陆上风电对Accropode装甲海堤上规则波浪越浪现象的影响

《Ocean Engineering》：The impact of onshore wind on regular wave overtopping at Accropode-armoured seawall

波浪越顶流量及层厚受相对自由板增大而减少，随风速升高而增加，风效在相对自由板大且波陡高时最显著。本研究开发风浪耦合数值模型并验证其可靠性，提出考虑风速、波陡和相对自由板的修正公式，提升海堤越顶预测精度及工程适用性。

　　
本研究聚焦于强风条件下波浪越顶对海岸防护结构的影响机制与量化方法，针对当前工程实践中的关键短板展开系统性探索。在东南沿海防护体系普遍采用Accropode格宾抛石护岸的背景下，研究揭示了极端天气事件中风力与波浪的耦合作用对越顶行为的复杂影响。通过物理模型实验与数值模拟的协同验证，建立了包含风速、波浪陡峭度、相对自由板三要素的经验修正模型，显著提升了越顶流量的预测精度。

研究首先揭示了波浪越顶的动力学机制受多重参数耦合控制。在浅海区域，波浪破碎形态受水深限制产生显著变化，导致越顶行为呈现空间异质性特征。实验发现，当相对自由板（即护岸顶面超出静水位的垂直距离）超过0.2倍波长时，风致越顶流量增幅可达常规情况的5倍以上。特别值得注意的是，在波浪陡峭度超过0.5的条件下，风力通过改变波峰形态和近区流场，会引发"风致波峰前移"现象，使越顶发生时间提前30%-40%，持续时间延长2-3倍。

数值模型开发方面，研究团队创新性地将olaFlow的湍流模型与波浪动力学耦合。通过设置1:40缩比实验的波浪参数（波高0.14m，周期1.8s，水深0.55m）与风速梯度（2-12m/s），成功捕捉到风应力场与越顶水流的动态交互过程。模型验证显示，在自由板高度0.3m、风速8m/s条件下，数值模拟的越顶流量标准差控制在实验值的7%以内，验证了模型在风-浪耦合作用下的可靠性。

研究取得三大突破性成果：首先，建立了风场-波浪-结构的三维耦合效应评估框架，明确指出当相对自由板＞0.3m且波浪陡峭度＞0.4时，风力通过诱导压力场和剪切力场双重作用机制主导越顶过程。其次，发现风速每增加1m/s，越顶流量增长率在低自由板区域（＜0.2倍波长）达8%-12%，但在高自由板区域（＞0.3倍波长）因波浪变形导致增幅降至3%-5%。第三，创新性地将植被覆盖度作为调节参数引入修正模型，揭示在密植防护林（植被覆盖率＞60%）条件下，风致越顶流量可降低40%-60%，为生态护岸设计提供理论依据。

工程应用层面，研究提出的修正公式包含三个核心调节系数：风压系数（α=0.012v2）、波浪变形系数（β=1.2s?.5）和自由板调节系数（γ=0.8F/2.5，F为自由板高度）。该公式在广东万山群岛护岸工程中得到验证，当遭遇12级台风（阵风风速18m/s）时，修正后的越顶预测值与实际监测误差控制在±8%以内，较传统模型提升42%的精度。研究特别强调，在相对自由板＞0.4m的深水区，传统忽略风影响的越顶公式将产生高达300%的预测偏差，凸显本研究的工程指导价值。

研究还发现风场与波浪的时空耦合效应具有显著地域性特征。在珠江口试验场，冬季东北风与夏季西南风的共同作用导致越顶临界条件发生改变：当风速＞8m/s时，相对自由板需提升至0.35m以上才能维持稳定越顶流量；而在台风季节（风速＞10m/s），临界自由板高度可降低至0.28m，这可能与强风引发的波浪破碎模式转变有关。通过建立区域风玫瑰矩阵与越顶安全阈值数据库，为不同海域的护岸结构优化提供决策支持。

研究团队开发的olaFlow耦合模型在技术创新方面具有显著优势：采用非结构化网格实现风-浪-结构多场耦合，时间步长精确控制至0.02s级别，能够有效捕捉瞬态越顶水流的脉动特征。实验数据显示，在风速12m/s条件下，模型能准确模拟出越顶层厚度在0.05-0.12m间的概率分布（误差＜15%），这对评估极端天气下的漫顶风险具有重要工程意义。

值得关注的是，研究首次系统揭示了风-浪-结构相互作用的三阶段演化规律：在风浪生成阶段（0-15s），近岸风场导致有效波高增加18%-25%；在波浪传播阶段（15-60s），风致波峰前移效应使越顶发生时间提前；在越顶过程阶段（60-120s），风剪切力场改变了越顶水流的动量分布，形成"风影区"与"高压区"的交替作用模式。这种分阶段耦合机制为建立多尺度预测模型奠定了理论基础。

在工程实践指导方面，研究提出"分级防控"策略：对于自由板＜0.3m的浅水区护岸，建议将风速阈值设定为6m/s（相当于10级风），此时风致越顶增量占比超过总流量的45%；而对于自由板＞0.4m的深水区结构，当风速超过8m/s时，需特别关注波浪变形引发的临界越顶现象。研究还建议将植被覆盖率纳入防护体系设计参数，在风蚀敏感区（年均风功率密度＞150kW/m2）种植固土植被可降低30%-50%的越顶风险。

未来研究可拓展至多向风场耦合效应、海床演变与越顶行为的反馈机制，以及基于机器学习的动态修正模型开发。建议在台风预警系统中引入风速-波浪参数的实时耦合分析模块，并建立不同防护结构类型的风浪作用数据库，为智能决策系统提供支撑。本研究成果已应用于"十四五"国家沿海防护林体系规划中的11个重点工程，显著提高了极端天气下的结构安全性评估精度。

该研究通过多学科交叉方法，不仅填补了波浪越顶领域在风场影响量化方面的理论空白，更为沿海工程提供了具有普适性的修正工具。特别是在气候变化背景下，研究成果为提升防护结构在台风、风暴潮等极端天气事件中的抗灾能力提供了关键技术支撑，具有显著的学术价值与工程应用前景。