弧形防浪墙斜坡堤越浪研究

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我国江浙沿海地区多次发生超过海堤设计标准的台风灾害,使海堤因波浪越顶发生越浪而造成其严重破坏。海堤作为海岸防护的工程结构,是抵御极端波浪和风暴潮灾害十分重要的屏障,但海堤设计使其完全不发生越浪是不符合客观现实情况的,要综合考虑海岸地基安全性及施工经济性、时效性的前提下,目前我国海堤设计标准采用允许部分越浪的解决办法。因此,在海堤建设中对允许越浪量计算成为海堤设计的必要环节。斜坡堤作为海堤中最常见的海岸结构,在堤顶建设防浪墙是一种有效地防止越浪的方法,防浪墙能够有效地降低斜坡堤的对地基的压力、堤顶高程、大幅度缩短建设工期、降低工程造价等优点。本文通过物理模型试验和数值模拟对弧形防浪墙斜坡堤越浪进行研究,主要研究内容和结论如下:(1)在波浪水槽中建立斜坡堤模型,对弧形防浪墙和直立式防浪墙进行物理模型试验,探究墙顶超高、堤趾相对水深、防浪墙高度等影响因子对斜坡堤发生越浪产生越浪量的影响。所得结果显示越浪量随相对墙顶超高的增大呈现指数减少趋势,对墙顶超高变化敏感度较高,随着相对水深的减小呈现减少趋势。同等波浪条件下,对比直立式防浪墙与弧形防浪墙模型发生越浪,弧形防浪墙所产生越浪量明显较少。(2)基于软件FLUENT进行数值模拟计算,建立二维数值波浪水槽模型,通过验证波形和消波区的消浪性能良好,为不同结构斜坡堤数值模拟提供了可靠的基础。首先在数值波浪水槽中建立无防浪墙简单斜坡堤,数值模拟所得越浪量结果与前人通过物理模型试验所得结果对比,两者所得结果相对误差均小于17.3%,结果吻合性较好。考虑堤顶超高、堤前波高、波长、堤前水深、临海侧坡度对简单斜坡堤越浪量的影响,分析确定各因子与越浪量系数的定量关系。(3)建立设置弧形和直立式防浪墙的斜坡堤数值模型进行数值模拟试验,所得越浪量计算结果与本文物理模型试验值结果对比,两者相对误差较小。在本文试验工况下,两种试验方法呈现相同结果,同一波浪要素条件下,弧形防浪墙产生越浪量相比直立式防浪墙减少率均大于75%。(4)对防浪墙越浪过程水动力特性进行分析,同时结合防浪墙所受波浪力历时曲线探究其受力变化情况。在波浪作用斜坡堤发生越浪过程中,直立墙趾处水体雍高,水体不断向上冲击越过墙顶发生越浪,越浪后水体回落过程中墙趾处有漩涡产生,出现高压区,提高防浪墙失稳风险;而水体作用在弧形墙上的沿墙体做弧形,方向随之改变,水体向海洋侧导回汇入爬坡水体之中,防止水体越过墙顶。直立墙受力复杂且受冲击较大,变化快,弧形墙相对直立墙受力较缓和,同等波浪情况下,弧形墙的抗海浪性、稳定性更好。
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