干湿床面下海啸波特性及对码头作用机制研究

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海啸发生时,对海岸工程破坏巨大,对人民生命财产安全造成严重的威胁。我国的东南沿海、南海以及台湾省东部属于海啸风险区域,且“21世纪海上丝绸之路”沿线国家的建港亦需考虑海啸侵袭的可能性。本文基于物理模型试验,通过实验室生成的溃坝波来模拟海啸波,并分别探究干湿床面条件下海啸波的特性,进而揭示海啸波冲击码头结构的作用机制,旨在为海岸工程的防灾减灾提供一定的帮助。在干湿床面海啸波特性的试验中,采用DWGS系统在实验室中生成海啸波,进而测量海啸波在干湿床面上的行进特征。水槽中的床面条件分别设置为全程干床面、初始床面水深0.05 m以及初始床面水深0.10 m。基于试验数据,分析了海啸波形的沿程变化及在三种床面条件下不同的特性,包括波前沿轮廓线、波高、波速以及海啸波弗劳德数。结果表明,海啸波在行进过程中,最大波高略有下降,同时波形饱满度沿程增加。随着床面水深的增加,波前沿轮廓线更陡、波前沿面积更大、波高增加、波速减小、海啸波弗劳德数减小。此外,根据试验结果拟合出不同床面水深条件下的海啸波速计算公式。为研究海啸波上托压强的影响因素,在海啸波冲击码头的试验中,利用3D打印技术打印出“板-坡-桩”结构的码头模型来代表典型的码头,并将其固定于水槽末端,连接以压强传感器进行试验。压强历时曲线表明,海啸波对码头平台的上托压强可分为波前沿爬升压强、波前沿冲击压强、海啸波壅高压强、水体准恒定压强及海啸波反射压强。探究海啸波强度(波高)、码头平台高度、斜坡角度、床面水深对上托压强的影响,结果表明:上托压强与海啸波强度(波高)呈现正相关变化,而与码头平台高度、斜坡角度以及床面水深呈现负相关变化。提取各组次压强特征值数据进行无量纲化后,分别提出了不同斜坡角度下的波前沿冲击压强和准恒定压强的计算公式,它们均为海啸波高、平板高度、床面水深的函数。为探究海啸波对码头平台上托压强的时空分布,将分布方向分为顺流和横流方向,分别分析了压强分布随空间和时间的变化。结果表明,在波前沿冲击阶段,码头平板上的压强分布随时间变化较为剧烈,而在准恒定阶段码头平板上的压强分布随时间变化则较为缓慢。在顺流方向上,压强从板坡结合处到板前沿呈现递减趋势;在横流方向上,压强分布空间变化不大。基于试验数据,拟合出了码头平台顺流方向上波前沿冲击压强及准恒定压强的空间分布计算公式,计算值与实测值吻合度较高。
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