波浪作用下魚巢型護岸近側水體動力響應研究

摘要：魚巢型生態(tài)護岸可增加岸坡的穩(wěn)定性、抗沖性，并營造良好的河流生態(tài)景觀，是當下內河航道常用的護岸形式，而研究波浪作用下魚巢型護岸近側水體的動力響應，對護岸工程的設計優(yōu)化具有重要意義。通過數值模擬與水槽試驗相結合的方法，針對不同波況（波高、波角）下魚巢型護岸所受波浪沖擊的變化規(guī)律及其周邊水體的動壓及應力響應特征展開了研究。結果表明：波浪作用下，波高及波角的變化對護岸垂向動壓分布形態(tài)影響較??；不同波浪入射條件下，護岸側動壓峰值均出現(xiàn)在略低于靜水位處（Z=-0.05 m）；當入射波高較大時（H=0.10 m），護岸側的動壓整體變大，空腔處對波能的吸收更為明顯；入射波角的增大（β=45°）會引起波能分散，使坡面動壓峰值減弱。研究成果可為魚巢型護岸在內河航道防護中的應用提供理論參考。

關 鍵 詞：魚巢型護岸；波浪作用；動力響應；水槽試驗；數值模擬；內河航道

中圖法分類號：TV861

文獻標志碼：ADOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.10.030

0 引 言

波浪會加劇水流對護岸的沖蝕^［1］，甚至對護岸的穩(wěn)定性造成威脅。為降低波浪對護岸的沖擊，研究人員提出了一種帶有空腔結構的魚巢型生態(tài)護岸，它能夠防止水流和波浪對岸坡土體的沖蝕和掏刷，同時有利于保持河道生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性^［2-3］。然而，在魚巢型護岸建設初期或冬季植物未覆蓋護岸的情況下，魚巢砌塊可能裸露于水體中，此時波浪可直接作用于護岸砌塊上。因此研究波浪對無植物保護下魚巢型護岸的沖擊影響規(guī)律，對生態(tài)護岸工程的設計優(yōu)化具有指導意義。

目前，學者們關于魚巢砌塊的研究已取得了一定成果，研究主要針對施工工藝^［4-5］、經濟生態(tài)效益^［6-7］以及水流作用下的水動力特性開展。王興勇等^［8］通過物理試驗和數值計算，研究了魚巢磚的3種連接方式在不同主槽流速下的水力特性，指出水流作用下空腔內的流速最大值一般發(fā)生在正對來流的邊壁附近；蘇國青等^［9］通過三維數值模擬，研究砌塊在不同河流流速下的水力特性，指出砌塊腔體內部的最大紊動能隨主流流速的增大而增大；Liu等^［10］基于水槽試驗，分析改良魚巢磚結構周圍的流場數據，在結構空腔發(fā)現(xiàn)了較大的再循環(huán)區(qū)；葉昆河等^［11］通過物理模型試驗及數值模型，研究了不同開孔數量的魚巢砌塊的水力特性，指出砌塊內部的水力特性與開孔數量有關。楊吉等^［12］基于三維水動力數值模型，發(fā)現(xiàn)魚巢腔內部的時均流速和紊動均處于較低水平。以上研究為水流條件下優(yōu)化魚巢砌塊結構奠定了理論基礎。然而，在有船舶通行的航道中，除水流外，波浪（如船行波等）也對護岸的穩(wěn)定和耐久性有重要影響。因此，如何進一步完善魚巢型護岸結構以抵御波浪的沖擊作用，對內河航道的防護有重要意義。

前人已對波浪作用下護岸的穩(wěn)定性進行了研究，并采用VOF方法對波浪作用下護岸結構的動力響應進行了模擬^［13-14］。然而，此前的研究多圍繞傳統(tǒng)型護岸開展，對波浪作用下魚巢型護岸抗沖性能的研究仍不多見，魚巢型護岸近側水域的動力響應機制和效應更有待進一步明確。因此，本文以帶有空腔結構的魚巢型護岸及其周邊水體為研究對象，采用VOF方法建立三維數值模型，探究不同波況（波高、波角）下魚巢型護岸所受波浪沖擊的變化規(guī)律、近側水體的動壓及應力響應特征，以為魚巢型砌塊的結構設計提出優(yōu)化方案。

1 水槽試驗

邕江屬郁江下游干流段水系，位于廣西南寧市境內；河長約133.8 km，流域面積6 120 km²，正常水位寬300～400 m，河床高程53～60 m，屬于寬淺型河道，河道兩側修建有大量帶有空腔結構的魚巢型護岸。

1.1 試驗裝置

試驗所采用的魚巢砌塊如圖1（a）所示，砌塊尺寸為0.4 m×0.1 m×0.1 m（長×寬×高）。如圖1（b）所示，魚巢砌塊前部設置四周傾斜條帶結構，條帶結構上均勻設置凸粒，砌塊中部為空腔結構。試驗使用的波浪水槽尺寸為9.6 m×0.8 m×1.0 m（長×寬×高，圖2），水槽的頭部設有推板式造波機，尾部設有吸能消波網。在本次試驗中，由于波高較小，試驗水槽側邊的邊界效應對試驗結果造成的影響可以忽略不計^［15-16］。

1.2 護岸塊體布置方式

試驗采用3種護岸塊體布置方式，如圖3所示。由于較為寬闊的航道環(huán)境中波浪對對岸的影響較小，故設置一組單側護岸試驗；當航道斷面較寬，船舶離岸距離較大時，波浪傳播到岸坡前已有較大衰減，故試驗中將護岸置于波浪水槽后側；除此之外，對狹窄航道，波浪可能會對對岸產生影響，因此設置一組雙側護岸試驗。

1.3 測量儀器

本次試驗使用電容式浪高儀測量波高，采用聲學多普勒流速儀（ADV）測量近岸流速，如圖4所示。5個波浪采集點安放浪高儀1～5，兩個流速測點分別安放ADV1和ADV2。各種護岸塊體布置方式下的浪高儀和ADV的擺放位置如表1所列。其中，波浪運動方向為x，波浪入口為x=0 m，波浪出口為x=9.6 m；水槽寬度方向為y，y=0.4 m位于水槽中心線。試驗過程中，同步測量流速和波高，測量周期涵蓋波浪產生、傳播和耗散的整個過程。

1.4 試驗工況

為分析魚巢型護岸近側水體的動力響應，試驗比尺確定為1∶25。由于實際河道中波浪的受控因素較多，為系統(tǒng)研究波浪對護岸近側水體的動力響應特性，選擇代表性的波浪波高和傳播方向進行分析^［17］。試驗選用的波長L為2.00 m；水深d為0.3，0.4 m；波周期T為1.23，1.32 s；波高H為0.06，0.08，0.10 m。上述參數分別與3種護岸塊體布置方式組合，形成18組試驗工況（表2）。

2 數值模型

2.1 數值模型構建

數值計算主要采用VOF方法對波浪運動進行模擬，該方法用于處理互不相溶的兩相或多相流問題時，能夠精細地確定運動界面的位置、形狀和變形方向，達到追蹤界面運動的目的^［18］。數值模型的控制方程采用以速度和壓力為變量的不可壓黏性流體質量守恒方程和Navier-Stokes方程。運用k-ω SST湍流模型和SIMPLE算法對水流的壓力和速度進行耦合計算。水的密度為998.2 kg/m³，黏度為0.001 003 kg/（m·s）。數值模型的進口采用速度入口邊界，出口采用壓力出口邊界，底部和側面采用無滑移壁面邊界。

2.2 數值模型驗證

本文通過水槽試驗獲得的實測數據對數值模型進行驗證。圖5為工況E1下波浪穩(wěn)定后的波高模擬值與試驗值對比情況，結果顯示護岸前后測點的模擬值與試驗值吻合較好。其他工況的波高模擬值與試驗值也較為接近，僅工況E7下浪高儀5處的模擬值存在π/16的相位延遲，但總體誤差小于5%。總體上，模擬值與試驗值吻合較好，證實數值模型能較好地反映出對應工況下波浪的運動特征。

2.3 三維數值模型觀測點設置

為詳細研究波浪作用下護岸近側水體的水動力響應，在護岸前部區(qū)域布置4個測點，如圖6所示。其中，MP1位于靜水位。波高方向為z，MP1位于z=0.4 m處。其他各點在垂向上等間距布置，Δz=0.1 m。同時，為便于后續(xù)分析，以t=3T/4時刻的波形為參照，設置了15個觀測點（圖7）。其中，1～6號、15號均位于護岸前部，7～12號位于波峰下方，13～14號位于護岸尾部。特別地，5號、7號、9號、11號、14號位于砌塊的凸起條帶結構上，而1～4號則位于各條帶結構的的凸粒上。6號、8號、10號、12號、13號位于砌塊空腔處。

考慮到實際中的波浪條件，選用的計算工況為：H取0.06，0.08，0.10 m；入射波角β取0°，15°，30°，45°（表3）。

3 結果與分析

3.1 流速分析

圖8為t在30～40 s時，不同入射波高（S1～S3）及波角（S2、S4～S6）下，護岸前部MP3測點處流速隨時間變化曲線。MP3測點處峰值流速的平均值依次為0.020，0.021，0.026 m/s，不同入射波角下MP3處峰值流速的平均值依次為0.021，0.020，0.018，0.014 m/s。MP3及其他測點的流速變化表明：測點處峰值流速隨著入射波高增加而增大，隨著入射波角的增加而減小。

圖9為t=3T/4時，工況S3的坡面速度流場圖?？梢钥闯觯拥郎喜克魉俣茸兓秶鸀?.3～0.6 m/s，下部水流速度變化范圍為0～0.2 m/s。因此，護岸空腔內推薦種植可適應于第三級中速流^［19］的植物，如毛莨屬、小眼子菜、薄網蘚、依樂藻、水馬齒等，以增強護岸的抗沖性。此外，從圖中還可以看出，護塊單元鉸合處條帶狀凸粒結構區(qū)域上的流速極低，表明凸?？捎行鳒p水流流速。波浪拍擊岸坡后，水流被砌塊兩側的條帶凸起結構引導，在坡頂區(qū)域形成一系列小尺度環(huán)流，導致坡頂部易受到波浪影響，應注意該區(qū)域的沖刷防護。

3.2 應力分析

局部應力集中可能會引起砌塊疲勞損壞，進而影響邊坡穩(wěn)定性。圖10為工況S3下（H=0.10 m）護岸坡面正應力分布?？梢钥吹剑瑮l形結構區(qū)域（5，7，9，11，14號觀測點）所受應力相對較大。其他工況下也表現(xiàn)出相似的的應力分布特征。

田樹海等^［20］指出，波浪進入腔體后，會受到腔體豎縫及腔體邊壁的控制，水體流動由振蕩流發(fā)展為邊界層紊流，能量由低頻向高頻轉化。當波浪沖擊帶腔體結構時，可能會導致護岸腔體產生應力集中現(xiàn)象，加劇結構的變形和破壞。因此，腔體區(qū)域的應力分布也是應力分析的重點之一。圖11為工況S1～S6在t=3T/4時腔體最大正應力垂向分布曲線?？梢钥闯?，波浪作用下，腔體所受的正應力隨入水深度的增大而減小。相同位置處，腔體最大正應力隨入射波高的增加而增大，隨入射波角的增大而減小。

3.3 動壓分析

圖12為t=3T/4時，工況S3下的護岸坡面動壓分布。坡面動壓最大值出現(xiàn)在15號觀測點處，為50.52 Pa。護岸近水面處所受的動壓較大，尤其是前段條帶凸起和空腔結構處。因此可考慮將護岸前部條帶結構材料置換為阻尼材料（如橡膠），并在空腔中提高植物種植密度，從而達到吸收沖擊能量，提高護岸抗沖性能的目的。

圖13為工況S1～S6在t=3T/4時護岸坡面動壓垂向分布曲線，在Z取-0.4～-0.2 m范圍內，波高和波角的變化引起的動壓變化較??；而當Z為-0.2～0 m時，動壓隨波浪條件變化明顯。但各波浪入射條件下坡面動壓總體分布形態(tài)保持相似，呈拋物線分布，這與許凡等^［21］所給出的結論一致，也符合Minikin^［22］和Kirkgoz^［23］的理論結果。動壓峰值均出現(xiàn)在略低于靜水位處（Z=-0.05 m），符合 Bullock 等^［24］研究得出的結論。

在圖13（a）中，隨著入射波高增加，護岸坡面所受動壓也隨之增大，當H=0.10 m時，坡面動壓達到最大，在Z取-0.2，-0.3 m處，由于空腔結構對波能的吸收，動壓值出現(xiàn)明顯下降；而在圖13（b）中，隨著入射波角增大，坡面動壓逐漸減小，當β=45°時，坡面動壓達到最小。值得注意的是，在數值模擬過程中波浪并未破碎，但在實際航道中可能存在波浪破碎情況，對護岸產生更大的沖擊，造成局部破壞。為此，在護岸設計過程中需考慮護岸在這種極端情況下的抗沖擊能力。

4 結 論

（1）波浪對魚巢型護岸的沖擊作用與入射波要素密切相關；波浪以較大波高（H=0.10 m）入射時，護岸空腔處會出現(xiàn)較明顯的波能吸收情況，從而降低其附近因波浪引起的動壓值；波浪以較大角度（β=45°）入射時，坡面所受動壓減小。

（2）波浪作用下，波高及波角的改變對垂向動壓分布形態(tài)的影響較小，坡面動力峰值均出現(xiàn)在略低于靜水位處（Z=-0.05 m）。

（3）魚巢型護岸前部的條帶結構可適當加寬，并可將其制作材料置換為阻尼材料（如橡膠），以增強砌塊的耐久性和抗沖蝕能力。

限于本文篇幅，未對水深、波周期、護岸傾斜度等因素的影響進行深入討論，而在有植物保護的魚巢型護岸中，植物密度也是影響波浪在護岸近側水域傳播的重要因素，作者將在后續(xù)的試驗和固液耦合波浪數值模型研究中進行詳細探討。

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（編輯：胡旭東）

Study on dynamic response of waters near fish-nest revetment under wave actionYING Hangtong¹，JIANG Mingtao^{1，2，3}，ZHANG Yuanjiao^2，4，LIN Xirong⁵，CHEN Yi⁵

（1.School of Mechanics and Engineering Science，Shanghai University，Shanghai 200400，China； 2.Marine Ecological Restoration and Smart Ocean Engineering Research Center of Hebei Province，Qinhuangdao 066000，China； 3.Nanyang Environment and Water Research Institute，Nanyang Technological University，Singapore 639798； 4.The Eighth Geological Brigade，Hebei Bureau of Geology and Mineral Resources Exploration，Qinhuangdao 066000，China； 5.Wuzhou Waterway Maintenance Center of Guangxi Zhuang Autonomous Region，Wuzhou 543002，China）

Abstract： The fish-nest ecological revetment，a commonly used revetment form in the current inland waterway，can increase stability and anti-scourability of bank slopes and create well ecological landscape for rivers.So it is of great significance to study the dynamic response of waters near the fish-nest revetment under wave action for the design optimization of revetment engineering.Through the combination of numerical simulation and flume experiments，the variation law of wave impact on fish-nest revetment and the dynamic pressure and stress response characteristics of surrounding waters under different wave conditions （wave height and wave angle） were studied.The results showed that the change of wave height and wave angle has little effect on the vertical dynamic pressure distribution of revetment under wave action.Under different wave incidence conditions，the peak value of dynamic pressure on the revetment side appeared at areas slightly lower than the static water level （Z=-0.05 m）；when the incident wave height was large （H=0.10 m），the dynamic pressure on the revetment side became larger as a whole，and absorption of wave energy by the cavity was more obvious.The increase of incident wave angle （β=45°） would cause wave energy dispersion and weaken the peak value of dynamic pressure on the slope.The research results can provide theoretical reference for the application of fish-nest revetment in inland waterway protections.

Key words： fish-nest revetment；wave action；dynamic response；flume experiment；numerical simulation；inland waterway