新型反弧式海塘擋墻結構越浪效果數值模擬研究

摘 要：傳統(tǒng)直立和斜坡式海塘擋墻結構在強降雨或極端風暴潮條件下難以有效阻止潮水快速爬升，對岸線建筑物及人群產生一定安全隱患。該文通過數值模擬設置不同水位高度，研究不同沖擊水流流速對新型反弧式海塘擋墻結構越浪效果的影響，以評價新型海塘擋墻的越浪效果。研究結果表明，新型反弧式海塘擋墻結構在不同水流流速下的越浪效果均優(yōu)于傳統(tǒng)海塘擋墻結構，新型反弧式海塘結構具有明顯導流、減能的作用。

關鍵詞：新型反弧式海塘擋墻；越浪效果；數值模擬；壓強特征；水流流速

中圖分類號：TV139.2 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）29-0015-06

Abstract： Under the condition of heavy rainfall or extreme storm tide， the traditional vertical and sloping seawall structure fail to effectively prevent the tide from climbing rapidly， resulting in certain safety risks to shoreline buildings and people. In this paper， different water level heights are set by numerical simulation to study the influence of different impact flow velocity on the wave-crossing effect of the new anti-arc seawall structure， in order to evaluate the wave-crossing effect of the new seawall. The results show that the wave surging effect of the new anti-arc seawall structure is better than that of the traditional seawall structure under different flow velocity， and the new anti-arc seawall structure has obvious effect of diversion and energy reduction.

Keywords： new anti-arc seawall; wave surging effect; numerical simulation; pressure characteristics; flow velocity

海塘是防御風暴潮（洪水）和波浪對保護區(qū)的危害而修筑的堤防工程。目前我國已建成海堤總長度約14 500萬km，超過全國大陸岸線總長度的80%，修建海塘能有效提高沿海城市的防災減災能力。在臺風期間，風暴潮導致水面上升，使得傳統(tǒng)海塘堤頂高度減小，轉變?yōu)榈晚斀Y構，無法有效阻止越浪[1]。傳統(tǒng)的海塘護面結構多為直立式或斜坡式，護面結構光滑，很難在強潮涌或強浪沖擊等復雜環(huán)境中保持結構穩(wěn)定，據數據統(tǒng)計顯示，近年來已有100多人因潮水失去生命[2]，但同時由于潮涌具有潮流強勁、潮線獨特等特點，又為旅游經濟發(fā)展帶來巨大效益[3]。因此，結合國內潮涌特點及海塘擋墻結構安全需求，研發(fā)新型海塘護面結構形式，對經濟發(fā)展，人民生命安全具有重要意義。

基于海塘結構性能重要性，眾多學者針對新型海塘護坡結構性能的研發(fā)開展了廣泛的研究，郭科等[4]和謝世楞[5]通過模型試驗和實際工程設計，研究了半圓形海塘擋墻結構特性以及物理參數對其消浪特性的影響；李健等[6]通過物理模型動床試驗觀察新型生態(tài)護坡結構防護效果；匡義等[7]基于Flow-3D對新型生態(tài)護坡進行了模型模擬研究；王遠明等[8]通過室內大型水槽試驗研究了石籠網墊護坡結構的抗沖刷性能。盡管大多數學者對新型護坡結構的研發(fā)研究都考慮了生態(tài)要求[9-10]，但是較少同時考慮觀潮、經濟和安全的需求對新型護面結構進行研究。本文基于浙江省海塘安瀾實際工程，對新型反弧式海塘擋墻結構開展數值模擬研究，并對護面壓強分布特征進行分析，以期為海塘擋墻工程應用提供新思考。

1 工程應用背景及數值模型

1.1 工程背景

本文基于浙江省海塘安瀾某標段提標加固工程，工程包括原有海塘加固、新式海塘建設等。新建海塘結構形式為反弧式，如圖1所示。新型反弧式海塘護面結構在傳統(tǒng)斜坡式海塘結構基礎上，將原直線型護面改成反弧式曲面，其中迎潮面坡度比為1∶0.35，背潮面為半徑0.2 m的反弧曲面，新型反弧式護面結構如圖1（b）所示。

1.2 數值模擬基本方程

數值模型建立前首先要確定其控制方程，三維水動力模型是水體流動的完整過程，紊流模型采用k-ε模型，連續(xù)方程如式（1）所示，水動力方程如式（2）—（4）所示。

式中：u、v、w分別為x、y、z方向流速；vh、vt分別為水平方向和垂向紊動黏性系數；ρ為密度；p為壓強；fx、fy、fz分別為x、y、z方向的體積力分量；k為紊動動能；ε為紊動動能耗散率。

圖2為新型反弧式海塘擋墻結構模型示意圖。新型反弧式海堤護面結構工作時，迎潮面反弧曲面結構可以引導波浪改變運動方向，一方面可以有效消減水流沖擊力，起到一定消浪作用；另一方面使水流由向上向外流動變?yōu)橄蛏舷騼攘鲃樱瑳_擊波浪由反弧曲面向上拋回河流中。這樣既能減少波浪越浪量，防止潮水對觀潮者造成生命財產損失，同時又增強了潮水觀賞性。

1.3 FLOW-3D可靠性驗證

FLOW-3D可靠性驗證使用Rajaratnam和Chamani（1995）試驗數據，如圖3所示，結構塊高0.62 m，長0.7 m，結構塊上來流0.24 m，渠道長2.0 m，對比分析下游水流特性。

水流密度1 000 kg/m3，不可壓縮，自由表面，網格尺寸0.02 m，紊流模型采用k-ε模型，模擬結果如圖4所示。

能量計算斷面及能量計算斷面如圖5所示。

通過表1可知，絕對平均相對誤差6.7%，說明FLOW-3D計算結果可靠。

2 海塘護面結構越浪效果數值模擬

使用Flow-3D軟件[11-12]按工程實際尺寸對新型反弧式海塘擋墻的越浪效果進行建模分析，構建的海塘擋墻結構數值計算模型長3.26 m，寬6.2 m，高3.2 m，計算區(qū)域尺寸為長22 m，寬6.2 m，高8.5 m，設定y方向為水流流動方向，z=0 m是水槽地面。為保證計算準確性，將數值水槽劃分為5個部分，海塘擋墻結構模擬部分采用邊長為0.3 m的細密網格劃分，計算時間為8 s，計算步長為1e-07 s。

根據數值模擬情況，通過控制上游水位高度，產生不同沖擊浪流速對新型海塘擋墻結構越浪效果進行模擬研究。選取6、7、8 m為3個上游數值水槽水位高度下泄產生的沖擊浪模擬海塘擋墻在低流速、中流速、高流速狀態(tài)下的消浪效果，流量監(jiān)測設置在擋墻頂部中間位置，并與傳統(tǒng)斜坡式擋墻在相同模型尺度及相同模擬設置下進行對比研究。

2.1 低流速下不同海塘擋墻結構越浪效果對比

通過設置水槽數值為6 m的上游水位產生1.555 m/s的較低流速沖擊水流，沖擊水流在海塘擋墻上的水流形態(tài)及湍流動能如圖6所示。其中，圖6（a）為新型海塘擋墻結構的水流沖擊形態(tài)，可以看出由于反弧式護面將水流沖擊方向改變，使得水流拋回，經海堤斷面流量監(jiān)測在較低流速情況下反弧式海塘越浪量為0。從圖6（b）可以看出，傳統(tǒng)海塘擋墻結構的低流速水流沖擊時的水流形態(tài)，傳統(tǒng)直線形擋墻在面對上游來水時未能有效遏制水流的快速爬升，導致沖擊波浪在堤頂溢出，通過在堤頂位置設置的監(jiān)測斷面測量得到的越浪量為89.23 m3。與傳統(tǒng)直線型海塘擋墻相比之下，在低速水流條件下，采用新型反弧式海塘擋墻結構形式的防浪效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)直線型海塘擋墻結構。

2.2 中等流速下不同海塘擋墻結構越浪效果對比

通過設置水槽數值為7 m的上游水位產生2.534 m/s的中等流速的沖擊水流，其沖擊水流在海塘擋墻上瞬時水流形態(tài)特征如圖7所示。從圖7（a）中可以看出，在中等流速水流沖擊下，反弧式海塘擋墻結構由于曲面將大部分水流引回來水方向，經過擋墻頂點斷面水流通量監(jiān)測，新型反弧式海塘擋墻堤頂出現少量越浪，越浪量為21.34 m3。從圖7（b）中可以看出，在中等流速狀態(tài)下，傳統(tǒng)海塘擋墻波浪爬高以及越浪量進一步增加，斷面流量監(jiān)測得到傳統(tǒng)海塘擋墻越浪量為281.34 m3。對比兩者消浪效果，在中等流速狀態(tài)下，新型反弧式擋墻結構的防浪效果相對于傳統(tǒng)海塘擋墻結構進一步增強，新型反弧式海塘擋墻結構在中等流速狀態(tài)由于越浪量較小，因此游客可以在保證安全的情況下觀賞到更宏偉的潮涌波浪。

2.3 高流速下不同海塘擋墻結構越浪效果對比

通過設置水槽數值為8 m的上游水位產生3.906 m/s的較高流速的沖擊水流，其沖擊水流在海塘擋墻結構的瞬時水流形態(tài)特征如圖8所示。從圖8（a）中可以看出，當沖擊水流較高時，新型反弧式海塘擋墻結構能夠有效將水流流向改變，將部分沖擊水流拋回，但是由于流速較高，此時堤頂會出現部分越浪，通過斷面流量監(jiān)測越浪量為98.56 m3。從圖8（b）中可以看出，在較高沖擊水流作用下，傳統(tǒng)海塘擋墻上出現較大越浪，通過斷面流量監(jiān)測越浪量為1 102.74 m3，此時極易出現漫堤甚至潰堤，安全風險較高。在較高水流沖擊下傳統(tǒng)海塘擋墻與新型反弧式海塘擋墻越浪效果相比，可以看出新型反弧式海塘越浪效果明顯，新型反弧式海塘擋墻在高流速水流沖擊下由于越浪量不高，只需要設置好安全觀景距離，即可在保證安全的情況下觀潮，而傳統(tǒng)海塘此時風險程度較高，需要做好相應應急措施。

不同海塘結構的越浪量匯總見表2。通過比較沖擊水流在低、中、高流速時不同擋墻結構的水流形態(tài)可以看出，與傳統(tǒng)海塘擋墻結構相比，新型反弧式海塘擋墻由于其弧面結構通過引導涌浪返回來水方向，有效減小越浪量，達到更高的防浪效果，而且沖擊水流流速越大，新型反弧式海塘結構的防浪效果越顯著。

3 海塘擋墻結構壓強分布特征

3.1 水平方向壓強分布特征及水流特征

高速水流沖擊狀態(tài)下傳統(tǒng)海塘擋墻結構和新型海塘擋墻結構在z=2.6 m高度處x-y斷面典型壓強分布如圖9所示，從圖中可以看出在高流速沖擊下，無論是傳統(tǒng)海塘擋墻還是新型海塘擋墻具有較強的壓強分布。從圖9（a）中可以看出，在高流速水流沖擊下，新型海塘擋墻結構水流特征由于反弧型擋墻護面將水流有效導回，與傳統(tǒng)海塘擋墻相比，弧形護面內壓強顯著增加，起到了消減水流能量的作用。從圖9（b）中可以看出，高流速水流沖擊下，傳統(tǒng)海塘擋墻上壓強分布較為均勻，無法有效消減護面上的水流能量。同時由于傳統(tǒng)海塘擋墻結構坡面光滑平整，無法有效將沖擊水流導回，水流特征也無明顯變化。

3.2 垂直方向壓強分布特征

通過選擇研究高水流沖擊狀態(tài)下傳統(tǒng)海塘和新型海塘護面結構在y-z斷面上的壓強分布，來分析新型海塘擋墻結構垂直方向上的壓強分布特征。如圖10所示，為進一步了解不同沖擊水流流速對海塘擋墻的影響，選取海塘護面堤腳、海塘護面中間以及海塘堤頂處為垂直壓強監(jiān)測點，沖擊浪流速為低（1.555 m/s）、中（2.534 m/s）、高流速（3.906 m/s）在海塘擋墻不同位置的壓強見表3。

由圖10與表3綜合可知，位置1（海塘護面堤腳），在高流速水流沖擊條件下，傳統(tǒng)與新型反弧式曲面的海塘護面結構受到的水流沖刷強度相近。在中、低流速水流沖擊條件下，傳統(tǒng)海塘護面結構在海塘堤腳處壓強略高于新型海塘護面結構。位置2（海塘護面中部），在中、低水流流速沖擊作用下，新型反弧式海塘護面結構受壓壓強明顯高于傳統(tǒng)海塘護面結構，這是由于新型反弧式海塘的曲弧結構引起沖擊水流方向改變，從而導致涌浪在護面上相互碰撞，導致對新型海塘結構護面產生更大的作用力。在高流速水流沖擊條件時，新型反弧式海塘護面結構所受壓強反而明顯小于傳統(tǒng)海塘護面，這是因為水流流速較快，新型海塘護面結構由于其反弧曲面結構快速將沖擊水流導回來水方向，減小了沖擊水流對護面的沖擊強度，而傳統(tǒng)海塘由于護面結構光滑導致在高流速水流沖擊下無法削減水流沖擊強度。位置3（海塘堤頂），在高、中、低流速水流沖擊條件下，新型海塘護面結構所受的壓強均小于傳統(tǒng)海塘護面結構，說明其弧面及上部垂直結構能夠有效引導、改變沖擊水流流向，起到較為明顯的導流、減壓作用，同時水流流速越高，新型反弧式海塘護面消能效果越明顯。

4 結論

本文基于浙江省海塘安瀾工程，對新型海塘護面結構進行數值模擬。按實際工程海塘結構比例構建數值模型，通過設置不同上游蓄水水位，制造低、中及高流水水流沖擊海塘模型，與傳統(tǒng)海塘結構護面對比分析二者消浪效果以及沖擊水流對海塘護面結構的壓強分布特征，得到以下結論：低、中、高水流流速沖擊下海塘擋墻數值模擬消浪效果對比表明新型反弧式海塘具有更明顯的消浪效果；較高水流流速沖擊下海塘護面結構水平壓強分布特征對比分析表明，新型反弧式海塘護面結構具有明顯改變水流流向，削減水流沖擊強度的優(yōu)勢；低、中、高水流流速沖擊下的海塘護面結構垂直壓強分布特征對比分析表明，中、低流速下，新型反弧式海塘護面結構中部所受壓強高于傳統(tǒng)海塘護面結構中部，高流速水流沖擊時，新型反弧式海塘結構具有明顯導流、減能作用。模擬成果初步驗證了新型反弧式海塘結構的可行性和優(yōu)勢，后期還需進行水力試驗、結構優(yōu)化等方面研究。

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