海滩堤防后越浪流冲击垂直结构的现场实测与水力特性分析

研究人员针对城市化海岸线上海滩堤防后越浪流(Fmax)对垂直结构冲击力量化难题，在法国比亚里茨海滩建立WIP监测站，通过同步视频追踪和压力传感器阵列，首次获得28组现场冲击数据(0.38-9.70 kN/m)，发现反射阶段压力分布显著偏离静水压力预测，提出动量通量(hu2)与冲击力的新关联模型，为海岸防护工程设计提供实测依据。

　　

随着全球海平面上升和海岸带城市化加速，海滩堤防后越浪流对沿岸基础设施的冲击问题日益突出。在具有极浅前滨(upper-beach)的海岸配置中，波浪越过堤顶后形成的水平流会对后方垂直结构产生复杂冲击，但现有认知主要基于实验室缩尺实验，且针对堤脚裸露(emergent toe)工况的研究尤为匮乏。这种知识空白使得真实海岸环境下冲击力的预测存在重大不确定性，特别是在考虑空气卷吸、湍流效应等现场特有因素时。

为破解这一难题，Imbertie等研究团队选择法国比亚里茨大沙滩(GPB)这一典型半反射性海滩作为天然实验室，在2023年10月28日风暴潮期间开展了开创性现场实验。研究团队创新部署了波浪冲击压力(WIP)监测站，这个1.7m高的铝制结构装备9个高频压力传感器(P0-P8)，配合三组标定杆(Pe1-Pe3)和同步摄像系统(Cam1/Cam2)，首次完整捕获了后越浪流冲击垂直结构的全过程动力学特征。相关成果发表在《Applied Ocean Research》期刊，为海岸工程防护提供了珍贵的全尺度实测数据。

关键技术包括：1)自主研制的WIP监测站实现1kHz采样率的九点压力同步测量；2)视频图像分析法追踪越浪流前锋运动轨迹；3)基于伯努利方程的爬高(R_h)计算模型；4)压力信号50Hz低通滤波消除结构共振干扰；5)GNSS地形测绘确保剖面精度。

研究结果揭示：

1. 1.

   冲击过程五阶段特征

   通过28次有效冲击事件分析，研究者首次在现场尺度验证了实验室提出的五阶段模型：初始冲击(A)、向上偏转(B)、最大爬高(C)、初始反射(D)和静水阶段(E)。其中76%的冲击呈现双峰特征(F₁和F₂)，平均间隔1.2秒，与缩尺实验观察一致但持续时间延长40%。

2. 2.

   非静水压力偏差现象

   最具突破性的发现是在反射阶段(D)，实测压力分布显著偏离静水理论预测，最大偏差达6.52 kN/m。这种异常与两个现场特有因素相关：一是高湍流导致的强烈空气卷吸使流体密度降低；二是持续的涌浪流入产生动态叠加效应。这解释了为何传统静水公式会高估现场冲击力20-35%。

3. 3.

   预冲击参数关联模型

   建立冲击力峰值(F_max)与越浪流量(hu)的定量关系：当hu从0.6增至5.2 m³/s/m时，F_max呈非线性增长至9.7 kN/m。特别发现动量通量(hu²)与F₂偏差值(dF_2hydro)存在强相关性，表明动能转化是冲击力变异的关键机制。

4. 4.

   爬高预测公式优化

   提出修正的爬高计算公式R_computed=h+0.45u²/2g，系数0.45显著低于理想能量转换值1，反映现场条件下能量耗散效应。该模型将R_h预测误差控制在±0.26m范围内。

这项研究首次证实了实验室缩尺实验在模拟后越浪流冲击时存在的尺度效应问题，特别是空气卷吸和三维湍流效应在真实场景中的放大作用。提出的非静水偏差修正模型为海岸防护工程设计提供了更精确的力学校核方法，而发展的现场监测技术体系为后续风暴潮灾害研究建立了标准化范式。未来需通过扩大样本量、引入三维激光扫描等技术，进一步揭示复杂地形下的冲击流固耦合机制。