(diǎn)壓力位于靜水位,且壓強(qiáng)在靜水位上下近似服從線性分布［9］。從圖17中可以看出,常規(guī)隨機(jī)波浪對(duì)取水構(gòu)筑物的最大點(diǎn)壓力確實(shí)發(fā)生在靜水位,最大點(diǎn)壓力同步時(shí)刻點(diǎn)壓力值在靜水位上下近似服從線性分布,而畸形波作用時(shí)的最大點(diǎn)壓力位于靜水位以上,最大點(diǎn)壓力同步時(shí)刻點(diǎn)壓力值在靜水位上下不服從線性分布。由此可見,畸形波區(qū)別于常規(guī)隨機(jī)波浪對(duì)直墻式結(jié)構(gòu)物的作用,凸顯了畸形波的異常性。

依據(jù)圖17中的點(diǎn)壓力分布,可以估算出畸形波和常規(guī)隨機(jī)波浪作用時(shí)取水構(gòu)筑物單位長(zhǎng)度墻身上的水平總波浪力分別為225.84 N/m和89.84 N/m,前者是后者的2.51倍。

畸形波和常規(guī)隨機(jī)波浪作用時(shí),取水構(gòu)筑物底部受到的點(diǎn)壓力均較小,變化曲線較平滑,差別不大,畸形波作用時(shí)底部最大點(diǎn)壓力是常規(guī)隨機(jī)波浪作用時(shí)最大點(diǎn)壓力值的1.22倍。

為確定上述工況隨機(jī)波浪作用的平穩(wěn)性,試驗(yàn)另進(jìn)行了3組相同波況、不同波序、取水構(gòu)筑物前未發(fā)生畸形波的隨機(jī)波浪模擬試驗(yàn),以考察取水構(gòu)筑物的受力情況。試驗(yàn)結(jié)果顯示,取水構(gòu)筑物受到的最大點(diǎn)壓力值分別為0.71 kPa、0.68 kPa和0.72 kPa,與上述0.69 kPa相差很小,表明在該波況下,不同常規(guī)隨機(jī)波浪序列對(duì)取水構(gòu)筑物的產(chǎn)生的波浪壓力基本穩(wěn)定。

圖16 含有畸形波的隨機(jī)波序及波形放大Fig.16 Random wave time series plots including freak waves

圖17 異常點(diǎn)壓力和常規(guī)最大點(diǎn)壓力發(fā)生時(shí)刻壓力值的對(duì)比（單位：kPa）Fig.17 Comparisons of wave pressures

本試驗(yàn)中畸形波能夠產(chǎn)生比普通波浪更強(qiáng)大的壓力,可能威脅取水構(gòu)筑物的安全。

5 畸形波與同波高同周期的立波產(chǎn)生的波壓力比較

4#采集點(diǎn)波序中畸形波的周期1.06 s（上跨零點(diǎn)法）,取水構(gòu)筑物前明渠水深26.7 cm。受地形折射影響,N向浪傳播至取水構(gòu)筑物附近時(shí)可認(rèn)為波峰線與取水構(gòu)筑物大致平行?；尾ǖ牟ㄩL(zhǎng)約1.3 m（1.0 s）,取水構(gòu)筑物長(zhǎng)1.2 m（模型值）,與畸形波的波長(zhǎng)相當(dāng)。取水構(gòu)筑物前取水明渠水深一致,若把取水構(gòu)筑物看做直墻堤,則為暗基床直墻堤,上述畸形波波高、周期和水深等參數(shù)滿足堤前波態(tài)為立波的波態(tài)條件［9］。依據(jù)森弗羅法,假設(shè)與畸形波波高周期相一致的立波作用時(shí),取水構(gòu)筑物前最大波壓強(qiáng)為1.04 kPa,小于畸形波作用時(shí)的波壓強(qiáng),畸形波作用時(shí)的壓強(qiáng)為立波作用時(shí)壓強(qiáng)的1.51倍。立波作用時(shí)總水平波浪力為155 N/m,畸形波作用時(shí)的水平總波浪力是其1.46倍。

6 結(jié)論

通過(guò)一工程模型試驗(yàn),探索性的發(fā)現(xiàn)模型近岸海域存在畸形波,表明在實(shí)際的近岸海域可能發(fā)生畸形波事件。試驗(yàn)結(jié)果表明,畸形波和常規(guī)隨機(jī)波浪對(duì)直墻式構(gòu)筑物作用的區(qū)別較大。在構(gòu)筑物迎浪側(cè),前者產(chǎn)生的點(diǎn)壓力值可達(dá)到后者產(chǎn)生點(diǎn)壓力值的2.28倍,水平總力可達(dá)到2.51倍;在取水構(gòu)筑物底部,兩者產(chǎn)生的點(diǎn)壓力差別不大。計(jì)算結(jié)果表明,畸形波與同要素的立波作用的結(jié)果差別也較大,畸形波作用時(shí)的最大波壓強(qiáng)和水平總波浪力分別為立波作用時(shí)的1.51倍和1.46倍。在工程設(shè)計(jì)中,建議考慮畸形波作用,對(duì)直墻式構(gòu)筑物,將其設(shè)計(jì)承壓值增加1.5倍。

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Explorative research on freak wave′s interaction with vertical wall type structure

LIU Zan?qiang,JI Ping,ZHAO Yi?jun
（China Institute of Water Resources and Hydropower Research,Beijing100038,China）

Based on the experimental study,an explorative research on freak waves occurrence under natural landforms before engineering construction was carried out in this paper,and the different interactions on vertical wall type structure of nuclear power station after construction between freak wave and ordinary random wave were analyzed.Relationship between the different interactions and some advice on engineering design were put forward.

coastal freak wave;random wave;vertical wall type structure

TV 143;O 242.1

A

1005-8443（2014）02-0135-06

2013-05-06；

2013-09-05

劉贊強(qiáng)（1981-）,男,河南省安陽(yáng)人,工程師,主要從事隨機(jī)波浪模擬及其與結(jié)構(gòu)物作用的研究。