畸形波对直墙式构筑物作用的探索

刘赞强,纪 平,赵懿珺

（中国水利水电科学研究院,北京 100038）

畸形波对直墙式构筑物作用的探索

刘赞强,纪 平,赵懿珺

（中国水利水电科学研究院,北京 100038）

文章借助一个工程试验,探索性地研究了工程前天然地形下近岸畸形波的存在情况以及工程后畸形波和常规随机波浪对直墙式核电取水构筑物作用的区别,给出了该试验畸形波和常规随机波浪对直墙式构筑物作用的关系及工程设计方面的建议。

近岸畸形波;随机波浪;直墙式构筑物

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

畸形波（freak wave）是海洋中突然出现又很快消失的一种巨大的、破坏力极强的波浪,是随机波浪的一种特殊现象,在近岸和深海都有可能发生。如1995年1月1日发生在北海的畸形波波面时间序列如图1所示,该畸形波对Draupner采油平台造成了损害［1］。

目前,畸形波的发生机理尚无定论,也无确切的定义,研究学者大都认为畸形波是一种波能集中现象。通常将一个波序列中出现不小于2倍有效波高（三分之一大波平均值）的单个大波称为畸形波［2-4］,即畸形波波高满足Hmax/H1/3≥2.0。

图1 北海畸形波波面时间序列（1995-1-1）Fig.1 Time series plot for freak wave recorded on January l,1995

由于畸形波不可预测且具有随机性,因此外海研究畸形波存在极大困难,其相关特性的研究主要依赖于实验室模拟。目前,研究学者在实验室已经实现了畸形波的可控生成,并开展了畸形波对结构物作用方面的研究,但大都仅限于浮体或圆柱体结构［5-6］,而畸形波对直墙式结构物作用的试验研究尚未见报道。

核电厂通常建在水源丰富的近岸地区,以海水为冷却水源。取水构筑物通常为直墙式结构物,受复杂地形和岸边界影响,取水构筑物前可能形成畸形波,威胁取水构筑物的安全。

在红沿河核电厂二期工程波浪物理模型试验中发现进水口附近水域波面时间序列中存在畸形波。鉴于畸形波是一种灾害性波浪,有必要对畸形波作用下取水构筑物的受力特性作探索性的研究,为取水构筑物的安全设计提供参考。

图2 工程地理位置图Fig.2 Location of the project

1 研究背景

核电站在运行期间会产生巨大的热量,因此,核电厂通常设在水源丰富、方便获取冷却水的近岸地区。辽宁红沿河核电厂位于辽东湾内温坨子附近［7］,其地理位置如图2所示。

该核电厂分一期工程和二期工程,一期工程已建设完成,二期工程规划再建设两台核电机组,均采用海水为冷却水,海水通过进水明渠进入取水构筑物。为减小泥沙、飘冰和波浪等不利因素对取水构筑物的影响,在进水明渠外侧布置导流堤,导流堤延伸至约-10 m水深的岸边。

通过波浪物理模型试验,确定二期工程取水构筑物和导流堤的顶标高及其稳定性,使得设计方案更加经济合理,并确定不同工况组合条件下有无导流堤时取水构筑物前波浪及取水构筑物所受波浪压力情况。取水构筑物和导流堤平面布置方案如图3所示。

取水构筑物的结构型式为直墙式,迎浪侧长×高为22 m×60 m,底部宽37.5 m,如图4和图5所示。

图3 取水构筑物和导流堤平面布置示意图Fig.3 Plane layout of ingarage structure and breakwater

图4 取水构筑物断面图Fig.4 Cross⁃section diagram of ingarage structure

图5 取水构筑物平面图Fig.5 Plane graph of ingarage structure

依据技术任务书［7］要求,试验包括设计工况和校核工况与不同重现期和不同浪向的组合工况,并给出了近岸-15 m等深线波浪要素作为试验控制条件。

2 实验设备及模型设计

该实验在中国水利水电科学研究院河流环境实验厅进行,实验厅多功能试验池长×宽约100 m×42 m,深1.3 m,最大试验水深1.0 m,混凝土结构。水池一端装配有30 m长蛇形造波机,可模拟产生多向不规则波浪及±45°范围内的单向不规则波浪,生波周期范围0.5～5.0 s。

模拟范围需考虑包含-15 m等深线以外、外海控制浪向以及实验室条件等因素,同时依据《波浪模型试验规程》［8]和试验内容,将模型比尺选为1：50;在实验厅长度方向截取40 m作为实验场地（图3）。

波浪模拟采用不规则波（JONSWAP谱）进行,谱宽因子取3.3。在天然地形上-15 m等深线处放置波高仪进行波要素率定。

波高测量和点压力测量均采用北京水科院研制生产的DS30型浪高测量系统和DS30型点压力测量系统。浪高测量系统采集仪内置128通道,最小采样时间间隔为0.02 s,该系统可同步测量多点波面过程并进行数据分析,在每次试验前均进行标定,标定线性度均大于0.999。点压力测量系统配置CYL型点压力传感器,绝对误差小于0.01 kPa,最小采样时间间隔为0.001 5 s,满足波浪冲击压力的测量要求。

试验中,浪高测量系统和点压力测量系统的采样时间间隔均设为0.02 s,采样长度8 192。试验过程中两系统同时采集,以保证波浪和点压力数据的同步性。

3 天然地形上波浪场中的畸形波

制作完成的天然地形如图6所示。

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

图7 天然地形上取水口附近波高测点布置示意图Fig.7 Locations of wave gauges layout

在完成原始地形制作之后进行外海波浪率定和波要素提取试验。图7给出了天然地形上取水口附近波要素测点布置位置,其中31#为外海波浪率定监测点。

在设计工况、50 a重现期N向、NNW向浪作用下,意外发现采集点波序中存在畸形波。例如在N向浪作用下,31#、10#、25#、16#、8#等多处采集波序中出现畸形波。作为示例,图8给出了10#、25#和8#点的波序过程。

上述试验结果表明,畸形波可能发生在近岸海域。因此,在近岸的人员、船只及构筑物,应该提高警惕,加强防护,预防畸形波可能带来的损害。但是,近岸畸形波的发生与地形和岸边界之间的关系,从本试验中还无法确定,尚需进一步的试验研究。

图8 天然地形上测得含有畸形波的随机波列Fig.8 Random wave time series plots including freak waves

4 引水渠开挖后取水构筑物异常点压力和近岸畸形波

按照设计方案和试验内容,在外海波要素率定之后将进行引水渠开挖并安放取水构筑物,测量在有无导流堤时取水构筑物所受波浪压力、取水口前波峰面高度和取水口附近海域波要素。引水渠开挖和取水构筑物安放如图9所示。

图9 引水渠开挖和取水构筑物安放及浪高仪布置图Fig.9 Excavation of headrace and layout of wave gauges and ingarage structure

图10 引水渠开挖后波高测点布置图Fig.10 Locations of wave gauges layout after diversion canal excavation

以下将进行无导流堤时的试验工况。有导流堤时的试验工况将不作论述。

为充分测量近岸波况,在取水口前、引水明渠和导流堤（未建设）水域适当加密了浪高仪的布设,如图10所示。

取水构筑物模型上点压力传感器的布置如图11所示,图12给出了对应于原型中的点压力传感器的布置示意图及编号,其中10#传感器位于设计工况水位+2.37 m的位置。在距离取水构筑物模型前沿2 cm处安放浪高仪,同步采集发生在取水构筑物前的波高,其中4#浪高仪紧临点压力传感器。模型前浪高仪布置及工况试验如图13所示。

图11 点压力传感器在模型中布置图Fig.11 Arrangement of pressure transducers in the model

图12 点压力传感器在原型中的布置示意图Fig.12 Sketch of pressure transducers arrangement in the prototype

图13 浪高仪布置和工况试验Fig.13 Arrangement of probes and a scene during experiment

试验结果发现,在设计工况、50 a重现期N向浪作用下,取水构筑物+5.37 m处11#点压力序列中有异常值出现。图14给出了各个点压力的时间过程线。

将异常点压力发生时段进行放大,同时,除异常点压力以外的最大点压力发生时间段也进行放大,如图15所示。

从图15可以看出,位于+5.37 m处的11#点压力采集序列中156.48 s时突然出现了一个极大值1.57 kPa,表现出了很强的异常性;除该异常点外,最大点压力为0.69 kPa,发生在静水位+2.37处10#采集序列中的22 s,在压力时间序列中,该值较常规。上述两点压力之比为2.28。

图14 各点压力时间过程线Fig.14 Wave pressure time series plot

图15 点压力过程线放大Fig.15 Zoom on high wave pressures

上述点压力异常值情况的出现,一个可能的原因是设备受到外部电场、磁场等的干扰而产生的信号跳跃;另一个可能的原因是由特殊波浪作用而产生的实际结果。该仪器已在多次试验中使用,性能良好,抗干扰强,模拟结果准确可信。因此,该异常点压力为真实值,可能是由特殊波浪如畸形波引起的强烈冲击。

对取水构筑物附近采集到的波高时间序列进行分析,发现在异常点压力发生时刻前,距离取水构筑物较近的8#、3#、4#等波高测点的采集波序中均出现畸形波,波面时间序列过程及畸形波放大如图16所示。

由图16可以看出,在8#点采集波序中,最大波高Hmax=17.65 cm,有效波高H1/3=7.01 cm,Hmax/H1/3=2.52。在3#点采集波序中,最大波高Hmax=15.20 cm,有效波高H1/3=6.78 cm,Hmax/H1/3=2.24。在紧挨点压力传感器的4#点采集波序中,最大波高Hmax=20.65 cm,有效波高H1/3=8.41 cm,Hmax/H1/3=2.46。三组波列中均满足Hmax/H1/3≥2.0,出现了畸形波。

测点位置8#和3#距离取水口不超过一个特征波长,在此很短的距离内,在8#和3#位置形成的畸形波很容易传播至取水构筑物,同时,在4#波序中畸形波与8#和3#波序中畸形波的发生时间相差小于一个平均周期,因此4#波序中的畸形波是由8#和3#波序中的畸形波传播至此。由图15和图16可以看出,畸形波和异常点压力几乎同时发生。由此可以推断,取水构筑物上异常点压力是由畸形波引起的。

在波高采集波列中22 s附近无畸形波发生,表明在点压力采集序列中常规最大点压力是由普通随机波浪引起的。

图17给出了在异常点压力和常规最大点压力发生时刻所有点压力传感器的压力值。

在通常情况下,波浪对直墙式结构物的最大点压力位于静水位,且压强在静水位上下近似服从线性分布［9］。从图17中可以看出,常规随机波浪对取水构筑物的最大点压力确实发生在静水位,最大点压力同步时刻点压力值在静水位上下近似服从线性分布,而畸形波作用时的最大点压力位于静水位以上,最大点压力同步时刻点压力值在静水位上下不服从线性分布。由此可见,畸形波区别于常规随机波浪对直墙式结构物的作用,凸显了畸形波的异常性。

依据图17中的点压力分布,可以估算出畸形波和常规随机波浪作用时取水构筑物单位长度墙身上的水平总波浪力分别为225.84 N/m和89.84 N/m,前者是后者的2.51倍。

畸形波和常规随机波浪作用时,取水构筑物底部受到的点压力均较小,变化曲线较平滑,差别不大,畸形波作用时底部最大点压力是常规随机波浪作用时最大点压力值的1.22倍。

为确定上述工况随机波浪作用的平稳性,试验另进行了3组相同波况、不同波序、取水构筑物前未发生畸形波的随机波浪模拟试验,以考察取水构筑物的受力情况。试验结果显示,取水构筑物受到的最大点压力值分别为0.71 kPa、0.68 kPa和0.72 kPa,与上述0.69 kPa相差很小,表明在该波况下,不同常规随机波浪序列对取水构筑物的产生的波浪压力基本稳定。

图16 含有畸形波的随机波序及波形放大Fig.16 Random wave time series plots including freak waves

图17 异常点压力和常规最大点压力发生时刻压力值的对比（单位：kPa）Fig.17 Comparisons of wave pressures

本试验中畸形波能够产生比普通波浪更强大的压力,可能威胁取水构筑物的安全。

5 畸形波与同波高同周期的立波产生的波压力比较

4#采集点波序中畸形波的周期1.06 s（上跨零点法）,取水构筑物前明渠水深26.7 cm。受地形折射影响,N向浪传播至取水构筑物附近时可认为波峰线与取水构筑物大致平行。畸形波的波长约1.3 m（1.0 s）,取水构筑物长1.2 m（模型值）,与畸形波的波长相当。取水构筑物前取水明渠水深一致,若把取水构筑物看做直墙堤,则为暗基床直墙堤,上述畸形波波高、周期和水深等参数满足堤前波态为立波的波态条件［9］。依据森弗罗法,假设与畸形波波高周期相一致的立波作用时,取水构筑物前最大波压强为1.04 kPa,小于畸形波作用时的波压强,畸形波作用时的压强为立波作用时压强的1.51倍。立波作用时总水平波浪力为155 N/m,畸形波作用时的水平总波浪力是其1.46倍。

6 结论

通过一工程模型试验,探索性的发现模型近岸海域存在畸形波,表明在实际的近岸海域可能发生畸形波事件。试验结果表明,畸形波和常规随机波浪对直墙式构筑物作用的区别较大。在构筑物迎浪侧,前者产生的点压力值可达到后者产生点压力值的2.28倍,水平总力可达到2.51倍;在取水构筑物底部,两者产生的点压力差别不大。计算结果表明,畸形波与同要素的立波作用的结果差别也较大,畸形波作用时的最大波压强和水平总波浪力分别为立波作用时的1.51倍和1.46倍。在工程设计中,建议考虑畸形波作用,对直墙式构筑物,将其设计承压值增加1.5倍。

［1］Walker D A G,Taylor P H,Taylor R E.The shape of large surface waves on the open sea and the Draupner New Year wave［J］.Applied Ocean Research,2004,26（3-4）：73-83.

［2］赵西增.畸形波的实验研究和数值模拟［D］.大连：大连理工大学,2009.

［3］Pelinovsky E,Kharif C.Extreme ocean waves［M］.Berlin：Springer,2008.

［4］Kharif C,Pelinovsky E,Slunyaev A.Rogue Waves in the Ocean［M］.Berlin：Springer,2009.

［5］Sundar V,Koola P M,Schlenkhoff A U.Dynamic pressures on inclined cylinders due to freak waves［J］.Ocean Engineering,1999,26（9）：841-863.

［6］Sparboom U,Wienke J,Oumeraci H.Laboratory"freak wave"generation for the study of extreme wave loads on piles［C］//Billy L E,Hemsley J M.Proceedings of the International Symposium on Ocean Wave Measurement and Analysis.San Francisco：American Society of Civil Engineers,2002.

［7］齐文明.红沿河核电厂二期工程进水口波浪物理模型试验任务书［R］.深圳：中广核工程设计有限公司,2010.

［8］JTJ/T 234-2001,波浪模型试验规程［S］.

［9］俞聿修.随机波浪及其工程应用［M］.大连：大连理工大学出版社,2003.

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

刘赞强（1981-）,男,河南省安阳人,工程师,主要从事随机波浪模拟及其与结构物作用的研究。