波浪作用下海床动力反应的数值分析

近海和离岸建筑物的基通常处于连续不断的小风浪作用之下，可将其变形视为弹性。基于二维广义Biot理论，提出了线性或非线性波浪作用下饱和弹性海床动力应应的时域有限元数值解法。静力平衡条件和Biot方程组成的边值方程可视为其特例，在比较算例中，数值计算得到的孔压和有效应力幅值沿海床深度的分布与解析解十分吻合。土骨架和孔隙流体的加速度对海床动力反应的影响很小。具体算例表明，线性波沿缓坡海床传播时，土层中超静孔压和有效应力幅值随之增大，有可能发生滑动坡坏。所提出的数值解法能够灵活地处理非线性波浪荷载，海底复杂地质条件和波浪沿缓坡传播等复杂情况。     

波浪作用下孔隙海床-管线动力相互作用分析

波浪作用下海床中的孔隙水压力与有效应力是影响海底管线稳定性的主要因素。然而,在目前的海床响应分析中一般将管线假定为刚性,并不能合理地考虑海床与管线之间的相互作用效应,同时也没有考虑土体和管线加速度对海床动力响应的惯性影响,从而无法确定由此所引起的管线内应力。为此考虑管线的柔性,分别采用饱和孔隙介质的Biot动力固结理论和弹性动力学理论列出了海床与管线的控制方程,进而采用摩擦接触理论考虑海床与管线之间的相互作用效应,基于有限元方法建立了海床-管线相互作用的计算模型及其数值算法。通过变动参数对比计算讨论了管线几何尺寸、海床土性参数对波浪所引起的管线周围海床孔隙水压力和管线内应力的影响。     

沙质海床对波浪的响应及其稳定性研究的回顾

本文简要回顾了前人关于沙质海床在波浪作用下的响应，液化和稳定性等方面问题和研究状况。对各研究中所采用的计算模型、计算方法、应用范围以及存在的问题作了较为系统的评述。此外对各问题的最新研究成果也作了简要的介绍，最后讨论了该领域中有待于进一步研究的问题。     

波浪作用下海床的有效应力分析

波浪作用下海床的稳定性分析是海洋工程地质评价的重要内容。海床的稳定性可通过计算分析其随时间变化的有效应力场来评估。本文建议了一个周期荷载作用下土体的本构模型 ,并用于计算波浪作用下海床的应力与变形。采用Biot固结理论和有限单元法 ,分析了海床的动态应力场与孔隙水压力场。波浪作用下两种渗透系数时有效应力的动态变化过程结果对比 ,反映了渗透消散作用对海床有效应力变化的影响     

考虑土骨架加速度效应的海床动力反应及其影响因素分析

由Biot二维广义动力固结理论的形式基本控制方程出发,忽略孔隙流体的加速度,提出了饱和海床动力反应的时域有限元数值解法.联立静力平衡条件和Biot固结方程的退化法所得到的数值解可视为其特例.在比较算例中,退化法得到的超静孔压和有效应力幅值沿海床深度的分布与解析解一致.一般情况下,土骨架的加速度对海床的有效应力和超静孔压影响很小,控制方程可以退化为Biot理论.成层海床上部的粗砂层不会使超静孔压幅值在海床表面下较浅的深度内迅速衰减,难以改变海床的瞬时循环液化深度.     

波浪引起的海床失稳机理及有关孔隙水压力的讨论

近年来在海洋工程中由于海床失稳和下沉而引起的工程事故时有发生,因此波浪、海床和建筑物的相互作用问题越来越引起工程界的关注。文章首先介绍了波浪引起的海床失稳的基本机理,同时,由于孔隙水压力在海床失稳中起着重要作用,因此又通过引用前人成果,讨论了波土参数对孔隙水压力的影响。     

波浪作用下斜坡上单桩周围海床孔隙水压力响应特性试验研究

单桩基础周围斜坡海床中的波致孔隙水压力响应与纯斜坡海床存在较大差异。为了解不同波高、波周期条件下,单桩基础周围波浪传播变形及其对斜坡海床孔压振荡响应的影响,在波浪水槽末端铺设了长6 m、坡度1∶16的斜坡砂床进行试验。通过改变桩身位置和波浪参数,测量斜坡段各处波面形态,采集单桩周围孔隙水压力,分析了桩身位置及波浪参数对斜坡海床孔压响应的影响。结果表明：相同入射波条件下,随距坡脚水平距离增加,波高、近底流速和桩周孔隙水压力幅值都随之增大;桩周孔隙水压力幅值分布规律为：桩前孔压幅值明显大于桩侧与桩后孔压幅值。当Keulegan-Carpenter数大于6时,随着波高和波周期增大,马蹄涡产生的负压区使得桩侧海床孔隙水压力与纯斜坡海床孔隙水压力差值迅速增加。     

非线性波浪作用下埋置管道上波浪力简化计算

由于浅水区波浪的非线性影响显著,浅埋管道受非线性波浪荷载的影响大,为了保证管道长期运行的稳定性,在管道设计过程中需要充分考虑由非线性波浪引起的波浪力。考虑孔隙水和海床土的压缩性,基于Biot固结理论和一阶近似椭圆余弦波理论,利用分离变量法推导了非线性波浪作用下浅水区埋置管道周围海床的渗流压力,进而给出了埋置管道上的波浪力压力解析解,并与已有的文献结果进行比较。计算结果表明,在椭圆余弦波的作用下,海底管道周围海床内的渗流压力呈正弦分布,且管道所受的波浪力随着管径的增大而增大。     

不同破碎波对沙质海床作用的实验研究

破碎波对近海海岸地形以及海岸建筑物影响强烈,通过物理模型实验对孤立波、规则波作用下破碎带的床面形态以及孔隙水压力进行分析。破碎波冲击海床,破碎处床面上形成沙坝和沙坑,与规则波相比,孤立波破碎时对床面的冲刷更加剧烈,床面形成的沙坝和沙坑尺度更大,且土体内孔隙水压力幅值也较大。同时研究了波面变化对孔隙水压力的影响,发现波面变化历时曲线与孔隙水压力历时曲线相似,与孔隙水压力梯度历时曲线更为相似,说明波面变化更能反映海床内部孔隙水压力梯度的变化。通过探讨波浪与海床之间相互耦合作用,发现破碎带地形变化使得波浪出现不同破碎类型,分析得出卷破波比崩破波作用下孔隙水压力幅值大。     

浅水非线性波作用下沙质底床孔隙水压力响应数值分析

近岸水深较浅,波浪具有较强的非线性,海床破坏与波浪作用下孔隙水压力的分布有着密切的关系。波浪场控制方程采用雷诺时均方程和k-ε紊流模型,入射波采用椭圆余弦波,采用PLIC-VOF法追踪自由表面;海床域以Biot动力固结理论为基础,建立了非线性波浪与海床相互作用的弱耦合数学模型,获得椭圆余弦波作用下沙质海床中孔隙水压力响应规律。计算结果表明,与线性波浪相比,浅水非线性波作用下沙质海床中孔隙水压力幅值增大非常显著。     

Spatial and temporal variation process of seabed dynamic response induced by the internal solitary wave

Internal solitary wave(ISW) is often accompanied by huge energy transport, which will change the pore water pressure in the seabed. Based on the two-dimensional Biot consolidation theory, the excess pore water pressure in seabed was simulated, and the spatiotemporal distribution characteristics of excess pore water pressure was studied. As the parameters of both ISW and seabed can affect the excess pore water pressure, the distribution of pore water pressure showed both dissipation and phase lag...     

Numerical study on the interaction among a nonlinear wave,composite breakwater and sandy seabed

Most previous investigations related to composite breakwaters have focused on the wave forces acting on the structure itself from a hydrodynamic aspect. The foundational aspects of a composite breakwater under wave-induced cyclic loading are also important in studying the stability of a composite breakwater. In this study, numerical simulations were performed to investigate the wave-induced pore water pressure and flow changes inside the rubble mound of the composite breakwater and seabed foundation. The validity and applicability of the numerical model were demonstrated by comparing numerical results with existing experimental data. Moreover, the present model clearly has shown that the instantaneous directions of pore water flow motion inside the seabed induced by surface waves are in good agreement with the general wave-induced pore water flow inside the seabed. The model is further used to discuss the stability of a composite breakwater, i.e., the interaction among nonlinear waves, composite breakwater and seabed. Numerical results suggest that the stability of a composite breakwater is affected by not only downward shear flow generating on the seaward slope face of the rubble mound but, also, a high and dense pore water pressure gradient inside the rubble mound and seabed foundation.     

波浪作用下粉土海床中的孔压响应试验研究

海床在波浪作用下是否稳定对海底工程的安全至关重要,海床的稳定性与土体中的孔压响应密切相关。水槽模拟试验表明:在波浪的作用下,黄河三角洲粉土海床中将产生振荡孔隙水压力和累积孔隙水压力。振荡孔隙水压力大小与土层深度、波高和粘粒含量有关,其振幅(能量)在土层中随深度的增加呈指数衰减,且粘粒含量越高衰减越快;加载波高越大,能量衰减越快。而累积孔压响应模式表现为在波浪作用最初的一段时间内,孔隙水压力快速上升,然后逐渐减小而趋于稳定,其大小和速率也与波高、粘粒含量、土层埋深有关,粘粒含量越高,孔压累积速度越低。     

The numerical study of wave-induced pore water pressure response in highly permeable seabed

The coupling numerical model of wave interaction with porous medium is used to study waveinduced pore water pressure in high permeability seabed.In the model,the wave field solver is based on the two dimensional Reynolds-averaged Navier-Stokes(RANS) equations with a k-ε closure,and Forchheimer equations are adopted for flow within the porous media.By introducing a Velocity-Pressure Correction equation for the wave flow and porous flow,a highly efficient coupling between the two flows is implemented.The numerical tests are conducted to study the effects of seabed thickness,porosity,particle size and intrinsic permeability coefficient on regular wave and solitary wave-induced pore water pressure response.The results indicate that,as compared with regular wave-induced,solitary wave-induced pore water pressure has larger values and stronger action on seabed with different parameters.The results also clearly show the flow characteristics of pore water flow within seabed and water wave flow on seabed.The maximum pore water flow velocities within seabed under solitary wave action are higher than those under regular wave action.     

沙质岸坡上波浪传播变形及动力响应特性研究

波浪作用对水库岸坡稳定性有重要影响。为了解波浪在岸坡地形中的传播演变机制和孔隙水压力响应特性,在波浪水槽末端铺设长6 m、坡度1∶16的斜坡沙床进行试验。通过改变入射波浪参数,测量斜坡段各处波面形态,采集斜坡段不同位置处孔隙水压力,分析了波浪在沙质岸坡上浅水变形区域内波面变化特征、波能演变规律以及岸坡土体孔压特征。结果表明：随着入射波浪厄塞尔数的增大,波浪浅水变形更加明显,波形不对称性加剧,各阶谐波之间互相作用更加强烈;水深较大区域,岸坡渗透作用大于浅水变形作用,波高呈现减小趋势;浅水变形剧烈区,浅水变形作用大于岸坡渗透作用,波高呈现增大趋势,最终破碎;孔压随入射波高与波周期的增大而增大,岸坡不同位置处孔压沿深度衰减速率和随波高增长速率均不同;岸坡孔压沿深度衰减速率与入射波周期呈现出正相关关系,与波高并无太大关系。