基于Fluent波浪與混合堤直立墻相互作用模擬研究

◎ 楊成剛 中交武漢港灣工程設(shè)計研究院有限公司 海工結(jié)構(gòu)新材料及維護(hù)加固技術(shù)湖北省重點(diǎn)實驗室

混合式海堤是海堤防潮減災(zāi)體系工程的重要建筑物，合理的海堤結(jié)構(gòu)能夠抵御風(fēng)浪，確保堤后經(jīng)濟(jì)區(qū)安全。福建開敞海岸位于我國東南沿海大浪區(qū)，每年遭受臺風(fēng)暴潮以致海堤結(jié)構(gòu)受損嚴(yán)重。由于福建沿海地區(qū)波浪條件較為惡劣，與其他沿海地區(qū)相比具有偏大的特點(diǎn)，混合式海堤又是福建沿海海堤工程常見的一種斷面型式，為此，須研究混合堤直立墻波壓力特性。

1.工程概況

福建霞浦臺灣水產(chǎn)品集散中心物流倉儲區(qū)圍海造地工程海堤斷面如圖1所示，該混合式海堤斷面上部采用直立墻，下部基床在直立墻前設(shè)置消浪肩（平）臺，堤腳處設(shè)鎮(zhèn)壓層，護(hù)面結(jié)構(gòu)采用6t扭王塊體并規(guī)則安放。

2.模型建立

由于受到實驗室物理水槽尺寸的限制，波浪斷面物理模型試驗采用的幾何比尺一般≤1:40，然而，在數(shù)值波浪水槽中進(jìn)行模擬試驗時，可按幾何比尺為1:1的建立實際工程斷面模型，這樣其模擬過程與真實情況更為貼近。本文根據(jù)目前實際工程中海堤建筑物的尺寸、水深及波要素構(gòu)建數(shù)值波浪水槽，數(shù)值水槽總長度為500m，其中主要包含60m的造波區(qū)，80m的前端消波區(qū)，260m的工作區(qū)以及100m的尾端消波區(qū)；波浪數(shù)值水槽示意圖詳見圖2。根據(jù)實際工程中混合式海堤設(shè)計斷面圖（見圖1），基于Fluent軟件構(gòu)建的數(shù)值波浪水槽，在工作區(qū)建立混合式海堤斷面模型，海堤結(jié)構(gòu)斷面網(wǎng)格劃分如圖3所示。在混合式海堤直立墻迎浪面設(shè)置波壓力監(jiān)測點(diǎn)，監(jiān)測點(diǎn)位置如圖5所示。波浪與混合堤直立墻相互作用情況如圖4所示。

圖1 霞浦臺灣水產(chǎn)品集散中心物流倉儲區(qū)圍海造地工程路堤斷面示意圖

圖2 波浪數(shù)值水槽斷面示意圖

圖3 海堤結(jié)構(gòu)斷面網(wǎng)格劃分圖

圖4 波浪與混合式海堤作用過程圖

圖5 直立墻體波壓力分布圖

3.結(jié)果分析

本文的計算研究重點(diǎn)考慮以下四種影響因素，即：波坦L/H、直立墻墻前相對水深d/H、基床斜坡坡度m、肩（平）臺相對寬度B/H。本論文著眼于開敞岸線大浪區(qū)，混合式海堤直立墻體波壓力特性，確定數(shù)模計算的波浪要素研究范圍及混合式海堤基床結(jié)構(gòu)尺度變化范圍如下，并組合為計算工況：1、波坦L/H=10、15、20、25（H=6m，L=60m、90m、120m、150m）；2、墻前相對水深d/H=-0.3、-0.1、0.1、0.3、0.5；3、肩（平）臺相對寬度B/H=0.5、1、1.5；4、斜坡坡度m=1，2，3，4。

混合式海堤斷面數(shù)學(xué)模型試驗工況由4個波坦L/H、4個斜坡坡度m、5個墻前相對水深d/H、3個基床肩（平）臺相對寬度B/H，共組成240組試驗計算工況。對單個因素進(jìn)行分析其變化規(guī)律，將各工況相應(yīng)數(shù)模計算結(jié)果的直立墻最大水平波壓力進(jìn)行無量綱化Ps/γH。

3.1 波浪與混合式海堤相互作用過程分析

由圖4 可知，波浪推進(jìn)到鎮(zhèn)壓層，并在鎮(zhèn)壓層段變形，再傳到基床斜坡段與坡肩時以卷破波的形式發(fā)生破碎，破波能量水體經(jīng)肩臺段推進(jìn)猛烈沖擊直立墻體，產(chǎn)生較大的破波沖擊力，沖擊水體在慣性速度作用下沿直立墻爬升，由于直立墻墻頂為圓弧狀形式，改變了水體的運(yùn)動方向，當(dāng)水體到達(dá)時就形成了“鷹嘴”反向挑浪現(xiàn)象，然后水體回落與反射，直至與下個來波疊加，破波再次對混合式海堤直立墻形成猛烈的沖擊力，且在波周期內(nèi)循環(huán)波擊直立墻體作用過程。

3.2 直立墻波壓力分布規(guī)律分析

直立墻迎浪面最大水平波壓力點(diǎn)位于相應(yīng)靜水位處，直立墻迎浪面水平波壓力分布特征為：自最大波壓力點(diǎn)往上波壓力逐漸減小，在圓弧處（1#測點(diǎn)）再增大，這是由于圓弧結(jié)構(gòu)的挑浪效果增加了波壓力，自最大波壓力點(diǎn)往下波壓力逐漸減小。

3.3 墻前相對水深對直立墻最大水平波壓力的影響研究

隨著墻前水深d/H增加，最大水平波壓力也有不同程度的增加，這是由于墻前水深d/H的增加，波浪雖在肩臺段和斜坡段有破碎，而作用于直立墻上的波浪能量不斷增大，即直立墻所受相對壓力Ps/γH增大，沖擊壓強(qiáng)也增大，具體分析墻前相對水深對最大水平波壓力的影響為：1）當(dāng)墻前相對水深由-0.3增加到-0.1的時，波壓力增加幅度較緩，其幅度3～11%，其因是由于d/H=-0.1時，水面位于扭王字塊體頂面以下，來波在基床斜坡段破碎后消耗其能量，波浪到達(dá)直立墻上時其沖擊性較弱；2）當(dāng)-0.1

3.4 基床肩（平）臺相對寬度對直立墻最大水平波壓力的影響研究

由圖7可知，相同波坦的水平波壓力隨基床肩臺相對寬度B/H的變化特點(diǎn)為：最大水平波壓力隨基床肩臺相對寬度B/H的增加而有不同程度的衰減；其原因是肩臺相對寬度B/H越大，使得護(hù)面塊體層與破碎波作用的路徑越長，以致破碎波波衰減越大，從而波浪沖擊力越小?；布缗_相對寬度B/H增加對波浪衰減作用在B/H=0.5至B/H=1段較B/H=1至B/H=1.5段更加明顯，即0.5≤B/H≤1時波能損耗大于1

圖6 直立墻最大水平波壓力與墻前相對水深關(guān)系圖

圖7 直立墻最大水平波壓力與肩臺相對寬度關(guān)系圖

圖8 直立墻最大水平波壓力與基床斜坡坡度關(guān)系圖

3.5 基床斜坡坡度對直立墻最大水平波壓力的影響研究

隨著混合式海堤下部基床斜坡坡度（m）的增大，相同波坦作用時，混合式海堤上部直立墻最大水平波壓力值呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，其中斜坡坡度m=2時達(dá)到最大值，這是因為斜坡坡度1≤m<2時，其斜坡的反射作用較為明顯，波浪破碎也不完全，故沖擊直立墻的最大波壓力也不大；隨著斜坡坡度增加到m=2時，基床的斜坡坡度趨勢變緩，下部斜坡段的反射作用減弱，波浪破碎能量損失小，剩余推進(jìn)能量較大，此時波浪的沖擊性顯著增加，最大波壓力也明顯增大；但隨著斜坡坡度的繼續(xù)增加到2

3.6 波坦對直立墻最大水平波壓力的影響研究

由圖9可知，最大水平波壓力隨波坦的增加而增加，這是由于波坦越大波浪的能量越大，波浪破碎越發(fā)激烈，破碎后產(chǎn)生的沖擊壓強(qiáng)更大；當(dāng)波坦一定時，隨著肩臺相對寬度的增大，最水平大波壓力也隨之減小；由圖7可知，當(dāng)肩臺相對寬度在一定范圍增加時，波坦越大最大水平波壓力減小幅度越小，如當(dāng)B/H從0.5增加至1時，最大水平波壓力減小幅度情況為：20%（L/H=10）＞17%（L/H=15）＞14%（L/H=20）＞11%（L/H=25）這是因為波坦越大波浪在扭王字塊體中的透射性越強(qiáng)，衰減弱，使得波壓力的減小幅度隨波坦的增大而減小。

圖9 直立墻最大水平波壓力與波坦的關(guān)系圖

4.結(jié)論

（1）當(dāng)墻前相對水深d/H=-0.3～0.5時，直立墻最大水平波壓力隨墻前相對水深的增加而增大，當(dāng)水位位于扭王字塊體頂面以下時，直立墻最大水平波壓力點(diǎn)在接近扭王塊體頂面處，當(dāng)水位位于扭王塊體頂面以上時，直立墻最大水平波壓力測點(diǎn)在水位附近；

（2）當(dāng)肩臺相對寬度B/H=0.5～1.5時，直立墻最大水平波壓力隨肩臺相對寬度的增加而減小，且B/H=1為混合式海堤最佳尺度；

（3）當(dāng)基床斜坡坡度m=1～4時，直立墻最大水平波壓力隨斜坡坡度的增加先增大后減小，在m=2時達(dá)到峰值。

（4）當(dāng)波坦L/H=10～25時，直立墻最大波水平壓力隨波坦的增加而增加。