波浪作用下,在近浅海区域的海底边界层流动中存在着显著的速度衰减和剧烈的动量交换。在风暴条件下,波浪边界层的厚度（100mm量级）与光缆、电缆、脐带缆等（直径约50～200mm,统称为小直径管缆）的直径相当。波浪边界层内的流动特性会显著影响小直径管缆的波浪力。海床粗糙度不同,会改变波浪边界层的流动特性并导致管缆悬跨,这将进一步影响小直径管缆的波浪力特性。现行的海底管缆在位稳定设计规范DNV-RP-F109[1]未充分考虑波浪边界层和海床粗糙度对小直径管缆波浪力的影响,在计算小直径管缆波浪荷载时过于保守。为了解决这一问题,本论文针对不同海床粗糙度条件下的波浪边界层特性和小直径管缆波浪力特性,开展了物理模型实验研究。首先,研究了不同海床粗糙度条件下波浪边界层的流动特性,提出了一种新型的四参数衰减函数模型,用于预报湍流波浪边界层内水平速度的时空分布。新型衰减函数由幅值衰减项和相位偏移项组成。幅值衰减项和相位偏移项分别控制自由区与边界层之间速度差的幅值变化和相位偏移,各包含一个长度尺度和一个指数参数。幅值衰减项的长度尺度是海床粗糙度的度量,而指数参数类似于底摩阻系数,是壁面湍流的度量;相位偏移项的长度尺度是边界层厚度的度量,而指数参数反映了湍流波浪边界层厚度随相位的非线性演化过程。依据前人和本论文的实验结果,建立了模型参数与流动控制参数之间的函数关系。充分的对比验证表明,应用本论文提出的新型衰减函数模型,可以快速且准确地预测湍流波浪边界层内水平速度的时空分布。然后,研究了湍流波浪边界层中水平脉动速度二阶矩的时空分布规律。以波浪边界层厚度为长度尺度,以底摩阻速度幅值为速度尺度,对速度、脉动量、壁面距离等进行无量纲化。无量纲化后的脉动量二阶矩与壁面距离、边界内外速度差之间存在以下关系:在光滑湍流波浪边界层的重合区,脉动量二阶矩的幅值是壁面距离的对数函数,称作脉动量二阶矩的对数律;在光滑湍流波浪边界层的外区,脉动量二阶矩的时空分布与边界层内外速度差的时空分布之间呈线性关系,称作脉动量二阶矩的线性律。这些规律证实了附涡假说在光滑湍流波浪边界层中的适用性。针对光滑湍流波浪边界层,依据脉动量二阶矩的线性律,给出了水平脉动速度二阶矩的时空分布表达式。在粗糙湍流波浪边界层中,粗糙单元破坏了脉动量二阶矩与壁面距离之间的依赖关系,前述两个脉动量分布规律失效。为了便于工程应用,本论文给出了计算粗糙湍流波浪边界层中湍流强度分布的经验公式。最后,研究了粗糙海床上小直径管缆的波浪力特性,定量化分析了波浪边界层和海床粗糙度对小直径管缆波浪力的影响,并给出了小直径管缆波浪力计算的新方法。研究发现,随着KC数增大,波浪边界层引起的速度衰减会导致管缆截面对应的特征流速减小,从而导致波浪力系数减小。研究还发现,海床粗糙度主要通过以下三种方式影响小直径管缆的波浪力:（1）海床粗糙度增大导致波浪边界层变厚,管缆截面对应的特征速度减小,波浪力系数也随之减小;（2）海床粗糙度增大导致海床附近湍流增强,促进了管缆周围流动状态的转变,使得波浪力系数改变;（3）海床粗糙单元尺寸和排布密度的变化会改变管缆的悬跨状态和管下的透水条件,从而影响管缆的波浪力系数。综合考虑以上多因素影响,小直径管缆的稳定比重相较于DNV-RP-F109的设计值,最高可减小40%左右。本论文的实验结果和分析过程,为更加精准的小直径管缆在位稳定设计提供了数据支撑和理论依据。