波压力

2020-04-09 21:00

水体波动时产生的压力。广义的波压力应包括静水压力和由于波浪作用所增加的动水压力（净波压力）。工程上指波浪作用于建筑物或结构物上的动水压力。

波压力是防浪水工建筑物和其他受到波浪作用的海岸及海洋工程的主要荷载之一，对这些水工建筑物的设计尺度和稳定性等有重要的影响。

波浪与建筑物相互作用的现象十分复杂，影响因素很多，波浪的理论也各异。各种常用的波压力公式都对波浪与建筑物相互作用的模式作了一些假定和简化，其中一些系数又多是根据一定条件的模型试验或特定条件下现场观测的资料而确定的，具有一定的局限性和经验性。因此，对于重要和复杂的建筑物需要通过大比尺的模型试验来确定波压力。

随着计算机的普遍推广使用，近年来许多国家广泛开展数学模型的研究，采用高阶的波浪理论进行三维的波压力和其他波浪问题的计算工作，取得了重要成果。同时，许多国家正在进行不规则波波压力的物理模型和数学模型的研究工作。

直墙式建筑物波压力

作用在直墙式建筑物上的波态可分为立波和破波，破波按其破碎位置、形态及其作用力的不同可分为两种。中国1998年颁发的JTJ 213—98《海港水文规范》将其分为近破波和远破波，美国等则相应地称为破碎波（breaking wave）和破后波（broken wave），原苏联则称为破波（разбитая волна）和击岸波（прибойная волна）。

中国JTJ 213—98《海港水文规范》根据国内外研究成果对直墙式建筑物（图1）前产生立波、近破波和远破波3种波态的界限作了如下的划分，见表1。

表1 直墙式建筑物前的波态

图1 直墙式建筑物

（a）暗基床直墙式建筑物；（b）明基床直墙式建筑物

有关立波波压力、近破波压力及远破波波压力的计算公式，参见中国JTJ 213—98《海港水文规范》。由于影响作用在直墙式建筑物上的破波波压力的因素十分复杂，对于重要工程应通过物理模型试验加以验证。

斜坡式建筑物波压力

波浪在斜坡上破碎时产生的压力。许多斜坡式防浪建筑物如斜坡式防波堤、海堤、土坝等受到波浪的作用，需要设置防浪护面结构以防止在波浪的冲击和淘刷作用下发生破坏。波浪在斜坡式建筑物前多发生卷波形（plunging breaker）破碎或称为卷破波。波浪对斜坡坡面的破坏作用有二：一是由波压力引起的，破碎时波峰水体形成射流冲击，坡面产生正向波压力，可能使护面结构破坏；上涌水流回落、波面出现波谷时，产生负波压力，可能使护面的干砌或浆砌块体向上蹦出。二是由流速造成的，破碎后在破碎点附近沿坡面上下漫开的冲击水流以及上涌后回落的水流都具有很大的流速，可能使抛填的护面块体滚动失稳或坡面淘刷。

斜坡上正向波压力分布见图2［据原苏联1975年（CH и ПⅡ—57—75）《建筑标准与规范》］。

图2 斜坡上正向波压力分布图

斜坡上正向最大波压力产生在破碎水体在斜坡面上的冲击点。冲击点0点的纵坐标z₀按下式确定：

式中，m_α为斜坡坡度，m_α=cota；A，B按下列公式确定：

当1.5≤m_α≤5时，冲击点0点处的波压强（p₀）为

式中，

；k₂按表2确定。

表2 修正系数k₂值

在冲击点0点上下波压力迅速衰减：在距0点上、下l₁与l₃处，p=0.4p₀；在距0点上、下l₂与l₄处，p=0.1p₀。

其中l₁=0.0125l，l₃=0.0265l，l₂=0.0325l，l₄=0.0675l

p₀为0点处最大相对波压强，按表3确定。

表3 冲击点0点处最大相对波压强p₀值

桩柱上波压力

随着海上采油和海运的发展，诸如导管架式平台和无掩护的桩柱式码头的兴建日益增多。波浪作用力是这些桩柱式建筑物的主要荷载。波浪与小尺度的孤立桩柱的相互作用，几乎不影响波浪的运动状态，其主要特征是形成绕流。对于密集的桩柱群还要考虑群桩效应。波浪与大尺度的孤立墩相互作用时，要考虑波浪绕射而引起的流速势场的变化。

由绕流产生的作用力为两个分量组成，惯性压力和冲击压力。前者与水质点的加速度及被物体排开的水体的质量成正比；后者与其速度的平方及垂直于水质点运动方向的物体截面积成正比。

波浪对桩柱的绕流问题比均匀水流产生的绕流问题要复杂。波浪作周期运动，只有当桩柱轴线处出现波峰时，才可近似地将波浪视为平行流。