水池试验揭秘极端波浪对海洋结构的冲击力

深邃的海洋中，存在一种被称为“畸形浪”（Freak Wave或Rogue Wave）的极端非平稳瞬态巨浪。在海面上常常像一面突然耸立的“水墙”，具备极高的非线性和巨大的破坏力。最出名的历史案例是1995年元旦袭击北海Draupner平台的“新年波”（New Year Wave），最大波高近26米。这类巨浪对海上风机基础、石油平台和深海浮式建筑的安全构成了现实威胁，精确评估畸形浪对海洋桩基结构的冲击力至关重要。

论文通过物理水池精确复现了“新年波”原型，并深入探讨了传统流体力学公式在面对此类极端巨浪时的适用性与修正方法。在长20米、宽1米、水深0.9米的物理波水槽中开展了这项试验。为研究不同几何尺度下的波浪力学特征，团队分别以1:100和1:150的缩尺比例对“新年波”原型进行了微缩重塑。试验对象选择了一个直径0.1米、吃水0.3米的垂直断头圆柱体，用以模拟半潜式平台或单柱式平台（Spar）的典型立柱结构。

图1展示了水槽的整体布置，左侧为摇板式造波机，右侧为专用消浪斜坡。圆柱体模型固定在距离造波机7米的位置，顶部安装有六分量力/力矩传感器，用以实时捕捉波浪带来的水平冲击力（Inline force）和俯仰力矩（Pitch moment）。描述这种极端波浪时，传统的整体波浪参数（如由常规规则波推导出的标准波长）往往无法准确刻画其局部的剧烈形变特征。因此，研究团队引入了一系列局部的几何特征指标 ：

如图3所示，团队不仅测量了常规的波高H（波峰与前一个波谷的垂直距离），还细化测定了局部波峰高度η_c、波谷到波峰的上升时间（Crest rise time）T_rise以及波谷到波谷的局域周期T_tt。试验数据表明，“新年波”的波峰高度η_c远大于总波高H的一半，且上升时间T_rise明显短于周期的一半，呈现出强烈的垂直与水平不对称性。

海洋工程中，计算细长桩基波浪力的标准工具是莫里森方程（Morison equation）。它将总波浪力拆分为两部分：一部分是由于流体加速度引起的惯性力（Inertial force），另一部分是由于流体流速产生的阻力（Drag force 或粘性力）。为了将瞬态波浪的表面形变纳入考虑，通常需要采用“拉伸方法（Stretching method）”来修正流体质点的速度场分布。团队分别采用了传统的直接叠加法（Direct superposition）以及长短波交互的修正拉伸法（Modified stretching method）进行数理预测。

图5和图9直观对比了测量数据与数理预测。可以平稳地看出，无论是哪种拉伸修正模型，莫里森方程计算出的水平力峰值在普遍情况下均低于实际测量值（图9显示存在5%至20%的低估）。主要是由于极端非线性环境下的波浪爬高（Wave run-up）、波浪冲击（Wave slamming）等复杂的流体非线性交互引发的。对比直接叠加法，修正拉伸方法（mStretch）给出的峰值预测更接近真实水平。

除了波峰处的低估，研究人员还注意到一个反常的物理现象：巨浪平息后，紧随波谷处（Force trough）实际测量到的负向力远比莫里森方程预测的要“浅”（即绝对值更小）。为了探寻原因，团队利用高频相机制成了流场的瞬态快照：

图11给出了不同时间节点的流场快照。在图11(c)所示的波谷发生瞬间，圆柱体的后方可以清晰地观察到一缕未能及时散去的“附着水流”（Adhesive water）。这股水流在波谷倒流时依然顺着原方向粘附在柱体上，并保持着正向的残留速度，产生了一个正向的牵引力，抵消了一部分负向波浪力，最终导致了测量波谷变浅的特殊物理轮廓。

传统的抗风浪设计中，工程师习惯用“波浪陡度”（H/L）衡量一束波浪的非线性强弱。团队通过对多组不同非线性波高强度的测试数据进行综合规整，画出了两条对比鲜明的演变曲线 ：

图12展示了无量纲水平力随常规波浪陡度H/L（图a）和新型波前陡度ε（Wave front steepness，图b）变化的散点分布。对比可知，相比于不规则散落的图a，图b中的各数据点呈现出了极其紧密、平滑的单调递增相关性。

这一发现具有重要的实际指导意义：畸形巨浪在传播中呈现出前端极度倒立、陡峭的空间几何形态（即波前不对称），传统的全局波长和整体波陡会稀释这一局域特征。而波前陡度ε能够较好地捕捉到这种局部的非对称性，因而成为预测和评估畸形浪对桩基冲击力时更具参考价值的力学控制指标 。

由于畸形浪和随后的波浪撞击是一种高度瞬态、非平稳的物理过程，传统的傅里叶变换（只能查看整体静态频率分布）不再适用。团队引入了小波变换（Wavelet Transform）技术，相当于给巨浪运动做了一次高清晰度的“时空超声波扫描”。通过计算小波跨谱和多图相干性，研究人员厘清了频率层面的秘密 ：在波浪能量集中的主导低频段（小于11.09 rad/s），传统的莫里森方程、线性绕射理论与实际测量结果吻合得较好，此时线性受力占绝对主导。然而，一旦频率跨过特定阈值（进入高频衍射波段），实际测得的能量转移函数便开始显着偏离线性规律，展现出由二次相位耦合引起的强非线性结构交互。这意味着在极高频和复杂的浅海桩基设计中，必须额外补充高阶非线性力的修正。

学者介绍：邓燕飞，哈尔滨工业大学（深圳）智能学部智能海洋工程研究院副研究员、博士生导师。主要从事海洋工程水动力学、海上风电基础动力特性、极端波浪强非线性作用及海洋工程装备设计与智能化等方面研究。

ORCID：0000-0001-6882-7870

DOI：10.1016/j.coastaleng.2016.03.007