允许越浪条件下海堤越浪量可靠度分析
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防洪堤的可靠性设计方法探讨目前堤防安全分析方法多为定值分析的方法。
长期实践证明是一种有效设计方法,但是该方法最大的缺点就是没有考虑实际存在的不确定性因素(包括荷载效应和抗力等不确定性)的影响。
特别是对于堤防工程,堤身土质不均匀、堤基地质条件差以及我国现有的堤防多为历史上多次修建、破坏、再修复加固而逐渐形成的因素,导致堤防土层分布及土工参数变异性大,存在很大的不确定性,这就使得堤防的安全评价方法得到安全系数的大小但并不能完全确切地表征工程的安全程度。
本文主要对防洪堤的可靠性设计方法进行分析探讨。
标签:防洪堤;可靠性;设计方法1、前言由于受到堤身断面形状、堤身填土性质、堤基地质、水文、地形和施工条件等诸多因素的影响,堤防在汛期往往出现漫顶、堤身(基)渗透破坏、堤身滑坡等险情。
概率设计方法将结构的多种参数作为随机变量,可根据不同堤防结构重要性程度采取相应设计,无疑有其先进性和科学性。
因此,以概率理论为基础的可靠性设计方法在国内外均得到较快的发展,这为岩土工程的设计开辟了新的领域。
2、堤防综合失事风险率计算模型若将整个堤防的可靠性问题视为一个系统,则该系统由3个子系统构成:水文失事可靠性子系统、堤防抗渗稳定可靠性子系统和堤防整体抗滑稳定可靠性子系统。
运用系统可靠性分析的基本原理,将堤防的失效概率与各子系统的失效概率,乃至与各种极限状态的失效概率,建立某种联系,从而为堤防的极限状态设计方法提供依据和设计思路。
通常认为,堤防失事风险可以分为水文失事分析和结构失事分析。
水文失事风险包括洪水漫溢风险和洪水越浪风险;结构失事风险注意包括渗透破坏风险和边坡滑动失事风险。
因此,堤防水文失事风险、渗透破坏风险和堤防边坡滑动失稳风险构成了堤防失事综合风险的主体。
2.1堤段水文失事风险率计算模型堤防水文失事风险是指堤防在设计、施工和管理运用过程中,由于水文因素的不确定性而引起的风险,可分为洪水漫顶风险和堤防越浪风险。
2.2渗透破坏风险率计算模型事实上,发生堤防渗透破坏并不等于堤防渗透破坏失事。
护岸堤顶越浪计算作者:郭嫣嫣来源:《中国科技博览》2013年第15期【摘要】景观护岸通常在高潮大浪时将越浪量控制在一定范围内,以满足护岸结构安全、堤后冲刷破坏及景观等多方面要求。
不同型式的护岸结构在不同的波浪作用下越浪量算法不同,且允许越浪标准也不同。
结合不同型式建筑物越浪量控制标准,景观护岸堤顶高程的确定方法亦有所不同。
本文综述已有斜坡堤与直立堤平均越浪量计算方法等研究成果,提出以控制允许平均越浪量来反算堤顶高程,优化部分景观护岸堤顶高程确定方法,为工程设计参考。
【关键词】景观护岸;越浪量;堤顶高程;【中图分类号】F221.越浪量的定义当波浪作用至沿海建筑物上时,会沿着堤面上爬波浪爬高超过堤顶时即为发生越浪。
越浪量的大小主要取决于作用波浪的大小和建筑物的断面尺度。
越浪量主要影响堤身和堤后的结构安全及建筑物的功能性安全,其大小可用平均越浪量与单波越浪量大小进行衡量。
平均越浪量q 定义为1 个足够长的波列在单位堤长、单位时间内的平均越顶水量。
平均越浪量可以反映较长时间内越浪的平均效应,不能很好地对越浪的短期或瞬时效应作出准确的反应,因此引入单波越浪量,其定义为单个波浪在单位长堤上产生的越顶水体积。
单波越浪量可以准确反映出堤顶行人与车辆的危险程度,是工程设计中需考虑的重要参数之一。
2.斜坡堤堤顶越浪量计算方法2.1我国个别省市常用公式该公式局限性较大,仅适用于两种坡比,且存在防浪墙的条件下使用,不适于广泛推广。
5.堤顶高程确定目前较为通用的堤顶高程确定方法主要为设计水位加上一定的波浪爬高及超高最终确定。
此外,堤顶高程还可采用越浪量为控制准则来确定堤顶高程。
对于景观护岸而言,不允许越浪并不是严格要求无越浪,而是要求越浪概率很小。
若按照不允许越浪来设计景观护岸,既不经济也不美观,因此在景观护岸设计过程中,可对护岸结构安全与后方交通安全确定堤顶允许平均越浪量,以此反推堤顶高程。
6.结语景观护岸作为堤防工程的一种,具有一定的特殊性,除应满足结构与后方结构安全外,还需满足景观、亲水等要求。
第19卷 第3期 中 国 水 运 Vol.19 No.3 2019年 3月 China Water Transport March 2019收稿日期:2018-09-02作者简介:项印玉(1983-),上海人,硕士,阿特金斯顾问(深圳)有限公司上海分公司工程师,主要从事港口工程和河口海岸动力学研究。
混合式海堤平均越浪量计算方法的比选项印玉(阿特金斯顾问(深圳)有限公司 上海分公司,上海 200003)摘 要:本文通过算例,对国内外关于混合式海堤上平均越浪量的主要计算方法进行综合分析比较。
当护面或斜坡低于静水位时,ALLSOP 法的计算结果较为合理。
当护面或斜坡高于静水位时,海港水文法考虑的因素多,且适用范围广,能给出比较可信的平均越浪量结果。
合田良实法和BRADBURY&ALLSOP 法的限制多,适用范围小。
关键词:越浪量;混合式海堤;入射波;波浪破碎中图分类号:TV139 文献标识码:A 文章编号:1006-7973(2019)03-0130-03海堤的堤顶高程是海堤造价的主要影响因素,若要完全阻挡间歇性发生的越浪,将花费较大的造价,因此“允许越浪,固堤强坡”的海堤设计理念目前得到业界的普遍认可[1]。
国外沿海城市的海堤防护标准通常由平均越浪量表示,英美国家认为越浪量q<0.03L/(s·m)时,海堤后的行人和车辆是安全的[2]。
目前我国现行的港口工程设计规范中,仅给出了斜坡堤堤顶越浪量的计算方法。
俞聿修[2]比较了各直立堤堤顶越浪量的计算方法,提出了各计算方法的适用性建议。
对于非常规的混合式海堤,由于在海堤附近的波浪的相互作用的不统一,越浪量的计算复杂。
本文对国内外关于混合式海堤上平均越浪量的主要计算方法进行综合分析比较,为工程设计的选用提供参考意见。
一、混合式海堤平均越浪量的计算 1.BESLEY 法BESLEY 注意到许多海堤的前方被块石护面所保护,以避免堤脚淘刷(图1)。
Water Conservancy & Hydropower︱214︱2017年8期斜坡式海堤堤顶高程确定的可靠性分析邵 玮浙江水利水电勘测设计院,浙江 杭州 310002摘要:本文首先对斜坡堤上的波浪爬高计算方式进行了介绍。
然后介绍了如何应用可靠性理论对海堤堤顶高程进行确定。
最后以温州瓯飞滩涂地区地区为例对海堤堤顶高程确定的可靠性进行了分析。
希望对我国斜坡式海堤堤顶高程的确定有所帮助。
关键词:斜坡式海堤;堤顶高程;可靠性分析中图分类号:U656.31+4 文献标识码:B 文章编号:1006-8465(2017)08-0214-011 斜坡堤上的波浪爬高 1.1 波浪爬高概述 波浪爬高是指当波浪冲击斜坡堤时,波浪会变形或者破碎,进而会沿着坡面向上运用,形成波浪爬高的现象。
在海堤堤顶高程确定过程中一定要高度重视海浪爬高的数值。
如果海堤堤顶高程过低,则会引起波浪冲过海堤,从而海堤的防浪功能就不复存在了。
如果海堤堤顶高程过高,就会很大程度上增加工程的施工难度,从而使成本上升。
因此根据波浪爬高的影响因素,来确定波浪爬高的具体数值是很有必要的。
以下几种情况都会导致波浪爬高的数值增加,首先如果风力过大,波浪将会在风力作用下冲击海堤,会使波浪越爬越高。
其次,海堤面的坡度也是影响波浪爬高的重要因素,如果坡面较缓,波浪很容易就冲击到海堤上。
最后,其他一些因素比如入射波、海堤面特性等也会对波浪爬高产生影响。
1.2 波浪爬高的计算 目前,国内外学术界对于波浪爬高的计算已经有了很深的研究。
在国外使用VDM 方法来进行对斜坡堤上的波浪爬高进行计算。
在国内,多使用的是《提防工程设计规范中》的方法。
2 基于可靠性理论的堤顶高程确定 2.1 结构可靠性理论的基本概念 要确定一个结构的可靠性,可以从结构的安全性、适用性以及耐久性三方面出发。
结构可靠性是指结构可以在一定的时间以及条件下,能够满足设计要求的各项使用功能。
中华人民共和国国家标准堤防工程设计规范GB50286-98主管部门:中华人民共和国水利部批准部门:中华人民共和国建设部施行日期:1998年10月15日中华人民共和国建设部关于发布国家标准《堤防工程设计规范》的通知建标[1998]185号根据国家计委“一九九二年工程建设标准制订修订计划”(计综合[1992]490号文附件二)的要求,由水利部会同有关部门共同制订的《堤防工程设计规范》,经有关部门会审,批准为强制性国家标准,编号为GB50286-98,自1998年10月15日起施行。
本规范由水利部负责管理,由水利部水利水电规划设计总院负责具体解释工作,由建设部标准定额研究所组织中国计划出版社出版发行。
一九九八年十月八日前言国家标准《堤防工程设计规范》是根据国家计委于1992年以计综合〔92〕490号《一九九二年工程建设标准制订修订计划》的要求,由水利部负责主编,具体由水利部水利水电规划设计总院会同水利部黄河水利委员会、广西自治区水利厅等十二个单位共同编制而成。
该规范经有关部门会审,建设部以建标(1998)185号文批准,并会同国家质量技术监督局联合发布。
该规范在编制过程中,编制组进行了广泛地调查研究,认真总结我国堤防工程建设的实践经验,广泛征求了全国有关单位和专家的意见,同时检索、参考了国外主要国家的有关设计指标和先进标准。
本规范由水利部负责管理,具体解释工作由水利部水利水电规划设计总院负责。
在使用过程中,各单位应积极总结经验,并将意见寄往水利部水利水电规划设计总院国家标准《堤防工程设计规范》管理组(地址:北京市安德路六铺炕,邮编:100011),以供修订时参考。
国家标准《堤防工程设计规范》的主编单位:水利部水利水电规划设计总院。
参编单位:水利部黄河水利委员会、广西自治区水利厅、黑龙江省水利水电勘测设计研究院、河南黄河河务局、山东黄河勘测设计院、江苏省水利勘测设计院、湖北省水利勘测设计院、湖南省水利勘测设计院、广东省水利勘测设计院、河海大学、水利部信息研究所等。
某跨海大桥人工岛越浪及防洪排涝能力验证
刘志远;佟德胜
【期刊名称】《中国港湾建设》
【年(卷),期】2024(44)1
【摘要】为保证某跨海大桥在更恶劣极端气象条件下的安全性和可靠度,配合主体工程人工岛防洪排涝设施的设计工作,实施开展了两项波浪物理模型试验来对人工岛排水设施设计方案进行验证及优化。
根据试验技术要求,在不同波浪要素、不同挡浪墙顶高程和戗台宽度条件下,测定人工岛南、北两侧护岸顶部的越浪量、最大上水高度和人工岛漫滩情况,并对越浪排水设施的排水能力进行复核。
研究中先后验证了南、北侧两护岸原设计方案在初始设计工况和更极端的补充复核工况波浪作用下能否满足越浪排洪的要求,并优化设计方案以满足更极端条件下的排水要求,为本项国家重点工程的设计提供了科学的试验研究依据。
研究成果成功应用到了工程实践,在近几年数次超强台风侵袭下,工程未发生任何破坏,避免了人员伤亡和经济损失。
【总页数】7页(P61-67)
【作者】刘志远;佟德胜
【作者单位】中信缅甸(香港)控股有限公司;中交天津港湾工程研究院有限公司;中国交建海岸工程水动力重点实验室
【正文语种】中文
【中图分类】U652.72
【相关文献】
1.港珠澳大桥珠澳口岸人工岛填海工程海堤越浪量的优化设计
2.大连海上机场人工岛越浪量物模试验
3.港珠澳大桥珠澳口岸人工岛填海工程海堤越浪量的优化设计
4.深中通道西人工岛岛形对护面块体稳定性和堤顶越浪的影响
5.港珠澳大桥人工岛越浪量试验
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海岸防护工程胸墙稳定性及越浪量研究尤薇【摘要】文章采用物理模型试验对日照港石臼港区海岸防护工程中胸墙的越浪量和稳定性进行了研究。
首先,利用物理模型对不同高程下胸墙越浪量进行研究,确定了胸墙顶高程为7.5 m时,可满足越浪量控制要求;然后,对有无潜堤作用下,防护工程胸墙的越浪量和稳定性进行试验研究。
研究结果表明:极端高水位时,50 a一遇波高作用下,潜堤对后方防护措施影响较小,但是100 a一遇波浪作用时,由于波浪在潜堤处产生了破碎从而导致波高发生衰减,因此提高了后方防护设施胸墙的稳定性。
%In this paper, the stability and overtopping of breastwall in Rizhao harbor was studied by physical model. According to the difference of content, the research can be divided into two parts:firstly, the overtopping of different height walls was studied, and it is found that when the height reaches up to 7.5 m, it can meet the requires of overtopping. And then the stability of breast wall in the condition of submerged breakwater was learned. The re⁃sult of research shows that in the condition of extreme high water level, the submerged breakwater has little impact on the stability of breast wall when the incident wave height period is 50 years, while for the condition of 100 years, the wave will break in front of the submerged breakwater, which will cause the breast wall more stable.【期刊名称】《水道港口》【年(卷),期】2016(037)006【总页数】6页(P578-583)【关键词】海岸防护工程;越浪量;稳定性;物理模型【作者】尤薇【作者单位】中设设计集团股份有限公司,南京210000; 江苏省水运工程技术研究中心,南京210000【正文语种】中文【中图分类】U656.3;TV139.16海岸防护工程对于岸线保护具有十分重要的意义。
《海堤工程设计规范》(SL***-2022)编制工作大纲《海堤工程设计规范》编制组二○○六年二月目录一、编制的目的及必要性 (1)二、编制依据与原则 (4)(一)编制依据 (4)(二)编制原则 (4)(三)合用范围 (5)(四)技术路线 (5)(五)法律法规及相关规范标准 (6)三、主要章节内容及专题研究 (7)(一)主要章节内容 (7)(二)拟开展的专题研究 (15)四、进度计划 (17)(一)总体计划 (17)(二)分年度计划 (17)五、经费预算 (18)(一) 《规范》编制预算费用 (19)(二)专题研究预算费用 (19)(三)总预算费用 (19)六、编制组人员组成及工作分工 (20)(一)编制单位及编制组人员组成 (20)(二)工作分工 (20)一、编制的目的及必要性我国是一个海洋大国,拥有漫长的海岸线、众多的岛屿和辽阔的海域,海岸线总长达3.2 万km ,其中陆地海岸线北起中朝边境的鸭绿江口,包含沿海10 个省、市、自治区,全长约1.8 万km ,岛屿海岸线1.4 万km。
几万公里的海岸堤防保卫着我国沿海省份居民的生命和财产安全,也保卫着沿海经济发展的累累硕果。
改革开放以来,沿海经济飞速发展,向来走在全国的前列。
到上世纪末,沿海地区仅重要城市的GDP 就占全国城市GDP 的1/3 以上,其社会经济发展整体水平明显高于全国总水平。
可是,随着沿海社会经济总量的不断增加,台风暴潮造成的损失却越来越大,已建海堤已越来越难以适应当前防潮、防洪形势的要求,表现在海堤标准普遍偏低,且缺乏统一的海堤设计建设标准,以致各地在进行海堤设计建设时水平参差不齐,其设计、施工和管理难以做到安全合用、经济合理,严重制约了海堤的安全和规范化建设。
为保卫沿海社会经济发展成果和人民生命财产安全,规范我国海堤工程建设,不断提高海堤设计质量和水平,很有必要即将开展《海堤工程设计规范》的制定工作。
国家标准《堤防工程设计规范》和水利行业有关的施工和管理标准,为全国的堤防工程建设提供了技术支撑。
防波堤设计与施工规范条文说明JTJ 298-98修订说明遵照交通部关于“八五”期间规范工作的安排,于1991年开始对港口工程技术规范第四篇《防波堤》进行修订。
有关设计计算方面的修订主要以国家标准《港口工程结构可靠度设计统一标准》(GB50158-92)为依据。
本规范的主编单位为第一航务工程勘察设计院,参加单位有:中交水运规划设计院、交通部第一航务工程局、交通部第三航务工程勘察设计院、交通部第四航务工程局科研所、交通部第四航务工程勘察设计院。
修订组主要成员名单如下:组长:王美茹副组长:孙毓华、盘荣亨组员:谢世楞、刘颖、谢善文、吕江华黄正平、夏智清、卢永昌、黎志均本规范在修订过程中,调查总结了近10多年来国内港口工程的设计和施工经验,参考和引用了美国、日本和前苏联等国家有关标准的先进技术,并在广泛征求各有关设计、科研、施工和高等院校等单位意见的基础上,经编写组反复讨论和修改后,于1995年11月完成送审稿。
本规范修订工作的分工如下:第1章王美茹第2章王美茹第3章王美茹第4章孙毓华、黎志均、谢善文、吕江华、王美茹第5章盘荣亨、卢永昌、刘颖、谢世榜第6章王美茹、夏智清第7章黄正平第8章黄正平附录谢世楞、王美茹、孙毓华规范总校工作领导小组:组长:仉伯强副组长:姜明宝成员:杜廷瑞贺铮孙毓华王美茹本规范总校组:组长:贺铮副组长:孙毓华王美茹成员:姜明宝谢世楞张树仁盛周伟本规范于1996年11月通过部审,1998年4月20日发布,1999年6月1日起实施。
目次1 总则3 一般规定4 斜坡堤设计4. 1 斜坡堤断面尺度的确定4. 2 斜坡堤计算4. 3 斜坡堤构造4. 4 抛石潜堤设计5 正砌方块和矩形沉箱直立堤设计5. 1 直立堤断面尺度的确定5. 2 直立堤计算5. 3 直上堤构造6 其它型式防波堤设计6. 1 开孔消浪沉箱直立堤6. 2 座床式圆筒直立堤6.3 桩式直立堤6. 4 透空式防波堤7 斜坡堤施工7. 1 砂垫层与土工织物垫层7.2 堤身抛填块石和方块7. 3 预制和安放护面块体7. 4 安放块石和砌石护面7. 5 斜坡堤胸墙7. 6 竣工尺度8 直立堤施工8.1 基础施工8.2 方块和沉箱的预制8.3 方块和沉箱的安装8.4 直立堤上部结构8.5竣工尺度1 总则1. 0. 1 防波堤是港口工程的重要组成部分。
第41卷第1期2020年2月水㊀道㊀港㊀口JournalofWaterwayandHarborVol.41㊀No.1Feb.2020收稿日期:2019-05-06ꎻ修回日期:2019-06-03基金项目:高防护等级海堤断面结构及护面材料选择研究(KY2017-02-48)作者简介:张奕泽(1989-)ꎬ男ꎬ工程师ꎬ主要从事水工结构设计方面的研究工作ꎮBiography:ZHANGYi ̄ze(1989-)ꎬmaleꎬengineer.高防护等级海堤越浪的数值模拟张奕泽ꎬ黄伟斌ꎬ曹如意(中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司ꎬ杭州311122)摘㊀要:以福建省泉州市的某高防护等级海堤设计为依托ꎬ在已完成的物理模型研究结果基础上ꎬ尝试采用Flow3D软件建立数学模型ꎬ进行模拟越浪量研究ꎬ对防浪墙顶高程的合理性进行分析ꎬ并对不同形式的海堤护面结构进行数值模拟研究ꎮ该数值模拟方法具有较大的工程应用价值ꎬ可为今后在其他海堤工程设计中提供一定的参考价值ꎮ关键词:高防护等级ꎻ海堤ꎻ越浪ꎻ数值模拟中图分类号:U65ꎻTV143㊀㊀㊀㊀文献标识码:A文章编号:1005-8443(2020)01-0058-07我国海岸线漫长ꎬ海堤工程是沿海地区或涉海工程防御潮(洪)水侵袭的重要工程设施ꎮ随着经济和社会的快速发展ꎬ海堤设计的防护等级和安全性要求也越来越高ꎮ波浪作用在海堤上ꎬ当水体能够越过堤顶时ꎬ会产生越浪ꎬ理论上讲ꎬ只要堤顶足够高ꎬ越浪是可以避免的ꎮ但一方面ꎬ海堤按照完全不允许越浪标准设计建造往往不经济ꎻ同时ꎬ由于当地地基处理条件不具备或虽经处理仍达不到地基承载力要求时ꎬ堤身高度会受到限制ꎻ另一方面ꎬ由于设计水位及波浪要素的不确定性ꎬ特别是在风暴潮作用下ꎬ越浪量会大大增加ꎬ对海堤造成破坏ꎬ导致严重后果[1]ꎮ因此准确模拟斜坡堤越浪过程并确定越浪量ꎬ对于斜坡堤的设计具有重要意义[2]ꎮ从20世纪50年代开始ꎬ国内外专家学者对越浪量进行了大量研究:1955~1958年T.Saville[3-4]进行了规则波作用下斜坡堤越浪量数模研究ꎻ1980~1991年Owen[5-7]针对简单斜坡堤和带肩台的斜坡堤进行了较为系统的越浪量研究并给出了不规则波平均越浪量计算公式ꎮ国内学者中2005年陈国平[8]通过具体工程越浪研究提出斜坡上越浪量不仅与护面类型有关ꎬ还与护面消浪结构所处位置有关ꎮ2018年李东洋[2]基于OpenFOAM建立数值波浪水槽ꎬ模拟研究了原型条件下的斜坡堤越浪ꎬ对护面块体进行全尺度模拟的数值波浪水槽目前已可以较为合理地描述复杂护面块体斜坡堤的越浪过程ꎮ随着计算机技术发展ꎬ利用CFD技术建立数值波浪水槽具有广泛的应用前景ꎮ目前海堤工程设计中往往需要比选不同的断面结构类型ꎬ在波浪作用下ꎬ研究断面型式对工程安全和使用产生的影响ꎮ尤其对于高防护等级的海堤设计而言ꎬ需要充分研究各种极端波况和断面结构等因素与越浪量之间的关系ꎬ确保工程建设的合理性和安全性ꎮ应用数学模型研究模拟海堤越浪过程并确定越浪量ꎬ对于级别为1级㊁防潮标准为100a一遇及其以上的防护等级较高的海堤设计具有重要意义ꎮ本文基于Flow3D软件平台ꎬ结合泉州地区某高防护等级海堤工程设计项目ꎬ针对2种不同海堤断面结构型式ꎬ在已完成的物理模型研究结果的基础上[9]ꎬ建立数值波浪水槽对越浪量进行数值模拟ꎬ通过直观的数据和图像分析比较不同护面和断面结构的消浪效果ꎮ研究海堤在极端工况波浪作用下的水力学特性ꎬ给出海堤不同防浪墙顶高程和结构护面型式下的越浪量变化规律ꎮ为今后的高防护等级海堤的设计ꎬ寻求比较合理㊁经济且可行的研究方法ꎮ2020年2月张奕泽ꎬ等㊀高防护等级海堤越浪的数值模拟1㊀数学模型1.1㊀控制方程假定水与空气均为不可压流体ꎬ且考虑垂向三维流动ꎮ在笛卡尔坐标系中ꎬ连续方程和RANS方程为ƏƏx(uAx)+ƏƏy(vAy)+ƏƏy(wAz)=0(1)ƏuƏt+1VF(uAxƏuƏx+vAyƏuƏy+wAzƏuƏz)=-1ρƏpƏx+Gx+fx(2)ƏvƏt++1VF(uAxƏvƏx+vAyƏvƏy+wAzƏuƏz)=-1ρƏpƏy+Gy+fy(3)ƏwƏt++1VF(uAxƏwƏx+vAyƏwƏy+wAzƏuƏz)=-1ρƏpƏz+Gz+fz(4)式中:ρ为模拟流体的密度ꎻVF为体积分数ꎻx㊁y㊁z分别为水平坐标和垂向坐标ꎻt为时间ꎻu㊁υ㊁ω为流速的水平分量和垂向分量ꎻAx㊁Ay㊁Az为三个方向的面积系数ꎻGx㊁Gy㊁Gz表示各方向的重力项ꎻfx㊁fy㊁fz为各方向的黏性项ꎬ其表达式为ρVFfx=-ƏƏx(Axτxx)+ƏƏy(Ayτxy)+ƏƏz(Azτxz){}ρVFfy=-ƏƏx(Axτxy)+ƏƏy(Ayτyy)+ƏƏz(Azτyz){}ρVFfz=-ƏƏx(Axτxz)+ƏƏy(Ayτyz)+ƏƏz(Azτzz){}(5)式中:τ为剪应力ꎬ表达式为τxx=-2μƏuƏx-13(ƏuƏx+ƏvƏy+ƏwƏz){}τyy=-2μƏvƏy-13(ƏuƏx+ƏvƏy+ƏwƏz){}τzz=-2μƏwƏz-13(ƏuƏx+ƏvƏy+ƏwƏz){}τxy=τyx=-μƏvƏx+ƏuƏyæèçöø÷τxz=τzx=-μƏwƏx+ƏuƏzæèçöø÷τyz=τzy=-μƏwƏy+ƏvƏzæèçöø÷(6)式中:μ为模拟流体的动力粘滞系数ꎮ图1㊀Flow3D边界造波示意图Fig.1Schematicdiagramofboundarywavemaking1.2㊀湍流模型本项目中选用由k ̄ε模型改进得到的RNGk ̄ε模型ꎬRNGk ̄ε模型与k ̄ε模型所使用的等式相似ꎬ但它将k ̄ε模型中的经验系数通过显式推导进行了修正ꎮ1.3㊀边界条件和初始条件FLOW3D中有10种不同的边界条件可以定义ꎬ本项目Flow3D入口边界处造波条件在网格边界上定义采用基于不规则波理论的速度入口法进行造波ꎬ示意图如图1ꎮ本次造波边界由有效波高和平均周期计算JONSWAP谱并在边界处进行自定义波谱的输入ꎮ在Flow3D中采用wall壁边界模拟实际水槽中采用水泥抹面的防渗底ꎬ并采用滑移边界ꎮ实际水槽易受空间的限制ꎬ宽度有限ꎬ通常采用玻璃或水泥作为边壁ꎬ当波浪入射方向存在偏斜ꎬ很容易发生波浪反射:在Flow3D中可采用流体通量为0㊁剪切应力为0的对95水㊀道㊀港㊀口第41卷第1期称边界ꎮ采用对称边界ꎬ不仅可以有效的减少撞面对波浪的反射ꎬ还可有效降低计算量ꎬ并可通过对称的方式提取整个模型的计算结果ꎮ数值波浪水槽在0时刻时ꎬ波面为自由水面ꎬ压强为沿Z轴方向分布的静水压强ꎮ为了准确描述波浪运动时的自由表面ꎬ采用VOF法来追踪自由表面ꎮ1.4㊀方程的离散与求解Flow3D采用有限差分法对计算域进行时间和空间的离散ꎬ即把空间上连续的计算域划分为若干子域ꎬ并通过子域的节点生成网格ꎮ求解控制方程时ꎬ首先将其在单元格上离散ꎬ转化成各单元格节点上变量之间的线性方程组ꎬ然后通过求解该方程组的解得出各物理量在该时刻的近似值ꎮFlow3D中有三种压力速度分离解法:SOR迭代法㊁线性隐式ADI算法㊁GMRES算法ꎮ本文中采用GMRES迭代法ꎬ该算法具有计算精度高㊁易于收敛的特点ꎮ2㊀研究断面本工程海堤工程级别为1级ꎬ防潮标准为100a一遇的设计标准ꎬ为高防护等级海堤ꎬ设计断面的结构型式见图2ꎬ其堤身主要结构如下:图2㊀海堤设计断面图Fig.2Designprofileofseadike图3㊀海堤优化断面图Fig.3Optimizedprofileofseadike防浪墙结构为 L 型C30钢筋砼结构ꎬ墙顶高程▽8.5mꎬ顶宽0.5mꎬ净高0.5mꎮ堤顶高程▽8.0mꎬ路面净宽8m(不含防浪墙)ꎮ消浪平台高程▽5.0mꎬ平台宽3.0mꎬ其上㊁下坡坡度均为1:2.5ꎬ下坡放坡至▽2.0m高程平台ꎬ该平台宽也为3.0mꎬ两处坡面及两处平台均布置单重2t的扭王字块体ꎮ扭王字块护面下方为30cm厚灌砌块石护面ꎮ镇压层结构从▽2.0m高程向下以1:10的坡度放坡至▽-0.5m高程ꎬ面层上采用50cm厚灌砌块石护面ꎮ护脚结构通过梯形的灌砌块石镇脚与镇压层结构相接ꎬ堤顶路面内侧为1:3的草皮护坡结构ꎮ062020年2月张奕泽ꎬ等㊀高防护等级海堤越浪的数值模拟图4㊀海堤优化断面-栅栏板护面结构详图(单位:cm)Fig.4Optimizedprofileofseadike ̄Detailstructureoffenceplate㊀㊀从技术经济的角度出发ꎬ在初步设计阶段提出了海堤的优化断面(见图3)ꎬ其堤身主要结构如下:防浪墙结构为 L 型C30钢筋砼结构ꎬ墙顶高程8.0mꎬ顶宽0.5mꎬ净高0.8mꎮ堤顶高程7.2mꎬ路面净宽8m(不含防浪墙)ꎮ消浪平台高程4.5mꎬ平台宽3.0mꎬ其上㊁下坡坡度均为1:2.5ꎬ下坡放坡至2.0m高程平台ꎬ该平台宽也为3.0mꎬ两处坡面及两处平台均布置栅栏板护面结构(见图4)ꎬ栅栏板的厚度为30cmꎬ其下方砼的构造尺寸为15cmꎮ栅栏板护面下方为30cm厚干砌块石护面ꎬ2.0m高程平台的外侧有C25砼块支护ꎮ镇压层结构从2.0m高程向下以1:8的坡度放坡至-1.5m高程ꎬ面层上采用50cm厚灌砌块石护面ꎬ护脚结构通过梯形的灌砌块石镇脚与镇压层结构相接ꎬ堤顶路面内侧为1:3的草皮护坡结构ꎮ3㊀模型设置3.1㊀模型建立3.1.1㊀堤身及护面模型建立为简化计算ꎬ在对海堤进行建模时对结构作适当简化ꎬ将随机摆放㊁杂乱且难以定量描述的护脚大块石均按照灌砌块石镇压层进行简化处理ꎬ表面粗糙度等参数皆按浆砌块石进行取值ꎬ且只对从堤脚到堤顶进行建模ꎬ略去后坡等结构ꎮ其余尺寸皆按照实际尺寸进行实体建模ꎬ根据设计时采用的尺寸ꎬ首先利用AUTOCAD三维绘图完成实体建模ꎬ然后将STL文件导入模型中完成建模ꎮ几种不同断面的实体模型示意图见图5㊁图6ꎮ图5㊀扭王设计断面实体模型示意图Fig.5Schematicdiagramofsolidmodelofaccoropodedesignsection图6㊀栅栏板优化断面实体模型示意图Fig.6Schematicdiagramofsolidmodeloffenceplateoptimizedsection图7㊀边界条件定义示意图Fig.7Boundaryconditiondefinitionschematicdiagram3.1.2㊀网格划分与边界条件数值波浪水槽长68mꎬ高12mꎮ水深为5.26mꎬ考虑到护面块体的完整性ꎬ宽度根据护面形式有所区别ꎬ栅栏板断面宽5.7mꎬ扭王断面宽4.5mꎮ网格在护面块体处通过分块进行局部加密ꎬ分辨率为0.2mˑ0.2mˑ0.2mꎬ其余部分分辨率为其两倍ꎬ0.4mˑ0.4mˑ0.4mꎬ以减小网格分块处边界条件的传递误差ꎮ在建立的数值水槽中ꎬ最右边Xmax处为波浪入射边界ꎬ最左边Xmin处和最下边水槽底部(Zmin)设置为wall壁面边界ꎬ不允许水流通过ꎬ前后设置为对称边界symmetryꎬ顶部设置为压力边界ꎬ大小为0ꎮ图7为数值水槽的边界定义示意图ꎮ3.2㊀不规则波生成本次研究主要采用不规则波ꎬ期望谱选用合田良实改进的JONSWAP谱ꎬ该波浪谱普遍用于工程实际ꎬ其表达式为S(f)=βJH213T-4pf-5exp[-1.25(Tpf)-4]ˑγexp-(Tpf)-42σ2[](7)式中:βJ=0.062380.230+0.0336γ-0.185(1+γ)-1ˑ(1.094-0.01915lnγ)Tp= T1-0.532(γ+2.5)-0.56916水㊀道㊀港㊀口第41卷第1期σ=0.07㊀㊀σɤσp0.09㊀㊀σȡσp{图8㊀输入模型的波浪谱Fig.8ThewavespectrumoftheinputmodelS(f)为谱密度ꎬm2 sꎻγ为谱峰升高因子ꎬ取3.3ꎻTp为谱峰周期ꎻσ为峰形参数ꎮ采用等分频率法ꎬ在频率方向分为70份ꎬ由式3-1计算得每个频率离散值处对应的谱密度Sꎬ并将其以自定义不规则波谱的形式作为边界条件输入到Flow3D模型中ꎮ百年一遇波浪(有效波高1.54mꎬ平均周期4.4s)对应的波浪谱如图8ꎬ其余波高不再赘述ꎬ计算方法类似ꎮ3.3㊀越浪量测定方法对斜坡堤越浪量的测定ꎬ本项目结构为带防浪墙的斜坡堤ꎬ当波浪与防浪墙相互作用时ꎬ波浪形态将发生改变ꎬ且常伴有波浪的变形与破碎ꎮ考虑到数值模型处理结构的优势ꎬ将墙后堤顶区域挖空ꎬ构造出一个水池用以量测越浪水体的体积ꎮ图9为处理之后海堤用于量测水体体积的水池的示意图ꎮ图9㊀处理后的海堤模型示意图Fig.9Schematicdiagramofseadikemodelaftertreatment取30~540s(100个波)时间内的越浪量计算平均值ꎬ单宽平均越浪量按«波浪模型试验规程»[10](JTJ/T234-2001)的相关规定计算ꎮ4㊀断面的越浪数值模拟4.1㊀设计断面的数值模拟研究过程中ꎬ在100a一遇高潮位(▽5.26m)水位下ꎬ选取的研究波要素的原型有效波高Hs=1.54m(100a一遇波浪)㊁2.0m㊁2.5m㊁3.0mꎬ波周期不变ꎮ入射波浪传至灌砌块石镇压层上方开始变形ꎬ绝大多数波浪均在▽5.0m平台及其上㊁下斜坡面规则摆放的扭王字块护面上衰减(见图10~图11)ꎮ注:波浪在▽5.0m平台扭王字块护面上斜坡上衰减ꎮ注:波浪冲击▽5.0m平台及其上斜坡扭王字块护面后水花飞溅至堤顶路面ꎮ图10㊀100a一遇高潮位下入射Hs=2.5mFig.10IncidentHs=2.5mathightidelevelin100years图11㊀100a一遇高潮位下入射Hs=3.0mFig.11IncidentHs=3.0mathightidelevelin100years㊀㊀针对设计断面ꎬ在100a一遇高潮位组合各波浪工况下进行了无风组次和加风组次下的越浪量研究ꎬ同时参照相应组次的物理模型研究的数据结果[9]ꎮ采用的设计风速为37.5m/sꎮFlow3D软件通过WIND选项卡设置模拟风的物理作用过程ꎮ各研究组次下的越浪量研究结果汇总后列下表1ꎮ262020年2月张奕泽ꎬ等㊀高防护等级海堤越浪的数值模拟表1㊀各水文工况下设计断面的越浪量研究结果Tab.1Thetestresultsofwavepropagationindesignedsectionsundervarioushydrologicalconditions序号水文工况Q(m3/(m s))(数模)无风组次加风组次Q(m3/(m s))(物模)无风组次加风组次1100a一遇高潮位+Hs=1.54m0.000040.000550.00010.00052100a一遇高潮位+Hs=2.0m0.0010.00480.00030.00093100a一遇高潮位+Hs=2.5m0.00740.0080.0010.00174100a一遇高潮位+Hs=3.0m0.0140.0160.00250.0033㊀㊀由表1可见ꎬ设计断面在无风情形㊁加风情形下的越浪量均极小ꎬ无风情形下的越浪主要由波浪打击扭王字块护面后水花飞溅至堤顶所致ꎬ而加风组次下大风将部分溅起的水花加速吹向了堤顶ꎬ故加风组次的越浪量明显大于无风组次ꎮ100a一遇高潮位组合Hs=1.54m工况下数模和物模的模海堤越浪量两者较为注:波浪冲击▽4.5m平台上斜坡的栅栏板护面ꎮ图12㊀100a一遇高潮位下入射Hs=2.0mFig.12IncidentHs=2.0mathightidelevel接近且均极小ꎬ可以忽略不计ꎮ在100a一遇高潮位下ꎬ逐级加大入射波高(Hs=2.0m㊁2.5m㊁3.0m)后ꎬ越浪量随之增大ꎬ数模的结果相较物模均略微偏大ꎬ但二者的量值仍小于允许越浪的越浪量标准[11]0.02m3/(m s)ꎮ从设计断面的越浪量值来看ꎬ目前设计断面的防浪墙顶高程▽8.5m能较好满足防浪要求ꎮ4.2㊀优化断面的数值模拟研究过程中ꎬ在100a一遇高潮位(▽5.26m)水位下ꎬ选取的研究波要素的原型有效波高Hs=1.54m(100a一遇波浪)㊁2.0mꎬ波周期不变ꎮ入射波浪传至灌砌块石镇压层上方开始变形和衰减ꎬ部分波浪则直接冲击▽4.5m平台及其下斜坡规则摆放的栅栏板护面ꎬ少数波浪冲击▽4.5m平台上斜坡的栅栏板护面后ꎬ少量水体越过防浪墙顶形成越浪ꎬ如图12所示ꎮ针对优化断面ꎬ在100a一遇高潮位组合100a一遇波浪工况下进行了无风组次和加风组次下的越浪量研究ꎬ在加大波高后也开展了相应无风㊁加风组次的越浪量研究ꎮ各研究组次下的越浪量研究结果汇总后列于下表2ꎮ表2㊀各水文工况下优化断面的越浪量研究结果Tab.2Thetestresultsofwavepropagationinoptimizedsectionsundervarioushydrologicalconditions序号水文工况Q(m3/(m s))(数模)无风组次加风组次Q(m3/(m s))(物模)无风组次加风组次1100a一遇高潮位+Hs=1.54m0.00010.000570.00270.00592100a一遇高潮位+Hs=2.0m0.00610.00930.00440.0081㊀㊀由表2可见ꎬ优化断面在无风情形㊁加风情形下的越浪量越浪量均较小ꎮ无风情形下的越浪主要由波浪打击栅栏板护面后的少量水体飞溅至堤顶所致ꎬ而加风组次下大风则将溅起的水花加速吹向了堤顶ꎬ故加风组次的越浪量明显大于无风组次ꎮ在100a一遇高潮位下ꎬ加大入射波高至Hs=2.0m后ꎬ此时数模与物模的结果较为接近ꎮ加风组次的越浪量0.0093m3/(m s)仍小于允许越浪的越浪量标准[11]0.02m3/(m s)ꎬ可见优化断面的防浪墙顶高程▽8.0m仍能满足设防要求ꎮ考虑到海堤越浪存在多种不确定性因素ꎬ越浪量0.0093m3/(m s)已不容忽视ꎬ优化断面的防浪墙顶高程可采用▽8.0mꎬ不建议再行下降ꎮ5㊀结语(1)本文基于Flow3D软件平台ꎬ借助其参数设置和相关自定义功能ꎬ建立了数值波浪水槽ꎬ首先模拟了某海堤设计断面情况下的越浪情况ꎬ发现相比于物模研究值ꎬ本文的各工况下计算结果总体趋势是合理的ꎮ进而对优化断面时的越浪进行了模拟ꎬ考虑了防浪墙顶墙高程和护坡型式改变之后对于越浪量的影响ꎬ所得越浪量结果与物模实验的结论基本吻合ꎮ设计断面和优化断面的数模越浪量值都随着入射波高的增大而增大ꎬ且有风组次下的越浪量也都大于无风组次下的工况ꎬ与相应物模试验的结论一致ꎮ从研究结果看ꎬ3646水㊀道㊀港㊀口第41卷第1期对护面块体进行模拟的数值波浪水槽目前对描述复杂护面块体斜坡堤的越浪过程有一定的应用价值ꎬ可以应用于设计阶段对高防护等级海堤断面型式和顶高程的优化确定ꎻ(2)针对优化断面开展越浪量研究ꎬ结果表明ꎬ断面的防浪墙顶高程▽8.0m仍能满足设防要求ꎮ但考虑到海堤越浪存在多种不确定性因素ꎬ越浪量0.0093m3/(m s)已不容忽视ꎬ优化断面的防浪墙顶高程可采用▽8.0mꎬ不建议再行下降ꎻ(3)从设计断面的越浪量量值及波浪对堤身上部结构的作用来看ꎬ目前设计断面的防浪墙顶高程▽8.5m能较好满足防浪要求ꎻ(4)需要指出的是ꎬ本文在已完成的物理模型研究的基础上ꎬ尝试基于Flow3D软件建立数学模型模拟越浪过程ꎬ但相对于更为直观的物理模型还是存在很多简化处理的情况ꎬ因此在实际设计中应综合考虑各种方法的适用性ꎮ参考文献:[1]范红霞.斜坡式海堤越浪量及越浪流研究研究[D].南京:河海大学ꎬ2006.[2]李东洋ꎬ张庆河ꎬ焦方骞.不规则波作用下斜坡堤越浪的数值模拟[J].水道港口ꎬ2018ꎬ39(1):25-29.LIDYꎬZHANGQHꎬJIAOFQ.Numericalsimulationofovertoppingofslopingbreakwaterunderirregularwave[J].JournalofWaterwayandHarborꎬ2018ꎬ39(1):25-29.[3]SavilleT.Laboratorydataonwaverunupandovertopping[M].WashingtonDC:LakeOkeechobeeLeveeSectionꎬUSArmyꎬCorpsofEngineersꎬBeachErosionBoardꎬ1955.[4]SavilleT.Large ̄scalemodeltestsofwaverunupandovertoppingonshorestructures[M].WashingtonDC:LakeOkeechobeeLeveeSectionꎬUSArmyꎬCorpsofEngineersꎬBeachErosionBoardꎬ1958.[5]OwenMW.Designofseawallsallowingforovertopping[R].Wallingford:Hydraulicsresearchstationꎬ1980.[6]OwenMW.OvertoppingofSeaDefences[C]//ProceedingofIntl.ConferenceonHydraulicsModelingofCivilEngineering.Coventry:BHRAStructureꎬ1982:469-480.[7]OwenMWꎬSteeleAAJ.Effectivenessofrecurvedwavereturnwall[R].Wallingford:HydraulicsResearchꎬ1991. [8]陈国平ꎬ周益人ꎬ琚烈红.海堤护面型式对波浪爬高和越浪的影响[J].水运工程ꎬ2005(10):28-30.CHENGPꎬZHOUYRꎬJULH.Influenceofprotectivestylesofseawallonwaverunupandovertopping[J].Port&WaterwayEngineeringꎬ2005(10):28-30.[9]黄伟斌.浅析某海堤工程典型断面设计[J].工程技术:引文版ꎬ2017(2):46-47.HUANGWB.Analysisonthedesignoftypicalsectionofaseawallproject[J].EngineeringTechnology:citedversionꎬ2017(2):46-47.[10]JTJ/T234-2001ꎬ波浪模型研究规程[S].[11]GB/T51015-2014ꎬ海堤工程设计规范[S].NumericalsimulationonovertoppingdischargeofseadikeofhighprotectionlevelZHANGYi ̄zeꎬHUANGWei ̄binꎬCAORu ̄yi(POWERCHINAHuadongEngineeringCorporationꎬHangzhou311122ꎬChina)Abstract:Chinahasalongcoastlineꎬandtheseadikeprojectisanimportantengineeringfacilityforcoastalareasorsea ̄relatedprojectstopreventtheinvasionoftide(flood)water.Withtherapiddevelopmentofeconomyandsocietyꎬtheprotectionlevelandsafetyrequirementofseadikedesignarehigherandhigher.Inthedesignofseawallwithhigherprotectionlevelofgrade1and100yearsormoreꎬusingmathematicalmodeltesttosimulatetheprocessofseawalloverbreakingandtodeterminetheamountofoverbreakingisofgreatsignificance.BasedonthedesignoftheseadikeinQuanzhoucityꎬFujianprovinceꎬthispaperattemptedtousethenumericalmodelFlow3Dsoftwaretosimulatetheovertoppingdischargeonthebasisofthephysicalmodeltestresultsthathadbeencarriedout.Therationalityofthetopelevationoftheembankmentwasanalyzedanddifferenttypesofarmorstructureswerecompared.Thenumericalsimulationmethodhasgreatvalueinengineeringapplicationandwillprovidesomereferencevalueforotherseawallengineeringdesigninthefuture.Keywords:highprotectionlevelꎻseadikeꎻovertoppingdischargeꎻnumericalsimulation。
直立堤上平均越浪量计算方法的比选俞聿修【摘要】Based on the investigation of 3D wave model tests,various methods are proposed by the experts in China and abroad to calculate mean wave overtopping on vertical seawall for oblique irregular wave, multidirectional wave and other wave patterns. Chinese current port engineering specification doesn't provide the method to calculate wave overtopping on vertical seawall. By synthesizing main research fruits, the above methods to calculate mean wave overtopping on vertical seawall are analyzed and compared each other, and the suitability of various methods are suggested, which will provide the reference for the similar project.%国、内外学者基于三维波浪模型试验研究成果,针对斜向不规则波、多向不规则波等多种波形作用于直立堤时的平均越浪量,提出了多种计算方法,而在我国现行的港口工程设计规范中,尚未给出直立堤越浪量的计算方法.综合主要的分析研究成果,对上述各种直立堤上平均越浪量的计算方法进行分析比较,对各种计算方法的适用性提出初步建议,供工程设计时参考.【期刊名称】《港工技术》【年(卷),期】2011(048)003【总页数】4页(P1-3,22)【关键词】平均越浪量;直立堤;斜向波;多向波;破碎波【作者】俞聿修【作者单位】大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室,辽宁大连116024【正文语种】中文【中图分类】U656.22;P731.22在海堤、护岸等海岸工程的设计中,目前多以允许越浪量为控制条件来确定堤顶高程。