波浪概率模型试验方法研究

目前常用的确定性模型试验不能满足海岸工程结构可靠度设计的要求。针对设计波高、周期、作用方向和水位四个水动力因素的不确定性,提出了波浪概率模型试验及其分析方法,供实验室物理和数学模型实验应用。     

关于海洋工程设计波高标准研究

针对海洋工程设计波浪标准存在的一些问题,本文提出以海洋工程构筑物的使用期和使用期内可能超过设计波高的危险率作为控制条件的海洋工程设计波高标准,推导出一组适用于各种资料取样方法和波浪不同的原始分布形式下设计波高推算公式,根据海洋工程构筑物使用期、设计危险率以及设计海域的波高统计特征值,即可推算设计波高,文中还通过算例,将这组新公式的计算结果与现行各种方法进行了比较.     

波高与周期、海况与结构物反应间的等概率组合

各种海洋结构物所受的波浪效应,大体上是正比于海况的强度和波列中个别大的波高的。因此,长期以来海洋工程是以某一累积概率的波高的重现期作为海洋结构物的设计标准。然而,某一设计波高和不同波周期的组合对各类海洋结构物的波浪荷载、从而对结构物的尺度都有十分显著的影响,谷本胜利等[1]计算了在一固定的换算深水波高H_o'=7米的情况下,改变有效波周期T_s=9-16秒时,所要求的直立防波堤的堤宽(见图1)。     

波浪对透空外双壁筒柱的绕射

应用透空壁内流体速度与两壁间压力差成正比的线性模型，建立了外壁透空的双筒圆柱对波浪绕射的解析解。通过数值计算研究了外壁透空率的大小、内外柱半径之比等因素对桩柱上总波浪作用力和波面高度的影响。数值结果表明圆柱外壁透空系数的增加，将明显地降低圆柱周围的波浪高度和圆柱上的波浪力；内外柱径之比的大小对波浪力和波高的最大值无太大影响，而对波浪力剧烈衰减区的位置和波高的振荡周期有决定作用。     

不规则波作用于垂直桩柱上的正向力

通过试验,研究了规则波,特别是不规则波作用于孤立桩柱上的正向力,通过测定桩上的总波浪力并利用时域最小二乘法和互谱分析法,研究了Morison公式中的系数C_D、C_M与KC数和雷诺数的关系及其随频率的变化,给出了规则波和不规则波作用下的C_D、C_M与KC数的关系曲线,此外,从波、力之间的相干数角度,对传递函数法计算不规则波浪力的适用范围也作了分析。     

计算孤立桩柱上波流共同作用力的修正的Morison方程

自1950年Morison方程问世以来,它在海洋工程设计中得到了广泛的应用,同时,许多学者对它进行了大量的研究工作。对纯波浪情况和纯水流情况,按照Morison方程计算桩柱上的水动力,已经有较成熟的成果,然而对波浪与水流共同作用情况下桩柱上水动力的研究却很少,仅见于文献[1-8]。     

混合浪波高分布

本文根据深水单一波系波高分布数学模式,应用概率统计理论有关定理,分析、推导了风浪与涌浪合成的混合浪特征量波高相互间的关系式,使用实测资料对模式和关系式进行了验证,符合程度良好,模式可直接应用于海浪预报和海洋工程波浪设计.     

海洋重现期波高统一化计算方法

重现期波高是港口海岸及海洋工程设计中不可回避的一个重要设计参数,尤其对深水海港、海上平台、海底油气管道、沿海核电站等重大涉海工程设计具有巨大的经济价值和深远的社会效益。但是,现有重现期波高推算缺乏统一的计算方法,导致计算结果相差悬殊。研究重现期波高的统一化计算方法,分析重现期波高计算中存在的各种不确定因素,提出减少这些不确定因素的新方法,建立误差小、应用方便、方法统一的重现期波高计算方法。基于澳大利亚悉尼站的长期连续观测波浪数据,研究发现:广义帕累托函数(generalized Pareto distribution III,GPD-III)和威布尔(Weibull)是重现期波高计算的最佳候选极值分布函数,新推导的函数形状参数计算公式较好提高重现期波高的计算精度,极值波高数据的分析方法和样本大小是影响重现期波高计算精确度的两个重要因素,短期波浪资料和年极值法可能高估重现期波高值。逐个风暴的极值波高数据分析法及最佳候选极值分布函数GPD-III和Weibull建议应用于涉海工程设计的重现期波高推算。     

基于ERA-Interim资料近37年南海波浪时空特征分析

基于ECMWF的ERA-interim37a的风场及海浪场再分析资料,探讨了南海海域波浪的时空分布特征,主要分析了波浪场和风场的空间分布、季节特征以及4个海域(南沙、西沙、中沙、东沙)波高与周期的联合分布以及南海波高的长期变化趋势。结果表明:南海海域的有效波高大值区呈东北-西南走向,且具有明显季节性变化特征,波高与风速以及波向与风向整体相关性较好;有效波高和波周期有良好的对应关系,不同区域波高与周期联合分布相近。1979—2015年期间,南海大部分海域的有效波高呈逐年递增趋势,其量值约为0.2~0.8 cm/yr。本文的研究成果,对南海远洋运输、海洋工程设计、岛礁建设及海洋能开发与利用等有着重要的参考价值。     

渤海和黄海北部波高与周期联合分析

分析波高与周期的联合分布特征对于海洋平台设计、海洋工程建筑等有着重要的意义。基于SWAN模型模拟的波浪后报数据对渤海和黄海北部1999~2018年的波浪特征进行了统计分析。分别对20年的波高和周期数据进行了统计分析,得到了研究区域20年有效波高和波周期的季平均值和最大值的区域分布特征。然后以散布图的形式刻画了整个区域20年波高和周期的联合分布特征。为了更深入地研究波高和周期的联合分布规律,选择了两个研究点A1和A2,A1在渤海内部相对近岸,A2在黄海北部深海区。统计结果表明,在A1和A2,波高与周期的联合分布特征较为相似,均呈现斜三角形的分布特征,然而大波高大周期的波浪却呈现不同的分布特征。最后,利用20年的波浪后报数据,在A1和A2点构建了有效波高和谱峰周期的联合概率模型,并采用IFORM法得到了50年、100年和200年重现周期的环境等值线,为研究海域海上结构物的可靠性设计提供了参考。     

缓坡上波浪谱的变形及破碎

在文献[1]中,通过实验分析和理论计算,笔者提出不规则波浪的破碎指标仍可采用合田[2]的相对波高极值(H/d)_b与Michell[3]和Miche[4]的极限波陡指标(H/L)_b.本文利用该破碎指标,分析计算了缓坡上不规则波在水流作用下的谱变形、波高的统计分布以及波浪破碎的概率等,其结果与作者的实验结果符合良好。     

波群作用于垂直桩柱的峰力统计性质

研究具有窄谱和Ｗｅｉｂｕｌｌ波高分布的波群对非线性桩柱系统作用力的统计性质。求得了桩桩的波浪峰力的各种特征值及其比值。指出这些数值不仅是阻力一惯性力参数ｂＨ的函数，也随着波群因子而变化。本文模式更具广泛性。文中给出了一系列计算图表，可从理论计算波群作用于桩柱的波浪峰力。     

用贝叶斯方法推算设计波高

采用长期概率预报提供波浪要素设计值是海洋工程中不可缺少的内容之一，文中介绍了一种基於贝叶斯原理的新计算方法，它较传统统计方法有明显的优越性，不仅可以通过补充新信息不断修正原有的估算结果，而且可以避免传统方法带来诸多不确定性，文中以北海中部百年一遇设计波高为例进行了计算。     

利用长、短期波高分布规律确定多年一遇有效波高

许多单位对北部湾中涠洲岛西南(20°27′N,109°38′E)海区设计波要素的推算作了大量的工作,为该海区海洋工程设计提供了海洋环境参数。从有关的资料中看出,大家采用的实测资料大都是来自北部湾沿岸海洋站的风、浪资料,主要的是以涠州岛海洋站的风、浪资料,涠洲岛西南海区离岸较远,水深为42米,而有长期资料的涠州岛海洋站在岸边,水深为19米,利用岸边资料推算外海波浪,一般多使用相关分析法和外推法(分析波浪到达岸边前的传播过程中的变形,由近岸的波浪观测值反推外海的波浪要素)。由于涠西南海上实测风、浪资料甚少,各单位在资料选取方面的不同,选用的推算方法的不同,以致于推算出的多年一遇设计波高产生了一定的差异。因此,为了定出较为确切的多年一遇有效波高,应用于海洋工程设计,我们利用了海上平台、海上浮标、涠洲岛海洋站的波浪资料,采用各种计算方法,分别用长、短期实测波浪推算多年一遇有效波高,然后,作出同种波浪资料,长、短期推算结果比较,作出岸边和外海不同波浪资料,同时间短期推算结果比较,作出外海浮标和平台不同时间短期推算结果比较。最后综合分析各种资料的可靠性和代表性以及长期与短期资料推算结果的可靠误差,确定涠西南海区的多年一遇有效波高。     

波浪作用下桩桩周围局部冲刷研究

通过系统的物理模型试验,考虑波高、周期、水深、泥沙粒径、桩柱直径等影响因素,研究桩柱周围的局部冲刷形态、尺度高。分析了桩柱周转局部产中刷的三种基本类型,得出最大冲刷深度随波数的变化规律,提出了最大冲刷黉度的计算方法。     

基于实测数据的台湾海峡中部波浪特征分析 *

利用台湾海峡中部2号大浮标2017年全年的实测波浪资料, 对海浪的基本波要素及其与风的相关性、波谱特性进行统计分析, 得出了重要特征波参数之间的回归关系和适合台湾海峡中部的海浪谱形式。研究结果显示: 1) 台湾海峡中部的常浪向是NE向, 强浪向是NNE向, 月均有效波高的变化范围为0.87~2.98m, 7月波高最小, 12月波高最大, 波周期与波高有着相似的月际变化趋势; 2) 主要波浪类型是以风浪为主的混合浪, 谱型上以单峰为主, 波高与风速整体上呈正相关关系, 大浪主要由台风和强劲的东北季风引起; 3) 波浪的平均周期与大部分特征波周期之间具有良好的线性相关性, NNE、NE方向的波浪有效波高和有效波周期线性相关性较强; 4) 相比于Jonswap谱, 规范谱一是更符合本区域的海浪谱模式, 给出了基于有效波高和谱峰周期拟合的规范谱一形式。这些研究成果可为海洋工程设计和波浪数值模拟提供参考。     

孤立墩柱在波浪作用下的动力反应

随着海洋工程事业的迅速发展,海上建筑物有不少采用孤立墩柱的型式或是由孤立墩柱组成的.关于作用在孤立墩柱上的波浪力,在我国交通部制定的《海港水文规范》中已作出规定,这方面也有不少文献和研究成果.但是,设计海上孤立墩柱建筑物,只按静力计算往往是不够的,在不少情况下,必须考虑动力反应问题.自1961年美国得萨克四号塔发生重大破坏事故以后,海洋工程界对海上建筑物的动力设计问题非常重视.作用在海上建筑物的荷载,除波浪力外,尚有风、水流等,为使问题简化,本文仅考虑波浪荷载,并视结构为单自由度第一振型的振动.     

海洋环境要素计算不确定性分析

海洋环境要素(如风、浪、流、周期等)极值参数的准确推算在海洋工程设计中具有重要意义。由于极值计算时存在的不确定性因素,导致不同模式、样本的组合会导致极值计算结果产生明显差异。使用南海长期波浪资料,对环境要素计算时存在的统计模型不确定性、取样不确定性和参数求解方法的不确定性等进行了系统的研究和比较,最终对极值理论总体不确定性进行了分析。结果表明,采用复合极值分布并扩大样本数量的方法,可有效减小极值预测的不确定性及海洋结构物设计阶段的风险。     

海洋工程中桩身自由站立稳定性影响因素分析

由于海洋工程中的钢管桩具有直径大、桩壁薄和超长的特点,桩的自由站立稳定性分析是桩基设计的重要组成部分。结合海洋工程的设计实例,借助三维非线性有限元分析方法,考虑桩身变形的几何非线性特性,研究了桩身倾斜度、支撑情况以及水平荷载等因素对桩身自由站立稳定性的影响规律,并将线性分析方法和非线性分析方法得到的结果进行了比较。     

长江口附近海域周年波浪特征分析

本文利用长江口附近海域2011年1月—2011年12月长达1年的海浪实测资料,对海浪基本要素及大浪过程与热带气旋活动的关系进行统计分析,并选取一个典型台风过程的波浪进行研究。研究结果表明：观测点年有效波高H_s平均值为1.2 m, 1月平均有效波高H_s值最大,受台风影响,最大有效波高出现在8月,达7.4 m;观测期间,有效波高H_s多集中在2 m以下范围内,有效周期T_s在3～14 s之间;本地区的有效波高H_1/3和风速U₁₀具有较好的指数关系;强台风“梅花”活动期间,波型变化与一般台风浪波型的演变规律较为一致。