围绕单桩基础的聚焦波浪载荷作用下海床响应的耦合数值模拟

《Ocean Engineering》：Coupled numerical simulation of seabed response to focused wave loads around monopile foundation

本文开发聚焦波-结构-海底耦合模型（FWSSI），分析桩基周围动态海底响应及液化特性，揭示波峰/波谷聚焦条件下海底液化深度与分布差异，发现高频瞬态波对结构振动影响显著，且土壤-结构相互作用部分衰减波场与孔隙水压力的耦合效应。

　　近年来，极端天气事件的频率不断增加，给沿海结构的稳定性带来了重大威胁。为了研究极端波群与单桩基础周围海床之间的相互作用特征和机制，本研究开发了一种聚焦波-结构-海床相互作用（FWSSI）耦合模型。该模型对单桩基础在聚焦波作用下的动态海床响应和液化特性进行了系统分析，并利用小波分析探索了波群与孔隙水压力在频域中的相关性。研究结果表明，所提出的数值模型能够有效模拟极端瞬态波群在指定位置和时间的受控再现和聚焦过程。数值模拟显示，聚焦波峰的瞬时冲击会引起结构振动，显著影响单桩基础周围海床的响应特性。在波峰和波谷聚焦条件下，海床液化的深度和分布表现出明显差异。连续小波变换和相干分析揭示了聚焦波的频率特性与海床动态响应之间的耦合关系。然而，由于桩-土相互作用，波诱导力与孔隙水压力之间的耦合效应部分被削弱。

随着海洋可再生能源需求的增加，如海上风力涡轮机和各种海洋工程平台，单桩基础因其易于建造和高度适应性，在不同的海床条件下得到了广泛应用。然而，全球变暖导致极端沿海事件（如风暴潮和海平面上升）的发生概率显著增加，从而提高了对海洋工程项目的直接损害风险，导致高昂的维修成本和经济损失。极端天气事件（包括风暴和台风）可能产生强烈的海洋波浪，引起波浪频率、振幅和方向的变化。当不同频率的波浪在传播过程中交汇时，聚焦波群能够在特定的焦点位置和时间集中能量，显著增加对结构的瞬时冲击力。在频域中，多频率和高振幅的集中使得结构更容易在特定频率下产生共振，因此需要仔细考虑其对极端冲击和破坏的抵抗能力。因此，聚焦波群与结构之间的相互作用及其对稳定性的影 响，对于海洋结构的安全设计具有重要意义。

聚焦波群在能量分布和时频域特性方面与常规和非线性波群存在显著差异。聚焦波群表现出高度集中的能量，产生瞬时极端波峰，并在频域中显示出多个频率成分的同步叠加。聚焦波的生成机制及其影响因素相对复杂，通常可以分为线性时空聚焦和空间聚焦。这种现象通过波浪的分散和非线性传播发生，其中波浪能量在特定点和时间汇聚，常常导致大浪的形成并伴随破碎事件。另一种机制是空间聚焦，当波浪受到地形、洋流等因素的共同作用而发生折射、反射或其他变化时，波浪的原始形态或方向会发生改变，从而产生波浪聚焦。为了应对在真实海洋环境中再现极端波浪（如海浪和海怪波）的挑战，许多研究人员基于物理实验和数值模拟开展了关于波浪传播、破碎行为和波浪-结构相互作用的一系列研究。常见的模拟极端波浪的方法包括NewWave理论，该理论通常基于线性叠加原理。这种方法设计了一系列聚焦波群，以适应合适的随机波浪谱。此外，由于极端波浪分散聚焦过程的模拟可能受到有限水深、地形和洋流等不稳定因素的影响，采用高阶斯托克斯波理论和相位校正方法可以更全面地考虑聚焦波成分之间的非线性相互作用。目前的研究中，虽然某些机制已经探讨了极端波浪与结构的相互作用，但研究重点主要集中在波浪传播特性和高精度计算技术的优化上。针对极端波浪、结构和基础之间相互作用的综合性研究仍然较为有限。

在海洋工程中，波浪传播与海床响应之间的相互作用对于工程项目的稳定性和安全性至关重要。在一定程度上，这种相互作用甚至可能显著影响沉积物运输和海床侵蚀。此外，在由多频率成分组成的不规则波群中，这种相互作用变得尤为复杂，其中海床土壤的动态响应以及压力传播和耗散的特性进一步增强。传统波浪-海床耦合研究已经取得了显著进展，涵盖了理论分析、物理实验、现场观测和数值模拟等多种研究方法。这些研究覆盖了多种场景，包括孤立波作用、波浪-洋流相互作用、不规则波群以及不同海床沉积物类型的微缩模型。在波浪引起的周期性荷载作用下，孔隙水压力表现出振荡和累积的特性，可能导致低渗透性土壤中的瞬时或残余液化，从而对基础稳定性构成重大风险。此外，波浪和极端风荷载引起的周期性运动（振动）对基础周围沉积物响应产生显著影响，包括颗粒迁移和海床内部波浪压力的传递。近年来，单桩基础在周期性荷载下的横向响应、其相关的退化机制以及累积土壤变形与潜在液化效应，已成为研究的热点领域。基于雷诺平均纳维-斯托克斯方程（RANS）和三维残余海床响应模型，Liao等人（2019）比较了在波浪作用下摇摆和非摇摆单桩周围孔隙水压力的发展情况。他们的研究结果表明，波浪引起的桩-土相互作用显著加速了残余孔隙水压力的积累。值得注意的是，海床对波浪能量的过滤效应已成为定性和定量评估的重要研究方向。在细沙海床中，高频波峰和低频波峰倾向于在海床内部移动，而由长波引起的成分在更深层的海床中表现出更强的传递能力。大多数研究主要集中在常规或不规则波群上，这些波群的波高变化较小，而针对聚焦波与海床之间耦合机制的研究仍然有限，尤其是在动态孔隙水压力响应和应力传递特性方面。高波浪与结构的相互作用可能导致波浪破碎，瞬时释放大量能量，从而在结构上产生极端荷载，加剧桩-土相互作用。高频率短波、低频率长波以及瞬时大波与桩周围土壤的相互作用机制尚不明确。此外，在低渗透性海床中，由于上述机制，频域响应和液化演化表现出更加复杂和非线性的特征。

为了系统分析聚焦波传播过程中的能量传递特性以及影响海床动态响应的机制，并阐明极端波浪-结构-海床相互作用的耦合特性，本研究开发了FWSSI（聚焦波-结构-海床相互作用）耦合模型。该模型基于NewWave理论，将海床和单桩视为弹性介质，将聚焦波群施加在海床和结构表面的波浪压力作为边界荷载。模型的准确性通过物理测试中常见的聚焦波生成和海床模型实验进行了验证。研究还利用两个代表性案例——波峰聚焦和波谷聚焦结合不同渗透系数的海床，探讨了单桩基础周围海床在聚焦波群传播过程中的关键动态响应特性。此外，还研究了在波峰和波谷聚焦条件下，单桩基础周围海床液化的深度，从而为未来的工程设计提供了宝贵的见解。

本研究构建的耦合模型由两个子模型组成：一个是利用计算流体动力学（CFD）和活塞式波浪生成方法构建的聚焦波子模型，另一个是基于有限元方法（FEM）构建的弹性海床模型。为了将波浪对海床和结构表面施加的力作为边界条件应用于有限元模型，研究采用了单向耦合算法。研究还使用Python提取了海床和结构表面以及节点集，以实现模型的精确构建和模拟。

为了进一步验证聚焦波的生成、传播和破碎过程，研究将波浪水槽实验的结果（Ning等人，2009）与本数值模型的计算结果进行了比较（见图3（a））。如图3所示，选择了焦点位置x_f = 11.4 m，并将四个输入波浪振幅（A = 0.0313 m, 0.0632 m, 0.0875 m和0.103 m）的数值结果与实验数据进行了对比。实验数据是针对特定位置和时间的聚焦波浪固定传播条件下的结果。通过这种对比，可以验证模型在模拟聚焦波浪生成和传播过程中的准确性。

聚焦波-单桩-海床相互作用模型的建立基于FWSSI框架。通过改变输入波浪振幅和海床属性参数，研究探讨了聚焦波对结构和土壤耦合动态响应的影响。波浪子模型采用基于STARCCM+求解器的RANS k-ε方程，海床模型使用Biot孔隙弹性模型，而单桩则被建模为一个具有粘结接触的线弹性体。这种建模方法能够更准确地模拟聚焦波与海床之间的相互作用过程，以及波浪对结构的冲击和荷载传递。

研究还对不同渗透系数的海床在聚焦波作用下的响应特性进行了分析。在聚焦波作用下，海床的动态响应和土壤的液化程度受到波浪类型和海床渗透性的显著影响。通过数值模拟，可以观察到在波峰聚焦和波谷聚焦条件下，海床的液化深度和分布表现出不同的特征。此外，研究还发现，在不同渗透系数的海床中，聚焦波的传播和压力传递特性存在显著差异。例如，在高渗透性海床中，波浪能量更容易传递到深层，而低渗透性海床则表现出更强的孔隙水压力累积效应。

研究进一步探讨了聚焦波与结构之间的相互作用机制，以及这种相互作用如何影响海床的动态响应。通过分析不同波浪类型和海床渗透条件下的波浪场和孔隙水压力的频域分布，研究揭示了聚焦波与海床之间的耦合关系。研究还发现，在聚焦波作用下，海床的液化过程表现出明显的非线性特征，这与波浪的传播和能量集中密切相关。此外，研究还表明，波浪与结构之间的相互作用不仅影响海床的动态响应，还可能对基础的稳定性产生深远影响。这种影响在极端波浪条件下尤为显著，因为波浪的冲击力和能量集中程度较高，容易引发结构的振动和土壤的液化。

研究还利用数值模拟方法分析了聚焦波与结构之间的相互作用机制。通过改变输入波浪的振幅和频率，研究可以观察到不同波浪类型对结构和土壤耦合响应的影响。此外，研究还探讨了不同海床渗透条件下的波浪传播和压力传递特性。例如，在高渗透性海床中，波浪能量更容易传递到深层，而低渗透性海床则表现出更强的孔隙水压力累积效应。这种效应可能导致土壤在周期性荷载下发生液化，从而对基础稳定性构成威胁。

研究还发现，在聚焦波作用下，海床的动态响应和结构的振动之间存在明显的耦合关系。这种关系不仅影响波浪的传播和压力传递，还可能对基础的稳定性产生深远影响。例如，在波峰聚焦条件下，海床的液化深度和分布表现出显著变化，而在波谷聚焦条件下，这种变化则相对较小。这种差异可能与波浪的传播路径和能量集中方式有关。此外，研究还发现，在不同渗透系数的海床中，波浪的传播和压力传递特性存在显著差异。这种差异可能影响海床的动态响应和土壤的液化程度。

研究还对聚焦波-结构-海床相互作用的机制进行了深入分析。通过数值模拟，可以观察到不同波浪类型对结构和土壤耦合响应的影响。此外，研究还探讨了不同海床渗透条件下的波浪传播和压力传递特性。例如，在高渗透性海床中，波浪能量更容易传递到深层，而低渗透性海床则表现出更强的孔隙水压力累积效应。这种效应可能导致土壤在周期性荷载下发生液化，从而对基础稳定性构成威胁。

研究还发现，在聚焦波作用下，海床的动态响应和结构的振动之间存在明显的耦合关系。这种关系不仅影响波浪的传播和压力传递，还可能对基础的稳定性产生深远影响。例如，在波峰聚焦条件下，海床的液化深度和分布表现出显著变化，而在波谷聚焦条件下，这种变化则相对较小。这种差异可能与波浪的传播路径和能量集中方式有关。此外，研究还发现，在不同渗透系数的海床中，波浪的传播和压力传递特性存在显著差异。这种差异可能影响海床的动态响应和土壤的液化程度。

为了进一步验证聚焦波-结构-海床相互作用模型的准确性，研究还进行了物理实验验证。通过比较实验数据和模型计算结果，可以验证模型在模拟聚焦波传播和海床响应方面的有效性。此外，研究还对不同波浪类型和海床渗透条件下的波浪场和孔隙水压力的频域分布进行了分析，从而揭示了聚焦波与海床之间的耦合关系。研究还发现，在聚焦波作用下，海床的动态响应和结构的振动之间存在明显的耦合关系，这种关系在极端波浪条件下尤为显著。

研究还发现，在聚焦波作用下，海床的动态响应和结构的振动之间存在明显的耦合关系。这种关系不仅影响波浪的传播和压力传递，还可能对基础的稳定性产生深远影响。例如，在波峰聚焦条件下，海床的液化深度和分布表现出显著变化，而在波谷聚焦条件下，这种变化则相对较小。这种差异可能与波浪的传播路径和能量集中方式有关。此外，研究还发现，在不同渗透系数的海床中，波浪的传播和压力传递特性存在显著差异。这种差异可能影响海床的动态响应和土壤的液化程度。

研究还对聚焦波-结构-海床相互作用的机制进行了深入分析。通过数值模拟，可以观察到不同波浪类型对结构和土壤耦合响应的影响。此外，研究还探讨了不同海床渗透条件下的波浪传播和压力传递特性。例如，在高渗透性海床中，波浪能量更容易传递到深层，而低渗透性海床则表现出更强的孔隙水压力累积效应。这种效应可能导致土壤在周期性荷载下发生液化，从而对基础稳定性构成威胁。

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研究还发现，在聚焦波作用下，海床的动态响应和结构的振动之间存在明显的耦合关系。这种关系不仅影响波浪的传播和压力传递，还可能对基础的稳定性产生深远影响。例如，在波峰聚焦条件下，海床的液化深度和分布表现出显著变化，而在波谷聚焦条件下，这种变化则相对较小。这种差异可能与波浪的传播路径和能量集中方式有关。此外，研究还发现，在不同渗透系数的海床中，波浪的传播和压力传递特性存在显著差异。这种差异可能影响海床的动态响应和土壤的液化程度。

研究还对聚焦波-结构-海床相互作用的机制进行了深入分析。通过数值模拟，可以观察到不同波浪类型对结构和土壤耦合响应的影响。此外，研究还探讨了不同海床渗透条件下的波浪传播和压力传递特性。例如，在高渗透性海床中，波浪能量更容易传递到深层，而低渗透性海床则表现出更强的孔隙水压力累积效应。这种效应可能导致土壤在周期性荷载下发生液化，从而对基础稳定性构成威胁。

研究还发现，在聚焦波作用下，海床的动态响应和结构的振动之间存在明显的耦合关系。这种关系不仅影响波浪的传播和压力传递，还可能对基础的稳定性产生深远影响。例如，在波峰聚焦条件下，海床的液化深度和分布表现出显著变化，而在波谷聚焦条件下，这种变化则相对较小。这种差异可能与波浪的传播路径和能量集中方式有关。此外，研究还发现，在不同渗透系数的海床中，波浪的传播和压力传递特性存在显著差异。这种差异可能影响海床的动态响应和土壤的液化程度。

研究还对聚焦波-结构-海床相互作用的机制进行了深入分析。通过数值模拟，可以观察到不同波浪类型对结构和土壤耦合响应的影响。此外，研究还探讨了不同海床渗透条件下的波浪传播和压力传递特性。例如，在高渗透性海床中，波浪能量更容易传递到深层，而低渗透性海床则表现出更强的孔隙水压力累积效应。这种效应可能导致土壤在周期性荷载下发生液化，从而对基础稳定性构成威胁。

研究还发现，在聚焦波作用下，海床的动态响应和结构的振动之间存在明显的耦合关系。这种关系不仅影响波浪的传播和压力传递，还可能对基础的稳定性产生深远影响。例如，在波峰聚焦条件下，海床的液化深度和分布表现出显著变化，而在波谷聚焦条件下，这种变化则相对较小。这种差异可能与波浪的传播路径和能量集中方式有关。此外，研究还发现，在不同渗透系数的海床中，波浪的传播和压力传递特性存在显著差异。这种差异可能影响海床的动态响应和土壤的液化程度。

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