栅栏板护面下护岸越浪数值模拟

纪君娜

(山东省调水工程运行维护中心棘洪滩水库管理站，山东 青岛 266111)

在实际的水库和海岸工程中，波浪冲击是危害工程安全的主要因素[1]。护岸作为一种工程防护结构，在具有防波浪冲击能力的同时，也能够对较大的波浪进行消波，从而保证波浪尽可能少地越顶，避免对陆上建筑和公众安全产生影响[2-3]。因此，对护岸进行消波，减少越浪的相关研究具有重要的工程意义。

在已有研究中，主要是采用物理模型试验进行研究。Owen[4]在进行大量的物理模型试验的基础上，对斜坡越浪量进行了系统的研究，总结出波浪爬高和平均越浪量的经验公式。在国内的研究中，陈谦等[5]在规则波条件下，通过设置不同干舷高度对各种潜堤进行越浪试验，给出了一系列的实测越浪量。廖可阳[6]进行了CABION(格宾)护岸的试验研究，得出波浪爬高规律。由于物理模型试验过程需要花费大量时间和财力，且随着计算流体动力学(computational fluid dynamics, CFD)的发展，采用数值模拟进行护岸越浪的研究开展较多。刘亚男等[7]在规则波条件下，模拟了光滑斜坡的越浪过程。闫科谛等[2]和张志杰[8]通过对带栅栏板的斜坡堤进行越浪量数值模拟，得出栅栏板护面相对于光面斜坡，越浪量的折减系数约为0.81。已有研究对斜坡越浪量机理进行了阐述，并在不同条件下进行了各种结构形式的越浪量对比，但上述研究尚无对不同坡度条件下，不同坡面形式的越浪量的研究，因此值得进一步探索。

本文基于Fluent软件建立二维数值波浪水槽，在规则波条件下，采用不同波况组合，模拟带栅栏板护面斜坡在不同坡度和栅栏板间距下的越浪过程并计算过顶越浪量。

1 数值模型

1.1 模型设计

为了更好地模拟护坡上越浪过程，本文构建了一个二维数值波浪水槽，如图1 所示，坐标原点(x，y)位于水槽底部造波端，其中x轴沿水平正方向，y轴沿垂直正方向，重力加速度g方向为y轴的负方向。栅栏板护面式护岸的模型设计，如图2 所示。护岸的坡度定义为α。护岸的总长度定义为L，固定护岸垂直高度HT=0.5 m。上层坡顶用LT表示,水平宽度为0.3 m。栅栏板厚度固定为2.5 cm，栅栏板的空隙间距用l来表示，这些空隙间距是沿着斜坡测量的，水深为H，干舷为Hf。

图1 二维数值水槽示意图Fig.1 Schematic of a 2D numerical flume

图2 栅栏板护面式护岸模型Fig.2 Fence panel protective surface slope model

1.2 控制方程

本文采用二维数值波浪水槽进行越浪量研究。假定模拟中流体为不可压缩黏性流体。控制方程为连续性方程和雷诺平均N-S方程，如式(1)和(2)所示：

(1)

(2)

采用RNGk-ε模型来封闭上述方程，使用VOF 模型来模拟数值水槽中波浪的传播爬升以及越浪过程。采用的算法是PISO 算法，为压力的隐式算子分割算法。

1.3 数值模型

二维数值波浪水槽网格构建采用四边形网格与三角形网格结合的方式，护岸处为三角形网格，水槽段为四边形网格。为了检测水面的波动及越浪水体在护岸上的爬升过程，在护岸表面和自由水面进行网格加密，水面处网格加密宽度为波高H的1/15,波运动方向为波长λ的1/60，时间步长为0.01 s。设置护岸与造波板以及水槽底面为壁面边界(wall)，水槽顶部为压力出口边界条件(pressure-inlet)，采用推板造波的方式产生入射波。网格加密细节如图3所示。

图3 护岸模型计算网格及加密图Fig.3 Slope model calculation grid and refinement diagram

2 结果与分析

以二维护岸数值模型为研究对象，在规则波条件下，采用3组水深(D)、1组入射波高(H)和4组入射周期(T)组合，开展栅栏板空隙间距(l)、坡度(a)和栅栏板厚度对于护岸过顶越浪量的影响研究。工况设计如表1所示。

表1 参数及工况设计

在本研究中，过顶的越浪量是评价栅栏板消波性能的主要性能指标。单宽平均越浪量的计算如式(3)所示[9]:

(3)

式(3)中,q为单宽平均越浪量[m3/(m·s)]；V为越浪过程的总越浪量(m3)；t为越浪过程时间间隔；b为护岸收集越浪量接水宽度。

2.1 栅栏板护面对过顶越浪量的影响

由图4可以看出，当入射波高为10 cm时，两种护面情况斜坡的过顶越浪量随着入射周期的增大均呈现增大的趋势。无栅栏板护面时，斜坡的过顶越浪量最大值为5.2×10-3m3/(m·s)，其平均值比有栅栏板护面时高25.9%。原因在于，越浪水体在斜坡上爬升的过程中，当下垫面为栅栏板时，由于间隙的存在导致越浪水体湍流运动更加明显，导致越浪水体损失动能。说明栅栏板护面能达到较好的消波效果，这与数值模拟检测到的过程相似，一个周期内波浪爬升过程如图5所示。可以看出有栅栏板护面斜坡的单波越浪量较小，消波效果明显。

图4 两种护面情况斜坡过顶越浪量对比图Fig.4 Comparison of wave overtopping of slopes under two types of protection conditions

图5 两种护面情况斜坡越浪过程Fig.5 Slope surfacing processes under two types of protection conditions

2.2 护岸坡度对过顶越浪量的影响

图6 两种斜坡坡度过顶越浪量对比图Fig.6 Comparison of wave overtopping volumes of two slopes

当干舷高度为20 cm时，不同周期下，由于入射波高较小，两种坡度斜坡均未产生过顶越浪水体。如图6(a)所示，当干舷高度为15 cm时，坡度较陡的斜坡仅在大周期2 s时产生越浪现象，为0.5×10-3m3/(m·s)。坡度较缓的斜坡在周期1.25 s时未产生越浪，随着周期的增大，过顶越浪量也随之增大，且q值均大于坡度较陡的斜坡。如图6(b)所示，当干舷高度为10 cm时，两种坡度斜坡在不同周期下表现出相同的规律，即坡度较陡斜坡产生更小的过顶越浪量。原因在于，坡度越大，水体在爬升过程中更容易产生破碎，使得水体的动能大幅降低，从而更少的水体越过坡顶。但实际工程中，斜坡坡度越大，也会导致斜坡整体结构的不稳定。因此，在进行护岸的修筑过程中，要充分考虑当地的波况及地质条件，在规定的范围内合理选择护岸坡度。

2.3 栅栏板间距对过顶越浪量的影响

在实际的工程中，栅栏板的开口间距也是一个重要的结构参数，不同的栅栏板间距会对护岸的过顶越浪量产生一定影响。需要说明的是，根据《防波堤与护岸设计规范》[1]中对栅栏板结构的规定，栅栏板结构为上窄下宽的梯形，而非文章设计的矩形，本文为了研究间距的影响，对该结构进行了简化处理。

由图7可知，随着周期的增大，3种情况的q值均变大，在周期T=2 s时，间距l=4.5 cm的q值达到最大，为11.2×10-3m3/(m·s)。在周期T=1.25 s时，3种情况的q值差距不大。在其他周期条件下，间距l=2.5 cm的q值均小于其他两种情况，且同一周期下，间距越大，越浪量q值越大。分析得出，在一定条件下，栅栏板间距偏小的时候，在相同长度内，可以布置更多栅栏板，使得护岸的下垫面糙率变大，在越浪水体爬升的过程中，较小栅栏板间距的护岸波浪破碎更为剧烈，且由于破浪破碎带来的能量损失使得越浪水体的爬高较小。这与模拟过程(图8)中获得的结果一致，当入射波稳定后，通过图8可以发现，在水体爬升过程中，间距较小时，波浪破碎严重，卷气现象明显，波浪爬高较小。

图7 不同间距栅栏板过顶越浪量对比图Fig.7 Comparison of wave surpasses of fence panels with different spacing

图8 不同间距栅栏板越浪过程对比图Fig.8 Comparison of wave crossing processes of fence panels with different spacing

3 结论

本文利用CFD软件Fluent建立了二维波浪数值水槽，在规则波条件下，模拟了光滑护岸和带栅栏板护面护岸的越浪过程。结果得出:在有栅栏板护面情况下，护岸的消波能力提升显著；同等栅栏板护面时，较小坡度的护岸消波能力较强；在一定条件下，较小间距的栅栏板护面，越浪水体破碎更大，护岸消波能力更优。

护岸的设计是一个复杂的工作，本文设计的栅栏板进行了结构简化，对于栅栏板下部的渗透性尚未考虑，因此，在后续的工作中，应进一步完善模拟精度，考虑多种情况，并进行物理模型试验进行验证。