随着跨海大桥工程日益增多,在复杂海洋条件下的桥梁基础修建中常常使用大直径围堰,如平潭海峡公铁大桥中使用的吊箱钢围堰,沪通长江大桥主航道桥沉井施工等。而海洋环境中,围堰施工往往会经历浮运和下沉过程,在这个过程中,围堰会受到来自海流的水流力作用,来自波浪的周期性作用,以及海流和波浪联合作用下的波流力作用,而围堰浮运下沉过程的安全性和稳定性直接决定于前期对围堰受力的准确预估,因此本文主要目的为得到围堰下沉过程中,在纯波、纯流以及波流联合作用下的受力计算方法。本文在线性波浪理论范围内,基于莫里森方程和线性波流理论,得到围堰水流力、波浪力和波流力的计算公式,但由于理论公式中的水动力系数C_D、C_M为经验参数,因此本文通过纯流、纯波以及波流工况对围堰的水动力系数的变化规律进行了研究。首先,本文以部分实际工程中的围堰尺寸和波流参数拟定缩尺之后的实验工况参数,并将实验中无结构物时的波流参数与线性波流理论值进行了对比验证,证明了实验所造波浪和波流符合线性波浪和线性波流的条件;然后介绍了本文数值水槽的建立方法,通过考察水槽的液面变化,消波段的消波情况,以及在不同水槽位置处沿水深方向的速度分布情况,验证了本文所建数值水槽能够较好地模拟波流联合作用。然后本文对AR=1/3²,U₀=0.2⁰.5m/s纯流工况下的液面变化和围堰受力进行了频谱分析,得到了液面平均高度和液面波动幅度随长细比AR和流速U₀的变化规律,以及围堰受力均值和受力波动幅值随长细比AR和流速U₀的变化规律。再对受力数据进行无量纲化处理,得到阻力系数C_D随雷诺数Re和长细比AR的变化规律:1.阻力系数较无限长圆柱的阻力系数有明显的减小,在较小长细比AR=1/3,2/3的工况中,阻力系数0.5<C_D<0.8,并且阻力系数保持在一个比较稳定的区间内,不随雷诺数的变化而产生大的改变;当AR≥1时,阻力系数随着雷诺数的增加产生明显的下降趋势。2.阻力系数C_D随长细比的变化关系总体均为随长细比的增大而逐渐增加,在Re=4.6×10⁴,9.2×10⁴,11.5×10⁴中,AR=1/3的C_D值大于AR=2/3时的值,当Re=6.9×10⁴,9.2×10⁴,11.5×10⁴时,在AR=1时C_D值均出现一个突增,AR=1时的C_D值大于AR=4/3时的C_D值,与AR=5/3时的C_D值较为接近。对于纯波工况下的波面变化和围堰受力,本文分析了同一个波浪工况下,波面随长细比的变化规律以及水平波浪力和竖向波浪力随长细比的变化规律。然后对水平波浪力数据进行了无量纲化处理,得到阻力系数C_D和惯性力系数C_M随雷诺数Re,KC数和长细比AR的变化规律:1.波浪波高H与结构物尺度D之间的比例H/D≤1,因此波浪的粘性效应较弱,速度力在波浪力中的比例最大占比18.92%,最小仅为3.32%,阻力系数C_D<0.7,最小时仅为0.1,因此在本文中围堰的粘性效应可以忽略。2.围堰惯性力系数C_M的变化范围为1.4²,比通长圆柱的惯性力系数有所减小,惯性力系数随雷诺数的变化规律为:在3×10⁴≤Re≤4×10⁴的范围内,惯性力系数随雷诺数变化不大;当β=4.5×10⁴时,惯性力系数随KC数的变化关系为:C_M随KC数增加而增加;围堰惯性力系数随长细比的变化规律为:C_M随AR的增加而增加,并在AR=2时围堰惯性力系数接近通长圆柱的惯性力系数。最后本文对波流工况下的围堰水平受力进行了分析,得到了不同流速下,水平波流力随波高和波浪周期的变化规律,以及不同波高和不同波浪周期下,水平波流力随流速的变化规律。并将波流力无量纲化处理,得到阻力系数C_D和惯性力系数C_M随雷诺数Re,KC数和长细比AR的变化规律:1.围堰在波流联合作用下的阻力系数C_D均比通长圆柱的C_D小。围堰阻力系数C_D随雷诺数Re的变化规律在不同KC数下表现不同特征,当KC≤4.8时,C_D随Re的增加基本不变,当KC≥6.4时,C_D随Re的增加而增加,C_D的变化范围为0.45≤C_D≤1.03;C_D随KC数的变化规律在不同雷诺数下也表现出不同的变化规律,当Re≤1×10⁵时,C_D随KC数的增加而减小,当Re≥1.2×10⁵时,C_D随KC数的增加在一常值附近波动,C_D的变化范围为0.45≤C_D≤1.17。C_D值随长细比AR的变化规律为:当KC数和雷诺数Re较小时,C_D随AR的增大逐渐增大并趋近于通长圆柱的C_D值,当KC数和雷诺数Re增大到一定程度时,C_D随AR的增大整体呈增加的趋势,并趋近于通长圆柱的C_D值,但在AR=1时会出现突增,这与纯流工况中C_D值随AR的变化规律相同。2.围堰在波流联合作用下的惯性力系数C_M均比通长圆柱的C_M小。惯性力系数C_M随雷诺数Re的变化关系为:当KC数较小时,AR较大的惯性力系数C_M随雷诺数Re的增加基本不变,AR较小的惯性力系数C_M随雷诺数Re的增加而减小,随着KC数的增大,不同AR下的惯性力系数C_M均随雷诺数Re的增加而减小;惯性力系数C_M随KC数的变化关系为:当Re较小时,C_M随KC数的增加基本不变,当Re逐渐增加时,此时T=1s时的C_M值相对于其他波浪周期下的C_M值出现较明显减小,C_M随KC数的增加整体呈增加的趋势。惯性力系数C_M随AR的变化关系为:C_M随AR的增加而增加,但随着KC数和雷诺数Re的增大,C_M随AR的变化关系逐渐变为在一常值附近波动,此外,对于T=1s对应的波流工况,在不同流速下,随AR的变化关系会发生改变。