评估缓冲块在减少海啸冲击力方面的有效性：一种实验方法

《Applied Ocean Research》：Evaluation of buffer block effectiveness in tsunami force reduction: An experimental approach

缓冲块在减少海岸建筑潮汐力及力矩中的最优配置研究。通过实验室系统调整横向间距（LS）、块阻比（BR）、行数（NR）等参数，发现BR=0.5、LS=2、NR=3时力与力矩减少显著，尤其在Fr=0.4-1.25和R=1.1-2.6范围内。提出基于Fr与R的经验公式，验证BB可有效提升沿海防护性能，优化设计需平衡性能与空间效率。

　　在面对沿海灾害，如海啸和风暴潮引发的水流冲击时，沿海基础设施面临着严峻的风险。因此，开发高效且经济的缓解策略变得尤为重要。微粗糙度元素，被称为缓冲块（BB），作为一种新兴的解决方案，显示出在减弱水流能量方面的潜力，提供了一种与大型保护结构相比更为经济的选择。本文系统地探讨了矩形形状的缓冲块在不同参数配置下的效果，包括宽度方向的块隙比（BR）、流动方向上的纵向间距（LS）以及行数（NR）对位于缓冲块后方的临海建筑所受海啸力的减缓作用。研究结果表明，入流波的弗劳德数（Fr）和相对波深（R = h/H_BB，其中h为自由流波的高度，H_BB为缓冲块的高度）对BB存在时的力减缓具有显著影响。在所测试的BB配置中，BR和NR对力减缓的影响尤为显著，最优表现出现在BR = 0.5和NR = 3的情况下，而LS的影响相对较小。这种配置在极端场景下实现了性能、材料使用和人类移动性的平衡。本研究为理解BB在空间设计中的实际应用提供了基础，以增强沿海地区在上述灾害中的保护能力。

海啸是由海底滑坡、地震、水下火山喷发或小行星撞击等事件引起的海水突然位移现象。这些位移的海水以高速和高水位涌入海岸，对生态系统和沿海社区造成严重破坏。这种涌入的海啸波与坝溃产生的波类似，因此早期研究主要采用坝溃技术来模拟海啸波。然而，各种方法，包括垂直释放法、长周期波、活塞式波浪生成器以及泵驱动的波生成技术，均可用于复制海啸的特性。无论采用何种生成方法，海啸向内陆传播时通常以波高（h）、波速（u）和弗劳德数（Fr）等参数进行表征。近年来，一些毁灭性的事件，如2004年印度洋海啸和2011年日本海啸，以及2022年汤加火山活动引发的海啸，突显了海啸防护措施的重要性。尽管海啸可能源于多种来源，但R?bke和V?tt（2017）发现地震是大多数记录案例中的主要原因。此外，根据Satake（2014）的研究，准确模拟海啸传播依赖于对多个地球物理参数的全面理解，包括海底地形和地震震级。尽管在检测技术方面取得了进展，海啸往往在检测后几分钟内袭来，使得撤离变得困难，特别是在2018年苏拉威西海啸等类似事件中，震中靠近海岸线，进一步凸显了在海啸发生时进行综合空间规划的重要性。因此，研究重点在于探索有效的防护措施，以减轻海啸对基础设施的破坏。

研究人员提出了多种技术或方法来耗散海啸能量并减少对沿海结构的影响。虽然传统的沿海防护和防洪措施依赖于海堤以减少海啸的动量，但其他方法则利用倾斜结构来引导水流。这些结构在海岸和内陆之间起到屏障作用，为沿海社区的撤离提供更多时间。它们通过反射海啸波和减少溢流的海啸波来降低海啸的影响。2011年东日本海啸期间，海堤未能承受海啸波，导致福岛核电站的坍塌。这一事件也突显了探索更多替代防护措施的必要性。其中，植被带是一种最为有效且基于自然的防护概念，它们有助于在海啸中耗散波浪能量并起到缓冲作用。Sundar等人（2007）报告称，在2004年印度洋海啸中，红树林和松树森林耗散了能量并减少了涌浪。沙丘与内陆植被结合，可以有效捕获碎片并削弱海啸波的波速。Yao等人（2015）从实验研究中得出结论，认为在海滩斜坡上以并排或交错方式布置植被（树木）可以将孤立波引起的涌浪减少高达20%。Fathi-Moghadam等人（2018）报告称，沿海树木，尤其是红树林，可以显著减少波浪力和淹没影响。然而，Dahdouh-Guebas等人（2005）对红树林等自然解决方案在大浪和长波条件下的有效性提出了质疑。虽然它们可以减少极端波浪的影响，但其保护能力可能会减弱，特别是在海啸连续波浪冲击下，树木可能被损坏或摧毁。这意味着其保护作用可能随海啸而减弱，因此强调了重新种植以维持其作为自然防御屏障的重要性。Dahdouh-Guebas等人（2005）在斯里兰卡沿海的24个红树林泻湖和河口进行了海啸后的调查，报告称位于较大红树林区域后方的建筑物受到的损害较小。在印度东南沿海、安达曼群岛和斯里兰卡的类似调查（Danielsen等人，2005；Kathiresan和Rajendran，2005；Chang等人，2006）表明，红树林有助于缓解2004年印度洋海啸的影响。然而，地面调查、卫星图像和多变量现场数据（Dahdouh-Guebas等人，2005）表明，尽管广泛的红树林带减少了结构损害，但其对死亡率的影响尚不明确。

大型结构，如高架海堤，通常适用于高度脆弱的沿海区域。然而，在空间有限且土壤条件不佳的密集沿海地区，植被可能不是可行的选择。在其他地区，应设计成本效益高的防御系统，以减轻沿海灾害的影响，同时保护海滩景观和促进旅游业。鉴于越来越多的游客前往沿海地区进行休闲活动，将美学因素纳入缓解措施的设计中变得尤为重要。微粗糙度元素，即所谓的缓冲块（BB），为传统方法和硬性防御提供了一种实用的替代方案。受下游水坝消能池和溢流堰的启发，这些缓冲块通过减少水流速度并产生涡旋来实现能量耗散。这种方法为减轻极端事件，如风暴潮、海啸和沿海洪水的影响提供了一种更为空间高效且成本效益高的解决方案。缓冲块的主要目的是通过增加湍流并诱导水力跳跃来减少水流深度（h）和水流速度（u），从而帮助耗散波浪能量。这些缓冲块主要用于增强风暴潮期间堤坝的波浪能量减缓能力，作为沿海防御系统中的空间高效元素。

为了进一步探索缓冲块对沿海结构的影响，本研究在实验室条件下系统地测试了不同配置的缓冲块，包括块隙比（BR）、纵向间距（LS）和行数（NR）。研究结果显示，缓冲块的配置对海啸力的减缓具有显著影响，其中块隙比和行数是关键参数，而纵向间距的影响较小。此外，研究还发现，弗劳德数（Fr）和相对波深（R）对缓冲块存在时的力减缓具有重要影响。在所测试的配置中，最优的缓冲块配置是BR = 0.5和NR = 3，LS的影响相对较小。这一配置在极端情况下提供了良好的平衡，兼顾了性能、材料使用和人类的移动性。研究为理解缓冲块在空间设计中的实际应用提供了基础，有助于增强沿海地区的防护能力。

在海啸类似流体条件下，临海建筑会经历显著的水动力载荷，因为水流与建筑物相互作用。这种力通常通过阻力系数（C_d）来估算，而C_d的值对于孤立的矩形建筑通常约为2。然而，当结构紧密排列时，如城市沿海区域，会出现水流的收缩效应。这种效应通过建筑物宽度（W_b）与可用流通道宽度（W）的比值来表示，即W_b/W。在本研究中，W_b/W被固定为0.2，表示中度的障碍，其中水流在建筑物前方会因Fr ≤ 1.3而产生堵塞效应。在这种条件下，水平力主要受到Fr和W_b/W的影响。这一现象突显了在理解海啸引发的力时，考虑Fr的重要性。Qi等人（2014）的研究表明，阻力系数在水流堵塞条件下应与Fr相关。此外，本研究还发现，当W_b/W ≥ 0.2且0.7 ≤ Fr ≤ 1.6时，所提出的经验公式适用于评估建筑物所受的力。研究还指出，现有的设计指南，如ASCE-07（2022）和FEMA-P646（2012），可以根据入流的弗劳德数调整阻力系数。

在实际应用中，缓冲块的配置对减少海啸力具有重要作用。通过系统的实验研究，本研究发现，缓冲块的最优配置是BR = 0.5、LS = 2和NR = 3。这种配置在空间效率和力减缓之间提供了良好的平衡，同时确保了在海啸发生时的疏散通道安全。此外，研究还发现，当R值较高时，缓冲块对力的减缓效果会减弱，但即使在较高的R值下，缓冲块仍能实现一定的力减缓效果。这一发现对于设计能够适应多种海啸场景的缓冲块配置具有重要意义。同时，研究还表明，缓冲块的配置对临海建筑的力减缓效果具有显著影响，特别是在较低的Fr值下，缓冲块表现出最佳性能。

为了进一步验证这些发现，本研究通过实验数据和预测公式对缓冲块的力减缓进行了定量分析。研究结果表明，所提出的预测公式在特定的Fr和R范围内与实验数据具有良好的一致性。然而，研究也指出，某些情况下，预测结果可能因流体特性变化而产生偏差。因此，未来的研究需要考虑更多因素，如缓冲块的形状、倾角和水流方向，以及地形的影响。此外，结合其他防护措施，如离岸防波堤或植被，可以进一步提高缓冲块的防护效果。这种综合的混合系统可以提供多功能的沿海防护，从而增强海啸易发地区的韧性。