復(fù)式海堤越浪水體數(shù)值模擬研究

陳韜霄，王建良，鄭國誕，董偉良

（1.浙江省水利河口研究院（浙江省海洋規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院），浙江 杭州 310020；2.浙江省河口海岸重點(diǎn)試驗(yàn)室，浙江 杭州 310020；3.平湖市水文站（平湖市水旱災(zāi)害防御站），浙江 平湖 310020）

1 問題的提出

調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，越浪是造成海堤破壞的一個(gè)重要原因[1]，特別是超標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)暴潮災(zāi)害中，越浪量過大是海堤潰決的主因。波浪大量越過堤頂，沖擊堤頂和后坡，使海堤遭受破壞，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。在我國大部分海堤的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，允許越浪量作為主要安全控制指標(biāo)，但僅用越浪量描述造成海堤失穩(wěn)潰堤的原因并不全面。海堤堤頂及后坡失穩(wěn)，通常還應(yīng)考慮因越浪形成的堤頂及后坡越浪流及越浪水體沖擊力等因素。在堤頂和后坡護(hù)面穩(wěn)定性設(shè)計(jì)研究中，越浪流作用的方式、大小和位置對后坡穩(wěn)定非常重要。因此，開展海堤越浪水流特性研究具有十分重要的學(xué)術(shù)意義和工程應(yīng)用價(jià)值。

工程實(shí)踐中，越浪的研究方法通常有3種：一是經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，多用于海堤越浪量估算；二是波浪水槽斷面試驗(yàn)，可用于開展海堤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、越浪量、越浪壓強(qiáng)等研究[2-7]，但通常因場地、工況、比尺效應(yīng)等不同，有一定的制約因素；三是數(shù)值模擬計(jì)算。數(shù)值模擬計(jì)算的優(yōu)勢在于可組合多種工況，計(jì)算方便快捷等，常用方法包括淺水方程模型[8]、光滑粒子法模型（SPH）[9-10]及雷諾時(shí)均N-S方程模型[11]等。本文應(yīng)用Fluent軟件建立數(shù)值波浪水槽，開展復(fù)式海堤越浪水流特性研究，模擬越浪水體與海堤相互作用的過程及風(fēng)暴潮氣象條件下海堤越浪流計(jì)算分析。

2 Fluent數(shù)值模擬

2.1 模型建立

以浙江省溫臺地區(qū)常見的復(fù)式斜坡式海堤作為研究對象，模型斷面布置見圖1。應(yīng)用 Fluent軟件建立數(shù)值波浪水槽，模擬越頂水體與海堤的相互作用過程，計(jì)算分析風(fēng)暴潮災(zāi)害下海堤越浪流的特性。

圖1 模型斷面布置示意圖

2.2 控制方程及邊界處理

求解波浪與海堤相互作用的控制方程是非靜壓的雷諾平均Navier-Stokes方程：連續(xù)性方程：

動量方程：

式中：ui為流體速度，m/s；ρ為流體的密度，kg/m3；μ為流體粘度系數(shù)；p為壓力，kN；v為流體的運(yùn)動粘滯系數(shù)；Sij為平均應(yīng)變速率張量；ui′為速度脈動值；為雷諾應(yīng)力張量。引入一個(gè)渦粘度μt，將紊流中的雷諾應(yīng)力與流場中的時(shí)均流速梯度建立關(guān)系：

水氣交界面的追蹤采用VOF方法，可以跟蹤發(fā)生復(fù)雜變形的自由面，如在自由面上發(fā)生翻轉(zhuǎn)、吞并、飛濺等復(fù)雜現(xiàn)象。

數(shù)值水槽造波通過Fluent軟件中的用戶自定義函數(shù)UDF編程實(shí)現(xiàn)。

邊界造波方法，是指在波浪的入射邊界處給定波浪速度和波面高度表達(dá)式，從而生成波浪的一種方法。本文根據(jù)這一思路，將水池入口設(shè)置為波浪的起始位置，給出波浪邊界條件。針對入射波浪的特征，需選擇合適的波浪理論確定波浪場速度和波高的表達(dá)式，如基于二階斯托克斯波理論的水平方向波流合速度、垂向速度和水面波動公式如下：

式中：A為波浪波高，m；k為波數(shù)；h為靜水深，m；T為周期，s；ω=2π/T。公式（4）～（6）可通過Fluent的UDF，即自定義函數(shù)功能自行編寫程序?qū)懭搿?/p>

2.3 模型驗(yàn)證

通過前期波浪水槽斷面模型研究成果[12]進(jìn)行數(shù)值模擬驗(yàn)證，模擬了平臺水深（dh）0.1 m，波高（H）0.15 m時(shí)復(fù)式平臺的水動力過程（見圖2～3）。整體來看，數(shù)值模擬的水面和流速變化過程與物理試驗(yàn)結(jié)果較為接近，所建立的數(shù)值波浪水槽基本可用于復(fù)式平臺海堤的水動力研究。

圖2 迎潮面平臺各位置處水面過程比對圖

2.4 計(jì)算組次

為計(jì)算不同波高水位組合下的典型斷面越浪量以及越浪流速情況，本次針對不同水位下，不同組合的波高與水深比進(jìn)行計(jì)算。參考浙江省溫州市平陽縣的海堤結(jié)構(gòu)型式，設(shè)置消浪平臺高程為4.00 m，計(jì)算水位取值為5.50～7.00 m，每0.50 m作為一個(gè)水位間隔。通過風(fēng)暴潮位過程—波浪組合，設(shè)置相應(yīng)的波高繼續(xù)計(jì)算對比分析。計(jì)算工況見表1。

表1 Fluent數(shù)值模擬計(jì)算工況表

3 波浪與海堤作用過程模擬

平臺水深為0.10 m，波高為0.15 m時(shí)，一個(gè)波周期內(nèi)不同時(shí)刻波浪作用在海堤上的數(shù)值結(jié)果見圖4。由圖4可知，當(dāng)波浪在第一個(gè)斜坡上發(fā)生淺水變形并破碎，破碎水體傳播到平臺上，上一周期沒有越過堤頂?shù)乃w回落與來波在平臺外側(cè)相互作用后，再沿第二個(gè)斜坡爬升。波高越大，平臺上的水體越多，水體前段到達(dá)堤頂，猛烈沖擊擋浪墻，在擋浪墻前發(fā)生明顯的反射、破碎和漩渦等現(xiàn)象，部分水體翻越擋浪墻形成越浪現(xiàn)象。

圖4 不同時(shí)刻波浪與復(fù)式海堤作用過程圖（平臺水深0.10 m，波高0.15 m）

4 越浪流計(jì)算分析

越浪水體翻越擋浪墻后，受重力及慣性作用掉落堤頂，在堤頂、后坡形成具有一定厚度和流速的越浪流。在本次越浪水體研究中，以越浪水舌厚度和越浪流速來表征越浪強(qiáng)度。

4.1 越浪水舌厚度

海堤越浪量越大，直觀表現(xiàn)為翻越過海堤的水量越大。通過對不同波高及堤前水深工況進(jìn)行組合計(jì)算，結(jié)果見表2及圖5。從計(jì)算結(jié)果來看，堤頂和后坡各位置處的最高水位均隨著越浪量增大而升高，其中堤頂水位沿程變化不大，由于擋浪墻的阻擋作用，靠近擋浪墻側(cè)的水位稍高于其他位置；后坡處，距離堤頂越遠(yuǎn)，水舌厚度越?。坏添斊骄嗪穸入S著越浪量的增大而明顯增加。

圖5 越浪水舌厚度的變化圖

表2 堤頂、后坡越浪水舌厚度表

4.2 越浪流速

不同越浪量條件下，堤頂及后坡各位置的水平最大流速沿程分布情況見圖6。由圖6可知，隨著越浪量增大，堤頂最大流速也在增加，同時(shí)堤頂沿程最大流速的水平位置逐漸后移。隨著波高的增大，越浪量亦逐漸增大，堤頂最大流速水平位置向內(nèi)側(cè)偏移。此外，越浪水體本身還有向岸運(yùn)動的初始能量，所以大部分水體向靠岸側(cè)流動，水體在堤頂運(yùn)動時(shí)受堤頂摩擦阻力作用，隨著運(yùn)動距離的增加，水平流速不斷減小，直至運(yùn)動到后坡，流到海堤后側(cè)。從海堤后坡流速沿程分布情況看，越浪量越大，后坡流速也越大；受重力及慣性作用，后坡流速沿程逐漸增加。

圖6 堤頂及后坡流速沿程分布情況圖

越浪量與后坡最大流速的關(guān)系見圖7。從圖7中可以看出，隨著越浪量增大，后坡最大流速也在逐漸增大；當(dāng)越浪量較小時(shí)，流速隨越浪量增大較快；當(dāng)越浪量較大時(shí)，流速增速逐漸變緩；當(dāng)越浪量達(dá)到0.3 m3/（m·s）時(shí)，后坡最大流速基本可達(dá)8.5 m/s。根據(jù)幾組不規(guī)則波與規(guī)則波的計(jì)算比較，同等越浪量如果換成不規(guī)則波計(jì)算，后坡最大流速為不規(guī)則波的1.2～1.5倍，即10.2～12.7 m/s，達(dá)到潰堤流速閾值[1]，即海堤發(fā)生破壞。

圖7 越浪量與后坡最大流速關(guān)系圖

5 結(jié) 論

本文基于Fluent軟件建立數(shù)值波浪水槽，開展復(fù)式海堤越浪水體研究，模擬越浪水體與海堤相互作用的過程及風(fēng)暴潮氣象條件下海堤越浪流計(jì)算分析。主要結(jié)論如下：

（1）通過建立數(shù)值波浪水槽，復(fù)演波浪與海堤的相互作用過程，波浪通過淺水變形傳播至堤前，在擋浪墻前發(fā)生明顯的反射、破碎和漩渦等現(xiàn)象，部分水體翻越擋浪墻形成越浪。

（2）以越浪水舌厚度及流速為指標(biāo)，研究越浪水流特性。堤頂最高水位均隨著越浪量增大而升高，堤頂平均水舌厚度及流速隨著越浪量的增大而明顯增大，沿程最大流速水平位置逐漸后移。

（3）從后坡最大流速和越浪量的關(guān)系看，隨著越浪量增大，后坡最大流速也在逐漸增大；當(dāng)越浪量達(dá)到0.3 m3/（m·s）時(shí)，后坡最大流速可達(dá)8.5 m/s；不規(guī)則波計(jì)算條件下，后坡最大流速達(dá)10.2～12.7 m/s，達(dá)到潰堤流速閾值。