《Fluids》：Effectiveness of Engineered Tsunami Mitigation Measures: A Review of Current Approaches and Research Needs, Part II: Experimental and Numerical Assessment
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实验室实验和数值建模是理解工程海啸缓解措施（engineered tsunami mitigation measures）性能的重要工具，能够对真实事件中难以捕捉的复杂水动力过程（hydrodynamic processes）进行受控研究。本综述批判性地评估了
实验室实验和数值建模是理解工程海啸缓解措施（engineered tsunami mitigation measures）性能的重要工具，能够对真实事件中难以捕捉的复杂水动力过程（hydrodynamic processes）进行受控研究。本综述批判性地评估了当前关于关键结构防御措施——海堤（seawalls）、防波堤（breakwaters）和充水运河（water-filled canals）——的研究，重点关注物理模型（physical modeling）和计算模拟（computational simulations）的发现。来自数值和实验室研究的证据表明，设计得当的缓解结构可以降低海啸波能量、延迟内陆淹没并减少对下游基础设施的力。这些措施的有效性受到结构几何形状、位置和维护以及实验和模拟中流动动力学准确表征的强烈影响。尽管取得了显著进展，但仍存在重要差距，包括针对高保真实验验证数值模型、极端事件评估以及结合多种缓解措施的混合或集成策略的评估。本综述指出了这些差距，并强调了旨在提高预测能力、优化结构设计以及支持开发可靠、可扩展和特定情境的海啸缓解解决方案的研究优先事项。
1. 引言
海啸是罕见但极具破坏性的自然灾害，对全球沿海社区构成重大风险。通过实验室实验（laboratory experiments）和数值建模（numerical modeling）研究海啸与结构的相互作用，对于设计能降低波能、延迟内陆淹没和保护关键基础设施的弹性沿海防护系统至关重要。本综述批判性地考察了海堤（seawalls）、防波堤（breakwaters）和充水运河（water-filled canals）作为海啸缓解措施的实验室和数值研究现状，旨在综合最新发现、评估方法优势与局限性，并识别研究差距，以支持更可靠、可扩展和特定情境的缓解策略开发。
1.1 工程海啸缓解措施背景
海啸风险降低结合了结构性和非结构性方法。非结构性策略包括预警系统、土地利用规划、疏散路线和生态缓冲带。结构性缓解措施如海堤（seawalls）和防波堤（breakwaters）被广泛采用，以降低波高、延迟淹没并屏蔽人口密集区。水充运河（water-filled canals）作为创新方案，通过控制流重定向耗散波能。实验室实验提供了小尺度水动力学、压力分布和湍流结构的见解，数值模拟则能探索极端场景。但缩放效应、模型假设和有限验证数据集导致显著不确定性。
1.2 本综述的目的和范围
本综述旨在深入评估数值建模和实验室实验研究海堤、防波堤和充水运河作为工程海啸缓解措施的性能。通过综合高分辨率实验和计算研究，阐明当前对结构-海啸相互作用的理解，评估现有建模方法的可靠性和局限性，并识别数值预测与实验观测之间的差异。范围涵盖与海啸缓解直接相关的水动力过程，包括波传播、湍流生成、流-结构相互作用、越顶行为、冲刷和下游力减小。强调评估结构措施有效性的研究，以弥合实验观测与数值预测之间的差距。
2. 工程海啸缓解措施的实验与数值评估
沿海社区面临海啸风险，各种工程缓解策略被实施或提出。本研究聚焦于海堤、防波堤和充水运河，基于后现场调查、实验室实验和数值建模三种互补方法评估其有效性。
2.1 实验研究
实验室实验在受控重复条件下研究海啸-结构相互作用，利用水槽、水池和比例物理模型探索力生成、波反射与透射、越顶和冲刷效应。
2.1.1 海堤实验研究
海堤是常见的结构防护措施，可完全屏蔽或延迟淹没。早期实验验证了理论模型。近年研究发现：低矮高刚度墙可减少基底剪力但可能增加倾覆力矩，弯曲墙最有效；实心与穿孔墙（穿孔率26%）效果相近，但穿孔墙成本低且排水好；长周期波主要施加静水压力，短波破碎产生高达25倍静水压力的冲击力；部分海堤在终止处可聚焦波能增加力，而全覆盖减少力达90%。破碎波产生短时高冲击力，非破碎波产生持续压力。
2.1.2 防波堤物理模型
防波堤实验包括潜堤和抛石堤。抛石堤通过多孔介质耗散波能，孔隙率、坡角和顶高程影响耗散能力。潜堤控制波破碎，波高减小取决于潜深。研究显示：离岸式防波堤可减少波爬高90%和波压力60%，即使部分损坏；防波堤开口导致不均匀速度分布，需优化开口配置；混合系统（海堤后接森林）减少能量达70%，密集双层植被效果更佳；与海堤集成的梯形防波堤可显著减少桥墩力，但需平衡结构荷载。
2.1.3 运河实验评估
矩形水充运河可改变流场，降低波前速度并延迟到达时间。研究显示：宽50厘米深10厘米的运河减少波前速度约30%，延迟效果优于等效海堤；浅运河（5厘米深）因越顶而效果降低；运河上游浪高增加40%，下游浪高增加10-50%，但速度衰减40-60%。更宽更深的运河减少峰值水平力超过25%。运河几何形状和初始波条件对其效果至关重要。
2.2 数值模拟研究
数值模拟能捕捉海啸与缓解结构之间的非线性相互作用，允许参数研究纳入真实地形、复杂几何和瞬态波条件。
2.2.1 海堤数值模拟
数值研究显示：高海堤减少越顶但增加反射波能量，可能加剧局部冲刷；COBRAS模型（基于RANS
k–ε）准确捕捉自由表面和压力演化；大涡模拟（LES）更准确捕捉冲击力和爬坡行为，弯曲墙置于上游三倍直径处减少力30%，但置于一倍直径处增加力；非静水模型NHWAVE显示真实海啸波比孤立波能量更大；SPH模拟显示海堤高度比H
w/H
o≥0.50时减少速度72-100%，低墙可能增加下游速度。
2.2.2 防波堤数值建模
抛石堤孔隙率显著减少透射波能，潜堤需优化顶高程。研究显示：通用防波堤因开口宽而未能显著降低水位或流速，高曼宁糙率值更准确模拟淹没；SPH模型显示抛石堤和沉箱堤在最佳位置（上游约8倍水深）减少桥力58%，但防波堤自身易破坏；新型三半圆潜堤减少水平力31.4-71.6%和垂直力26-38.3%，优于梯形防波堤；混合系统（半圆防波堤加L形导流板）减少水平力55%和垂直力34.2%。
2.2.3 运河数值研究
水充运河作为液压阻尼器，通过复杂流型耗散波能。研究显示：Kita-Teizan运河在3-4米近海波高时减少能量和延迟到达，减少住宅损害3-4%；MPS方法模拟显示运河单独可延迟到达、减少波前速度48%，与沙丘结合时显著降低淹水深度和流速；2D浅水模型显示现有和拟建运河可减少到达时间、流速和淹水深度，新运河（36米宽、3.7米高）延迟到达196秒，减少淹水面积1.46平方公里；3D多相OpenFOAM模型显示深运河通过增强湍流和掺气显著减少最大比动量和平均能量，45°方向导致局部能量最大但下游耗散更大；FLOW-3D中大涡模拟（LES）显示4.5米深、40米宽运河减少初始冲击力40%，宽度影响大于深度，存在阈值。
3. 讨论与结论
本综述考察了海堤、防波堤和充水运河的实验与数值研究现状。实验室实验关键但受限于缩放效应和简化边界条件；数值模拟灵活但依赖模型假设和验证。两者一致表明结构可降低波能，但极端事件下性能恶化。水充运河有前景但需进一步研究缩放效应和混合系统。现有差距包括：现场验证不足、对下游基础设施影响常被忽视、缺乏优化研究、混合系统需评估、无统一设计标准、地貌因素简化、冲刷和碎片影响研究少、需更多后现场数据。未来应结合高保真CFD与大尺度实验，多模型比较和标准化协议将增强可靠性。通过改进预测精度和减少方法不确定性，可推动开发更有效、可扩展和特定情境的沿海保护策略。
