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.     

T型防波堤与波浪相互作用数值研究

针对T型透空式防波堤,通过浪高仪采集防波堤前后不同位置波面变化曲线,使用声学多普勒流速仪(NDV)测量不同位置流速随时间的变化,并分析了其相位平均流速的分布。基于VOF法的二维波浪数值水槽,对规则波作用下T型防波堤附近的动力特性进行了计算,水槽模型试验结果和数值模拟结果对比表明,数值计算结果与实验值吻合较好。采用该模型进一步对T型防波堤附近波浪场、流线、紊动动能、紊动动能耗散率变化以及不同尺寸的防波堤消浪效果进行模拟计算,重点分析了入射波高、防波堤入水深度和防波堤宽度变化的影响。     

基于与环境相协调的韧性海岸工程建设策略

对于海岸工程所遇到的自然灾害,仅以加大结构尺度与结构强度的传统方法应对是不可取的。改变传统理念,通过改善工程与环境的关系,提高工程韧性是较合理的选择。韧性海岸工程以工程系统与环境相协调,具有吸收和适应自然力、灾害情况下维持其功能以及灾后可快速恢复的能力为特征。针对港口工程、海岸及港口防护工程建设提出了韧性工程实施策略及方法。以韧性工程理念对港口规划与平面布置、复杂环境下的码头结构及航道工程设计提出优化原则与方案。海岸及港口防护工程可采用多重防护、吸收性防护、变形型防护及生态型防护等类型,以改善工程与环境的适应性,增强工程韧性。     

Three-dimensional analysis of wave attenuation by a submerged, horizontal, bottom-mounted, flexible shell

The effectiveness of a submerged, bottom-mounted, flexible breakwater is investigated numerically. The structure is a horizontal, hemicylindrical shell filled with water. Potential flow is considered, and steady-state motions caused by monochromatic waves are studied. The three-dimensional response to normal and oblique waves is determined using the finite element method and a boundary integral method. Results are presented for a shell with a length of 150 m and a radius of 4 m, situated in water having a mean depth of 6 m. They indicate that the structure is effective in reducing the incident wave intensity over a wide range of frequencies.     

中长周期波作用下的斜坡堤胸墙波浪力试验研究

在印度洋、大西洋沿岸,海岸工程设计波浪周期多在14 s以上,具有显著的中长周期波特征。通过以往工程项目的试验结果发现中长周期波下,规范计算的斜坡堤胸墙波浪力明显小于试验结果。因此,通过系列物理模型试验研究了中长周期波下的斜坡堤胸墙波浪力。分析斜坡坡度、肩台宽度和波浪条件对胸墙波浪力的影响。通过将试验结果与我国现有规范中的经验公式计算所得结果进行对比,发现规范更适用于胸墙底淹没的情况,而对于肩台出水情况,规范计算结果小于试验结果。由此提出了一种新的波浪力计算方法,计算准确度得到明显提高。     

倒T型导管墙桩基防波堤桩基土抗力及稳定性简化计算方法

倒T型导管墙桩基防波堤作为新型港工结构,主要依靠桩基和自身重力维持稳定。以天津港水文地质条件为算例,建立三维弹塑性有限元模型,通过荷载-位移关系曲线,确定稳定性安全系数。分析极限状态下桩基沿环向与竖向的土压力分布,得出桩侧极限水平土抗力,并将有限元结果与美国规范API土抗力计算方法进行比较。造成防波堤结构失稳的原因主要有两个,即结构自身无法满足强度要求和土体达到极限。结构自身强度达到极限时,可用p-y曲线有限差分迭代法求取安全系数;土体达到破坏极限时,可分别假定转动点位于桩轴线上和偏离桩轴线两种情况,利用极限平衡法,建立抗倾稳定性简化计算方法。经验证,理论方法得到的稳定性安全系数与有限元结果比较接近。     

波浪周期对防波堤护面块体稳定性影响的试验分析

波浪对斜坡堤护面结构的冲刷破坏作用受诸多因素的影响,如波浪要素、水深条件、坡面角度、护面块体型式等。在进行某项有关斜坡堤护面块体的课题研究中发现,当防波堤断面结构确定后,护面人工块体的稳定性主要取决于波高及波周期的变化。在进行这方面内容设计计算中,通常波高的取值都能给予足够的重视,但波周期对护面块体稳定性的影响容易被忽视。本研究通过物理模型试验,针对波浪周期对斜坡堤护面块体稳定性的影响进行了总结分析,为防波堤设计提供参考。     

波浪作用下曲面防波堤水力特性及波能损耗研究

执行了一系列规则波与曲面防波堤相互作用实验。采用π定理确定了两种曲面防波堤(半圆堤和圆弧堤)反射透射水力特性的三个主要影响因素,包括入射波陡、相对水深和堤顶相对超高。基于实验数据对比分析了两种曲面防波堤的反射和透射特性,从能量守恒角度计算了波浪与曲面防波堤相互作用过程中的能量损耗率,并利用数值模拟探讨了波浪越堤过程中两种曲面防波堤波能损耗差异的机理,表明圆弧堤背浪面更强的尾涡区使得其局部能耗总体上高于半圆堤。     

福建崇武半月湾渔港防波堤建成后下游海滩地形变化及养护对策研究

渔港硬式构筑物如防波堤等对海岸的影响显著。以福建泉州崇武半月湾渔港防波堤修建前后的海滩变化为例,通过对2003²011年不同阶段海滩地貌形态、岸线变化分析以及2个海滩剖面多期监测比较发现,防波堤修建后海湾下游西侧海滩发生显著蚀退,西端侵蚀强度最大,向东(靠近防波堤遮蔽段)逐渐减小,中东部遮蔽段转为淤涨。海滩变化的主要原因:1)E2011年不同阶段海滩地貌形态、岸线变化分析以及2个海滩剖面多期监测比较发现,防波堤修建后海湾下游西侧海滩发生显著蚀退,西端侵蚀强度最大,向东(靠近防波堤遮蔽段)逐渐减小,中东部遮蔽段转为淤涨。海滩变化的主要原因:1)E^SE向主入射波浪受到防波堤的阻挡作用,在堤头发生绕射,港内波影区动力变弱;2)防波堤阻碍了从东向西的沿岸流运动,形成东向为主的沿岸输沙,使得东端发生堆积,造成下游的西侧海岸的沉积物亏损,发生侵蚀。针对海岸变化机理提出了海滩养护防御措施,并通过数值模拟预测说明养护海滩以由西向东输沙为主,年均输沙量约3万m3,堆积于遮蔽段,最后,提出采用周期性抽取遮蔽段养护沙补充到西端的方法来实现海滩循环养护。     

一种施工期间堤防稳定性分析方法

在Hilf分析法的基础上,对Hilf分析法进行了改进。将孔隙气压力和孔隙水压力作为独立变量,推导了孔隙气压和孔隙水压计算表达式。给出了考虑强度随孔隙气压和孔隙水压力变化的填土堤防强度随固结度增加而增长的饱和土堤防稳定性分析方法。计算结果表明随着基质吸力的增加,计算所得的稳定安全系数随之增加,忽略孔隙气压的作用所得的软土堤防的稳定安全系数偏大。当 等于 时,孔隙气压对抗剪力没有影响,此时计算所得的安全系数相同。因此施工期间软土地区堤防既要考虑孔隙气压和孔隙水压对堤防稳定性的影响,同时也要考虑地基固结提高对堤防稳定性的影响