基于Fluent波浪与混合堤直立墙相互作用模拟研究

◎ 杨成刚 中交武汉港湾工程设计研究院有限公司 海工结构新材料及维护加固技术湖北省重点实验室

混合式海堤是海堤防潮减灾体系工程的重要建筑物，合理的海堤结构能够抵御风浪，确保堤后经济区安全。福建开敞海岸位于我国东南沿海大浪区，每年遭受台风暴潮以致海堤结构受损严重。由于福建沿海地区波浪条件较为恶劣，与其他沿海地区相比具有偏大的特点，混合式海堤又是福建沿海海堤工程常见的一种断面型式，为此，须研究混合堤直立墙波压力特性。

1.工程概况

福建霞浦台湾水产品集散中心物流仓储区围海造地工程海堤断面如图1所示，该混合式海堤断面上部采用直立墙，下部基床在直立墙前设置消浪肩（平）台，堤脚处设镇压层，护面结构采用6t扭王块体并规则安放。

2.模型建立

由于受到实验室物理水槽尺寸的限制，波浪断面物理模型试验采用的几何比尺一般≤1:40，然而，在数值波浪水槽中进行模拟试验时，可按几何比尺为1:1的建立实际工程断面模型，这样其模拟过程与真实情况更为贴近。本文根据目前实际工程中海堤建筑物的尺寸、水深及波要素构建数值波浪水槽，数值水槽总长度为500m，其中主要包含60m的造波区，80m的前端消波区，260m的工作区以及100m的尾端消波区；波浪数值水槽示意图详见图2。根据实际工程中混合式海堤设计断面图（见图1），基于Fluent软件构建的数值波浪水槽，在工作区建立混合式海堤断面模型，海堤结构断面网格划分如图3所示。在混合式海堤直立墙迎浪面设置波压力监测点，监测点位置如图5所示。波浪与混合堤直立墙相互作用情况如图4所示。

图1 霞浦台湾水产品集散中心物流仓储区围海造地工程路堤断面示意图

图2 波浪数值水槽断面示意图

图3 海堤结构断面网格划分图

图4 波浪与混合式海堤作用过程图

图5 直立墙体波压力分布图

3.结果分析

本文的计算研究重点考虑以下四种影响因素，即：波坦L/H、直立墙墙前相对水深d/H、基床斜坡坡度m、肩（平）台相对宽度B/H。本论文着眼于开敞岸线大浪区，混合式海堤直立墙体波压力特性，确定数模计算的波浪要素研究范围及混合式海堤基床结构尺度变化范围如下，并组合为计算工况：1、波坦L/H=10、15、20、25（H=6m，L=60m、90m、120m、150m）；2、墙前相对水深d/H=-0.3、-0.1、0.1、0.3、0.5；3、肩（平）台相对宽度B/H=0.5、1、1.5；4、斜坡坡度m=1，2，3，4。

混合式海堤断面数学模型试验工况由4个波坦L/H、4个斜坡坡度m、5个墙前相对水深d/H、3个基床肩（平）台相对宽度B/H，共组成240组试验计算工况。对单个因素进行分析其变化规律，将各工况相应数模计算结果的直立墙最大水平波压力进行无量纲化Ps/γH。

3.1 波浪与混合式海堤相互作用过程分析

由图4 可知，波浪推进到镇压层，并在镇压层段变形，再传到基床斜坡段与坡肩时以卷破波的形式发生破碎，破波能量水体经肩台段推进猛烈冲击直立墙体，产生较大的破波冲击力，冲击水体在惯性速度作用下沿直立墙爬升，由于直立墙墙顶为圆弧状形式，改变了水体的运动方向，当水体到达时就形成了“鹰嘴”反向挑浪现象，然后水体回落与反射，直至与下个来波叠加，破波再次对混合式海堤直立墙形成猛烈的冲击力，且在波周期内循环波击直立墙体作用过程。

3.2 直立墙波压力分布规律分析

直立墙迎浪面最大水平波压力点位于相应静水位处，直立墙迎浪面水平波压力分布特征为：自最大波压力点往上波压力逐渐减小，在圆弧处（1#测点）再增大，这是由于圆弧结构的挑浪效果增加了波压力，自最大波压力点往下波压力逐渐减小。

3.3 墙前相对水深对直立墙最大水平波压力的影响研究

随着墙前水深d/H增加，最大水平波压力也有不同程度的增加，这是由于墙前水深d/H的增加，波浪虽在肩台段和斜坡段有破碎，而作用于直立墙上的波浪能量不断增大，即直立墙所受相对压力Ps/γH增大，冲击压强也增大，具体分析墙前相对水深对最大水平波压力的影响为：1）当墙前相对水深由-0.3增加到-0.1的时，波压力增加幅度较缓，其幅度3～11%，其因是由于d/H=-0.1时，水面位于扭王字块体顶面以下，来波在基床斜坡段破碎后消耗其能量，波浪到达直立墙上时其冲击性较弱；2）当-0.1

3.4 基床肩（平）台相对宽度对直立墙最大水平波压力的影响研究

由图7可知，相同波坦的水平波压力随基床肩台相对宽度B/H的变化特点为：最大水平波压力随基床肩台相对宽度B/H的增加而有不同程度的衰减；其原因是肩台相对宽度B/H越大，使得护面块体层与破碎波作用的路径越长，以致破碎波波衰减越大，从而波浪冲击力越小。基床肩台相对宽度B/H增加对波浪衰减作用在B/H=0.5至B/H=1段较B/H=1至B/H=1.5段更加明显，即0.5≤B/H≤1时波能损耗大于1

图6 直立墙最大水平波压力与墙前相对水深关系图

图7 直立墙最大水平波压力与肩台相对宽度关系图

图8 直立墙最大水平波压力与基床斜坡坡度关系图

3.5 基床斜坡坡度对直立墙最大水平波压力的影响研究

随着混合式海堤下部基床斜坡坡度（m）的增大，相同波坦作用时，混合式海堤上部直立墙最大水平波压力值呈现先增大后减小的趋势，其中斜坡坡度m=2时达到最大值，这是因为斜坡坡度1≤m<2时，其斜坡的反射作用较为明显，波浪破碎也不完全，故冲击直立墙的最大波压力也不大；随着斜坡坡度增加到m=2时，基床的斜坡坡度趋势变缓，下部斜坡段的反射作用减弱，波浪破碎能量损失小，剩余推进能量较大，此时波浪的冲击性显著增加，最大波压力也明显增大；但随着斜坡坡度的继续增加到2

3.6 波坦对直立墙最大水平波压力的影响研究

由图9可知，最大水平波压力随波坦的增加而增加，这是由于波坦越大波浪的能量越大，波浪破碎越发激烈，破碎后产生的冲击压强更大；当波坦一定时，随着肩台相对宽度的增大，最水平大波压力也随之减小；由图7可知，当肩台相对宽度在一定范围增加时，波坦越大最大水平波压力减小幅度越小，如当B/H从0.5增加至1时，最大水平波压力减小幅度情况为：20%（L/H=10）＞17%（L/H=15）＞14%（L/H=20）＞11%（L/H=25）这是因为波坦越大波浪在扭王字块体中的透射性越强，衰减弱，使得波压力的减小幅度随波坦的增大而减小。

图9 直立墙最大水平波压力与波坦的关系图

4.结论

（1）当墙前相对水深d/H=-0.3～0.5时，直立墙最大水平波压力随墙前相对水深的增加而增大，当水位位于扭王字块体顶面以下时，直立墙最大水平波压力点在接近扭王块体顶面处，当水位位于扭王块体顶面以上时，直立墙最大水平波压力测点在水位附近；

（2）当肩台相对宽度B/H=0.5～1.5时，直立墙最大水平波压力随肩台相对宽度的增加而减小，且B/H=1为混合式海堤最佳尺度；

（3）当基床斜坡坡度m=1～4时，直立墙最大水平波压力随斜坡坡度的增加先增大后减小，在m=2时达到峰值。

（4）当波坦L/H=10～25时，直立墙最大波水平压力随波坦的增加而增加。