01 研究背景

在防洪堤或防汛墙等人造结构周围的波动学研究中，确定反射或衍射效应可能占据了主导地位，同时选择恰当的反射/吸收系数也是一个关键研究方向。墙结构反射绝大部分波的能量，而桩基堤坝周围的波动行为具有较大差异，在反射和衍射的过渡区域需要选取适当的反射/吸收系数。目前，现有资料文献很少提及桩基结构的反射系数，或对反射/吸收系数进行研究。

本文介绍的案例由英国环境、渔业及水生物研究中心（CEFAS）进行，由法国电力集团EDF通过BEEMS项目资助。在水动力仿真软件的ARTEMIS模块中，反射系数是反射波能量的重要边界设置，其值在1（完全反射）和0（完全吸收）之间。该案例介绍了波浪振动特征（ARTEMIS）模块对于反射和衍射的敏感性分析，研究了其对不同结构和对施加的反射系数的响应，以推断适合用于桩结构的反射系数。这项研究有助于解决在不同情况下判断结构衍射和反射的竞争情况等问题。

02 研究方法

ARTEMIS模块用于波的反射、衍射、折射和波与波之间相互作用的模拟。为了加深对ARTEMIS模块的理解，对比波的反射和衍射影响，进行了一系列的理论测试研究，包括模块对反射系数的响应。理论测试使用任意选取的计算域，尺寸为200m x 100m，研究区域底部平坦（统一深度为5m）以消除折射效应。单向随机波的周期为6s，波向为180°，在南边界上的入射波高为0.5m；波可以自由地离开计算域。整个区域的底床摩擦是恒定的，采用了Putnam and Johnson公式。使用中间深度波公式，对应于38m的波长。这些场景的入射波能量为 306.5 J/m2。

该计算域中考虑了多种场景，包括不同的结构：一面墙（长度100m）；两面墙（长度40m，间距20m）；两面间隔较大的墙（长度30m，间隔40m）；三面墙（长度20m，间隔20m）；一排21根桩（直径1m，间距5m）；一排11根较大的桩（直径2m，间距10m）；四排21根桩（直径1m，间距5m）。对于墙的案例选择了0.85的反射系数，对于有桩的场景，考虑了 0.65、0.95和1.0的反射系数。

03 结果展示

图1显示了实心墙的波浪能，反射系数为0.85。它显示了反射波如何与沿不同方向迎面而来的波相互作用，叠加能量并形成干涉图案。这导致在波相加的区域发生波高的增加，而在波相抵消的区域发生波高的降低，并且这些区域交替出现（驻波）。在墙的末端是一个衍射区域，边缘的能量增加。

两面墙场景的波浪能如图2所示，其中驻波在墙前仍然很明显，但驻波特征有所减弱。能量在墙壁间隙的传播受到了限制。

在图3中，对于三面墙模拟，在墙前能够直接地观察到波浪能显著增加。在前方远离墙壁处，波浪能量的高峰与墙壁之间的间隙对齐。在墙后有更大的能量传播，衍射波的相互作用产生了高能量区域。

图4展示了单面墙的波高和方向，在墙的边缘可以看到有限的衍射。在三面墙的情况下（图 5）衍射更明显，导致波-波相互作用，增加了壁后的波高。在这些情况下，反射波在结构前面的能量都有所增加。

考虑密集桩结构，图6为单排桩的效果，图7为多排桩的效果。反射几乎没有明显的影响；结构后的波高增加，其中，衍射波与桩边缘波高的降低存在相互作用。单排桩或四排桩的模拟之间几乎没有区别。在从墙体（图 5）到桩结构（图 6）的过渡过程中，无论是在桩前还是桩后，都可以看到桩对波高的影响更小。

图8 显示了使用四排桩进行模拟的波浪能。该图显示了将反射系数从A)0.65到完美反射体D)1.0的模拟效果。从定性角度来看，这些情景之间的差异相对较小，呈现出相似的模式。其中一些外部特征可能与边界效应有关。桩的两侧是波浪能增加的区域，桩后面（北）是能量减少的区域。每种情景之间波浪能的减少量确实有所不同（参见表1中的定量分析）。在当前尺度下，桩前波浪能在各种情景之间几乎没有差异。

表1展示了对于所研究的各种反射系数，障碍物后面的波浪能减少的最大百分比（考虑一排桩和四排桩的场景）。正如预期的那样，当增加反射系数时，桩的效果变得不明显。

04 研究结论

在本次案例中，研究了ARTEMIS模块对具有不同几何形状和对施加的一系列反射系数的响应。研究中考虑的物理结构为墙和桩，反射系数分别为 0.65、0.85、0.95和1.0。模拟演示了从以反射为主的系统（即墙壁）到以衍射为主的系统（即桩）以及反射较弱系统的变化。随着固体结构变小，反射的影响变得不那么显著，衍射成为主要的影响。

因此，桩结构对波浪形态变换的影响较小。尽管定性分析显示各种反射系数对波浪能的影响较小，但定量评估显示了桩后波浪能降低的最大百分比存在局部差异。

基于这些数值结果并考虑文献中可用的少数实验观察结果，0.95和1.0之间的反射系数应该更适合桩间距约为其直径5倍的桩结构，即接近完美反射体。其结果是，波浪能量在该结构的通过率较高，桩对波通过结构的传输几乎没有影响。

05 小结

本案例利用水动力仿真ARTEMIS模块对波浪在墙、桩等人造结构的反射和衍射进行了研究，并对施加的不同反射系数进行了敏感性分析，加深了对ARTEMIS模块的理解。该研究通过对比波的反射和衍射，有助于解决在不同情况下判断结构衍射和反射的竞争情况等问题，为研究海工建筑物对波浪场的影响提供参考价值。

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