Cubipod均质低顶结构在深度限制波浪破碎条件下的水动力性能研究

《Coastal Engineering》：Hydraulic performance of Cubipod Homogeneous Low Crested Structures in depth-limited wave breaking conditions

　　

本研究对置于岩质海床上的Cubipod均质低顶结构（HLCS）在深度限制波浪破碎条件下的水力稳定性和波浪透射进行了全面调查。Cubipod HLCS旨在恢复退化的珊瑚礁区域。研究人员开展了二维小尺度物理试验，采用两种布设网格：方形布设网格（SPG）和三角形布设网格（TPG），评估了堤身段和堤头段的波浪透射与损伤情况。利用基于人工神经网络（ANN）和自助法的方法对影响损伤和波浪透射的主要物理变量进行排序。提出了新的经验公式来估算Cubipod HLCS的损伤和波浪透射，这些公式与观测数据吻合良好（R2 > 0.79）。损伤对功率稳定数Ns* = Hm04/5L0p1/5/(ΔDn)和相对超高（Rc/Dn）高度敏感，表明出水结构遭受更严重的损伤。对于堤身段和堤头段，SPG布设方式比TPG表现出更高的水力稳定性，而波浪透射性能相似。波浪透射取决于初始堤顶超高和深水波陡度，与累积损伤无显著依赖关系。文中给出了设计流程和桌面应用程序，以说明如何将建议应用于深度限制波浪破碎条件下Cubipod HLCS的设计。

研究背景与意义

水生生物多样性是全球生态平衡与人类福祉的基石，其中珊瑚礁在维持海岸环境长期稳定、提供生物碎屑补给海滩以及消波减灾方面发挥着关键作用。然而，气候变化（海平面上升、海洋变暖、酸化）与人为压力（污染、过度捕捞）导致全球珊瑚礁以每年1%-2%的速度持续退化。均质低顶结构（HLCS）因其几何形状和孔隙率可定制，能够复现天然珊瑚礁的大尺度水动力学特征，结合新型混凝土材料有望成为海洋生态系统修复的有效手段。但要使HLCS发挥这一作用，首先必须保证其水力稳定性，从而营造适宜幼虫定居的遮蔽环境。目前，传统低顶结构（LCS）的失效模式与HLCS完全不同，而针对HLCS在波浪作用下的水力稳定性研究尚属空白。现有波浪透射公式多针对无损伤状态下的Cubipod HLCS开发，不适用于含损伤及深度限制波浪破碎条件。因此，本研究旨在：（1）评估两种布设网格下Cubipod HLCS堤身和堤头段的水力稳定性；（2）分析受损Cubipod HLCS的波浪透射；（3）推导新的经验公式；（4）提出设计流程。

研究方法与技术路线

研究团队在西班牙瓦伦西亚理工大学港口与海岸实验室的30米长波浪水槽中开展了二维小尺度物理模型试验（参考比尺1:50）。模型为三层Cubipod HLCS，置于2%坡度的硬质平底海床上。试验采用了两种布设网格：三角形布设网格（TPG）和方形布设网格（SPG），分别测试了堤身段和堤头段构型。波浪生成采用活塞式推板并配备主动波浪吸收系统（AWASYS），使用9根浪高仪记录水面波动。入射波与反射波分离采用LASA-V方法实现。由于试验处于深度限制波浪破碎条件，近结构处的入射波特征通过SwanOne模型从造波区传播得到。波浪透射系数采用修正定义K_t^*，即结构在位时的堤后有效波高与无结构时同一位置的数值模拟波高之比，以区分深度诱导破碎与结构本身引起的能量耗散。损伤量化采用俯视摄影法，定义为Cubipod HLCS包络面积的无量纲增量。数据分析采用基于人工神经网络（ANN）结合自助法的变量重要性排序与经验公式提取方法，网络架构为I_NIH₄O₁，采用Levenberg-Marquardt优化算法和早停策略防止过拟合。

研究结果

5.1 Cubipod HLCS的损伤估算

ANN变量排序结果显示，在所有四种构型中，功率稳定数N_s^* = H_m0^4/5L_0p^1/5/(ΔD_n)是最重要的解释变量，N_s^*越大损伤越严重。当引入第二个变量时，相对超高R_c/D_n被一致选为第二重要变量，R_c/D_n越大损伤越严重。基于ANN仿真，研究团队提出了指数形式的经验公式（式11a-11c），参数采用模拟退火（SA）技术拟合。SPG布设在堤身和堤头段均比TPG表现出更高的稳定性，无论何种超高状态。对于两种布设网格，潜没条件均比出水条件更稳定。SPG堤头损伤对R_c/D_n值表现出较大变异性，R_c/D_n=0时堤身与堤头损伤相近。公式决定系数R²均大于0.79，90%置信区间较窄。

5.2 Cubipod HLCS波浪透射系数的估算

ANN变量排序识别出初始相对超高R_c/D_n和深水波陡度s_0p为影响K_t^*2的最重要变量，而累积损伤D的影响不显著。基于此，研究团队提出了包含这两个变量的经验公式（式12），同样采用模拟退火技术拟合参数。该公式在SPG和TPG布设下均表现出良好的预测性能，R²达到0.84以上。结果表明，波浪透射主要受初始几何条件和波浪特性控制，与结构在试验过程中发生的渐进性损伤关系不大。

讨论与结论

本研究表明，Cubipod HLCS的损伤主要由功率稳定数N_s^*和相对超高R_c/D_n控制，出水结构承受更大的损伤风险。SPG布设在所有工况下均优于TPG，建议作为设计首选。波浪透射主要依赖于初始超高和波陡，而非累积损伤程度，这意味着即使结构发生一定程度的损伤，其消波功能仍可基本保持。研究团队提出的经验公式（式11a-11c和式12）与实验观测吻合良好，为工程实践提供了可靠的设计工具。文中还给出了完整的设计流程和桌面应用程序，以便工程师在深度限制波浪破碎条件下设计Cubipod HLCS用于珊瑚礁生态修复。未来研究可进一步探索不同层数、更宽堤顶以及不同底坡条件下的适用性。