畸形波對直墻式構筑物作用的探索

劉贊強,紀 平,趙懿珺

（中國水利水電科學研究院,北京 100038）

畸形波對直墻式構筑物作用的探索

劉贊強,紀 平,趙懿珺

（中國水利水電科學研究院,北京 100038）

文章借助一個工程試驗,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)隨機波浪對直墻式核電取水構筑物作用的區(qū)別,給出了該試驗畸形波和常規(guī)隨機波浪對直墻式構筑物作用的關系及工程設計方面的建議。

近岸畸形波;隨機波浪;直墻式構筑物

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、破壞力極強的波浪,是隨機波浪的一種特殊現(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間序列如圖1所示,該畸形波對Draupner采油平臺造成了損害［1］。

目前,畸形波的發(fā)生機理尚無定論,也無確切的定義,研究學者大都認為畸形波是一種波能集中現(xiàn)象。通常將一個波序列中出現(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

由于畸形波不可預測且具有隨機性,因此外海研究畸形波存在極大困難,其相關特性的研究主要依賴于實驗室模擬。目前,研究學者在實驗室已經(jīng)實現(xiàn)了畸形波的可控生成,并開展了畸形波對結構物作用方面的研究,但大都僅限于浮體或圓柱體結構［5-6］,而畸形波對直墻式結構物作用的試驗研究尚未見報道。

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。取水構筑物通常為直墻式結構物,受復雜地形和岸邊界影響,取水構筑物前可能形成畸形波,威脅取水構筑物的安全。

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

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

1 研究背景

核電站在運行期間會產(chǎn)生巨大的熱量,因此,核電廠通常設在水源豐富、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,一期工程已建設完成,二期工程規(guī)劃再建設兩臺核電機組,均采用海水為冷卻水,海水通過進水明渠進入取水構筑物。為減小泥沙、飄冰和波浪等不利因素對取水構筑物的影響,在進水明渠外側布置導流堤,導流堤延伸至約-10 m水深的岸邊。

通過波浪物理模型試驗,確定二期工程取水構筑物和導流堤的頂標高及其穩(wěn)定性,使得設計方案更加經(jīng)濟合理,并確定不同工況組合條件下有無導流堤時取水構筑物前波浪及取水構筑物所受波浪壓力情況。取水構筑物和導流堤平面布置方案如圖3所示。

取水構筑物的結構型式為直墻式,迎浪側長×高為22 m×60 m,底部寬37.5 m,如圖4和圖5所示。

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

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

圖5 取水構筑物平面圖Fig.5 Plane graph of ingarage structure

依據(jù)技術任務書［7］要求,試驗包括設計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控制條件。

2 實驗設備及模型設計

該實驗在中國水利水電科學研究院河流環(huán)境實驗廳進行,實驗廳多功能試驗池長×寬約100 m×42 m,深1.3 m,最大試驗水深1.0 m,混凝土結構。水池一端裝配有30 m長蛇形造波機,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?？刂评讼蛞约皩嶒炇覘l件等因素,同時依據(jù)《波浪模型試驗規(guī)程》［8]和試驗內(nèi)容,將模型比尺選為1：50;在實驗廳長度方向截取40 m作為實驗場地（圖3）。

波浪模擬采用不規(guī)則波（JONSWAP譜）進行,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行波要素率定。

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

試驗中,浪高測量系統(tǒng)和點壓力測量系統(tǒng)的采樣時間間隔均設為0.02 s,采樣長度8 192。試驗過程中兩系統(tǒng)同時采集,以保證波浪和點壓力數(shù)據(jù)的同步性。

3 天然地形上波浪場中的畸形波

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點布置示意圖Fig.7 Locations of wave gauges layout

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

在設計工況、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#點的波序過程。

上述試驗結果表明,畸形波可能發(fā)生在近岸海域。因此,在近岸的人員、船只及構筑物,應該提高警惕,加強防護,預防畸形波可能帶來的損害。但是,近岸畸形波的發(fā)生與地形和岸邊界之間的關系,從本試驗中還無法確定,尚需進一步的試驗研究。

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

4 引水渠開挖后取水構筑物異常點壓力和近岸畸形波

按照設計方案和試驗內(nèi)容,在外海波要素率定之后將進行引水渠開挖并安放取水構筑物,測量在有無導流堤時取水構筑物所受波浪壓力、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筑物安放如圖9所示。

圖9 引水渠開挖和取水構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點布置圖Fig.10 Locations of wave gauges layout after diversion canal excavation

以下將進行無導流堤時的試驗工況。有導流堤時的試驗工況將不作論述。

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

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

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

圖12 點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Fig.13 Arrangement of probes and a scene during experiment

試驗結果發(fā)現(xiàn),在設計工況、50 a重現(xiàn)期N向浪作用下,取水構筑物+5.37 m處11#點壓力序列中有異常值出現(xiàn)。圖14給出了各個點壓力的時間過程線。

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

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

圖14 各點壓力時間過程線Fig.14 Wave pressure time series plot

圖15 點壓力過程線放大Fig.15 Zoom on high wave pressures

上述點壓力異常值情況的出現(xiàn),一個可能的原因是設備受到外部電場、磁場等的干擾而產(chǎn)生的信號跳躍;另一個可能的原因是由特殊波浪作用而產(chǎn)生的實際結果。該儀器已在多次試驗中使用,性能良好,抗干擾強,模擬結果準確可信。因此,該異常點壓力為真實值,可能是由特殊波浪如畸形波引起的強烈沖擊。

對取水構筑物附近采集到的波高時間序列進行分析,發(fā)現(xiàn)在異常點壓力發(fā)生時刻前,距離取水構筑物較近的8#、3#、4#等波高測點的采集波序中均出現(xiàn)畸形波,波面時間序列過程及畸形波放大如圖16所示。

由圖16可以看出,在8#點采集波序中,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。在緊挨點壓力傳感器的4#點采集波序中,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。

測點位置8#和3#距離取水口不超過一個特征波長,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筑物,同時,在4#波序中畸形波與8#和3#波序中畸形波的發(fā)生時間相差小于一個平均周期,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,畸形波和異常點壓力幾乎同時發(fā)生。由此可以推斷,取水構筑物上異常點壓力是由畸形波引起的。

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

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

在通常情況下,波浪對直墻式結構物的最大點壓力位于靜水位,且壓強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)隨機波浪對取水構筑物的最大點壓力確實發(fā)生在靜水位,最大點壓力同步時刻點壓力值在靜水位上下近似服從線性分布,而畸形波作用時的最大點壓力位于靜水位以上,最大點壓力同步時刻點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)隨機波浪對直墻式結構物的作用,凸顯了畸形波的異常性。

依據(jù)圖17中的點壓力分布,可以估算出畸形波和常規(guī)隨機波浪作用時取水構筑物單位長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)隨機波浪作用時,取水構筑物底部受到的點壓力均較小,變化曲線較平滑,差別不大,畸形波作用時底部最大點壓力是常規(guī)隨機波浪作用時最大點壓力值的1.22倍。

為確定上述工況隨機波浪作用的平穩(wěn)性,試驗另進行了3組相同波況、不同波序、取水構筑物前未發(fā)生畸形波的隨機波浪模擬試驗,以考察取水構筑物的受力情況。試驗結果顯示,取水構筑物受到的最大點壓力值分別為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)隨機波浪序列對取水構筑物的產(chǎn)生的波浪壓力基本穩(wěn)定。

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

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

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

5 畸形波與同波高同周期的立波產(chǎn)生的波壓力比較

4#采集點波序中畸形波的周期1.06 s（上跨零點法）,取水構筑物前明渠水深26.7 cm。受地形折射影響,N向浪傳播至取水構筑物附近時可認為波峰線與取水構筑物大致平行?；尾ǖ牟ㄩL約1.3 m（1.0 s）,取水構筑物長1.2 m（模型值）,與畸形波的波長相當。取水構筑物前取水明渠水深一致,若把取水構筑物看做直墻堤,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,假設與畸形波波高周期相一致的立波作用時,取水構筑物前最大波壓強為1.04 kPa,小于畸形波作用時的波壓強,畸形波作用時的壓強為立波作用時壓強的1.51倍。立波作用時總水平波浪力為155 N/m,畸形波作用時的水平總波浪力是其1.46倍。

6 結論

通過一工程模型試驗,探索性的發(fā)現(xiàn)模型近岸海域存在畸形波,表明在實際的近岸海域可能發(fā)生畸形波事件。試驗結果表明,畸形波和常規(guī)隨機波浪對直墻式構筑物作用的區(qū)別較大。在構筑物迎浪側,前者產(chǎn)生的點壓力值可達到后者產(chǎn)生點壓力值的2.28倍,水平總力可達到2.51倍;在取水構筑物底部,兩者產(chǎn)生的點壓力差別不大。計算結果表明,畸形波與同要素的立波作用的結果差別也較大,畸形波作用時的最大波壓強和水平總波浪力分別為立波作用時的1.51倍和1.46倍。在工程設計中,建議考慮畸形波作用,對直墻式構筑物,將其設計承壓值增加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（1981-）,男,河南省安陽人,工程師,主要從事隨機波浪模擬及其與結構物作用的研究。