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海岸動力環境與新型結構的水動力模擬分析方法


- 2017年12月10日01時53分
- 科學文摘 / 科學出版社

科學出版社

海岸動力環境與新型結構的水動力模擬分析方法圖片

海岸動力環境與新型結構的水動力模擬分析方法圖片

我國擁有18000多千米大陸海岸線,沿海區域擁有豐富的礦產、漁業、濕地、旅遊等資源,是經濟與社會發展的重要區域。隨著經濟的發展,海洋資源開發利用與環境承載力之間的矛盾日益凸顯,海岸帶的可持續開發利用面臨著嚴峻的挑戰。


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海岸帶地處海陸交匯地帶,陸地與海洋相互作用顯著,動力條件複雜,波浪、潮流、風暴潮、徑流等因素之間存在著強非線性耦合作用,海岸蝕退、淹沒、結構物破壞等災害頻發。尤其是近年來,在全球氣候變化的影響下,海洋災害頻次和強度有增加的趨勢,嚴重威脅沿海地區的經濟社會生活。此外,濱海濕地作為天然的海岸防護屏障和重要的生態環境系統,也在人類活動和海平面上升的影響下,變得愈發脆弱。

海洋資源開發與生態環境保護是海岸帶發展的兩個重要方面。人類開發利用海洋資源的工程設施由最初單純的被動式海岸防護結構,到碼頭、路島工程、跨海橋隧等資源開發綜合設施,再到人工沙灘、親水型護岸、透空式進海路等環境友好型設施。結構形式也由單一滿足安全與基本功能要求的不透水結構,發展為適用於環境敏感區的透空式親水結構。隨著人類海岸開發技術水平和對濱海親水生活要求的提高,海岸工程建設不但對安全性和經濟性提出了更高要求,也越來越關注工程對環境產生的負面影響。環境友好型海岸工程建設技術已成為學術研究和工程設計、施工的熱點與難點。

綜上所述,亟鬚髮展安全、經濟、環保的海岸工程建設技術,包括海岸動力環境模擬技術和新型結構物設計理論。前者既可為海岸結構物提供環境荷載設計標準,又能夠預測工程實施對區域動力環境演變的影響,為工程建設的環境可行性分析提供依據。後者則需要利用前者所確定的環境荷載參數,結合理論分析、數值模擬與物理模型試驗,進行結構的水動力特性與基礎淘刷分析,為工程設計提供依據。

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海岸工程動力環境數值模擬與分析技術


海岸工程動力環境計算分析是海岸工程建設的關鍵前提,可以為工程設計提供環境荷載設計標準,並可為工程可行性研究提供工程環境影響預測分析。

海岸區水深地形複雜,潮流、波浪、風暴潮、泥沙運動等不同時空尺度動力因素間的非線性耦合作用顯著,海岸工程的水動力環境與海床沖淤演變數值模擬極為困難。

基於質量守恆和牛頓第二定律所得到的Navier-Stokes方程(簡稱N-S方程)是流體運動的基本方程。然而,完整的N-S方程求解起來十分複雜且耗時巨大。海岸環境中的多數流動問題,如潮波、風暴潮、海嘯等,其垂向尺度(數米至數百米)遠小於水平尺度(數百千米至數千千米),因此可歸為「淺水流動」問題。在淺水流動中,靜壓假設成立,即認為在垂向上流體重力與垂向壓強梯度力平衡,垂向加速度和其他作用力的垂向分量可忽略不計,自由水面僅為地點的函數。據此可將原始的N-S

方程簡化為靜壓方程。與原始N-S方程相比,該方程求解過程明顯簡化,計算速率也顯著提升,可用於海岸區域大範圍的水動力計算。

當垂向流速較小時,假設水平流速在垂直方向均勻分布,將N-S方程沿水深積分,則可以得到經典的淺水方程。淺水方程為平面二維模型,可以計算得到水面高度和水深平均流速;靜壓方程又稱准三維方程,可以計算得到垂向流速和水平流速的垂向結構。靜壓方程和淺水方程是海岸工程領域中水動力模型的控制方程。

1973年,Leendertse等首先開展了三維水流數值模擬的研究工作,提出了模擬三維水流的分層方法。Leendertse在垂直方向採用固定分層法,在每層中沿水深積分使之成為二維問題,並用ADI格式進行數值離散。1985年,趙士清也提出了將水體空間在垂向上劃分為若干層,將求解三維問題簡化為求解一系列二維問題,各層之間通過內摩擦阻力來連接,這些數值模型是三維模型最初的基本特徵和研究方法。後來,為了更好地模擬海底地形的變化,Philips提出的垂向σ坐標變化被應用到河口與海岸三維模型中,亦稱為垂向伸縮坐標系統,這種垂直坐標系統可以在不同的水深處進行均勻分層,而且岸邊界的處理也變得極為方便。應用較為廣泛的這類模型有普林斯頓大學的POM模型、義大利的TRIM3D模型、荷蘭代爾夫特理工大學的DELFT3D模型、美國威廉瑪麗學院的SCHISM模型、美國麻州大學研發的FVCOM模型、ROMS基礎上發展的COAWST模型、歐洲的水動力與生態耦合模型COHERENS等一系列海洋動力數值模型。國內,海岸、河口數值模型發展和應用方面也做了很多有意義的工作。

隨著數值計算方法的發展與解決實際問題的不同需求,河口海岸模型的數值方法也不盡相同。按照數值離散方法,可分為有限差分法、有限元法、有限體積法;按照網格形狀,可分為矩形、三角形、多邊形、曲線正交網格和混合網格;按照時間差分格式,可分為顯式、隱式、半隱式等。針對激波、不連續流等問題,有TVD格式、Godunov格式、間斷伽遼金格式等;針對跨尺度問題,有非結構網格、動態自適應網格、多重網格和亞網格等技術方法。這些數值方法的發展使得海岸模型的計算精度、計算效率獲得了大幅的提高,在海岸工程領域的應用也更加廣泛。

儘管經歷了40餘年的發展與完善,但是隨著人們對海岸動力過程理解的深入和數值方法的發展,海岸動力環境模擬仍然是海岸工程領域的研究熱點,尤其在多動力因素相互作用機制與耦合方法,以及多尺度問題的高精度、高效率模擬技術等方面。

在波浪設計標準的數值推算與分析方面,極端颱風浪模擬主要使用再分析風場或者Holland颱風模型風場。但波浪場模擬結果精度不高,尤其是颱風路徑附近。在波浪後報結果統計分析方面,樣本選取和重現期推算多採用年極值法。該方法由於每年僅有一個極值,樣本數據量不夠大,單個樣本數據發生的偶然性可顯著影響長重現期波浪推算結果的穩定性和準確性。海岸區波浪、海流、泥沙運動等多種動力因素耦合共存,對海岸動力過程的準確模擬形成了很大的挑戰。針對上述問題,《海岸動力環境與新型結構的水動力模擬分析方法》中探討波浪影響下的表面風拖曳力與海底剪切應力、懸沙對湍流衰減作用以及風暴潮漫灘過程中的波浪作用機制。在此基礎上,基於COHERENS模型,聯合第三代波浪模型SWAN,構建波浪、海流、泥沙耦合模型,並進一步介紹該模型的實際工程應用案例。

濱海濕地是海洋-陸地過渡區域的一種典型生態系統,其複雜的地貌形態和強烈的生態-地貌耦合過程使得傳統海岸模型在該區域的應用面臨著很多困難。《海岸動力環境與新型結構的水動力模擬分析方法》中介紹了可以合理考慮尺度小於計算網格的微地形特徵(如細窄潮溝)的亞網格水動力模型,並以此為基礎建立了綜合考慮水動力-泥沙輸運-地貌演變-植被演化之間相互作用的濱海濕地生態-地貌耦合模型。

新型海岸結構物水動力分析方法與設計理論

海岸結構物是開發、利用和保護海岸帶空間與礦產資源的重要基礎設施,其結構型式複雜多樣,根據不同功能可以歸為兩大類。

一類是直接抵禦波浪、風暴潮、海流等嚴酷的環境荷載,為海岸帶、沿海基礎設施、人類活動等提供掩護的海岸防護結構,主要包括海堤、護岸、防波堤等;

另一類則是海上交通以及海岸帶資源開發的依託設施,主要包括碼頭、人工島、進海路、跨海橋隧等。關於各類海岸結構物的詳細功能和分類可以參考美國的Coastal Engineering Manual和我國的《海岸工程》等文獻。各類海岸結構物的工程造價昂貴,一旦破壞,將造成巨大的人員傷亡、經濟損失和環境破壞。新型海岸結構物研發及其安全設計、建造與運行維護技術,是目前海岸工程研究中的熱點問題。

新型海岸結構物的發展與社會經濟的發展以及工程建設水平的進步息息相關,特別是近二十年來,海岸帶環境保護與可持續發展的需求日益強烈,海岸結構物由最初滿足結構自身安全和基本功能的要求,發展為兼顧安全、環保、經濟的新一代結構。Takahashi曾以防波堤為例,闡述了傳統海岸結構物的發展歷程:從公元前2000年埃及亞歷山大修建的早期堆石防波堤開始,防波堤結構經歷了從斜坡式到直立式的發展歷程,具體而言就是從緩坡堆石結構到陡坡結構,從高基床複合型結構到低基床直立式結構,從斜坡堆石防波堤到複合型防波堤。Allsop詳細梳理了英國直立式防波堤的發展歷史。van

der Meer總結了傳統斜坡堆石結構的概念設計方法,Goda給出了直立式海岸結構物的工程設計方法,EurOtop中則詳細給出了各類海岸結構物的波浪爬高和越浪量計算方法。可以看出,對於傳統的直立式和斜坡式海岸結構物,其工程設計理論比較完善,工程建造和運行維護技術也相對比較成熟。

為降低結構物承受的波浪等環境荷載,提高結構的安全性,同時降低工程建設對海岸環境的負面影響,新型透空消能式結構逐漸成為目前海岸結構物的發展趨勢。20世紀60年代,加拿大的Jarlan提出了開孔消能沉箱結構,就是將傳統矩形沉箱的前牆開孔,波浪通過開孔牆進入消浪室消能,可以有效降低結構的波浪力、反射係數和越浪量。目前,矩形開孔沉箱結構已經在國內外各類工程中得到大量應用,取得了很好的工程效果。半圓型(開孔)沉箱則是另一種得到大量成功應用的新型海岸結構物。20世紀90年代日本宮崎港最早修建了半圓型防波堤的工程試驗段,經過深入改進提高後,在我國天津港、長江口深水航道整治等工程中得到大量成功應用。目前,我國《防波堤設計與施工規範》(JTS

154-1—2011)已經在附錄H和J中分別給出了矩形開孔沉箱和半圓型沉箱的波浪力工程計算方法。為滿足現代海岸工程的發展需求,更多不同型式的透空消能式海岸結構物被開發應用於實際工程。例如,德國近年來注重採用親和性的海岸防護型式,開發應用了移動式海堤、分離式擋浪牆等新型海岸結構物,工程應用效果顯著。我國東營勝利油田灘淺海地區的動力環境複雜,海床沖刷劇烈,生態環境脆弱,「海油陸采」工程需要修建人工島和進海路,為最大限度降低環境影響,提高結構抗沖刷能力,研發了全直樁透空式進海路結構,達到了兼顧安全、環保、經濟的工程應用效果。


為研發各類新型海岸結構物,提高工程設計、建設和運行維護水平,降低海上工程的安全風險與環境風險,亟鬚髮展高效的新型海岸結構物水動力分析方法和工程設計理論。研究海岸結構物的水動力特性,基本研究手段包括理論分析、計算流體力學數值模擬和物理模型試驗。隨著計算機能力的不斷提高,可以通過求解N-S方程,建立數值波浪水槽(池),模擬、分析波流與結構物的相互作用過程,陶建華和Lin等在其論著中對計算流體力學數值模擬方法進行了詳細介紹。特別是近年OpenFOAM等開源計算流體力學模型得到廣泛驗證和應用,為新型海岸結構物提供了有效的數值模擬工具。與數值模擬不同,解析(理論)或半解析方法的分析過程簡單,物理意義明確,通過合理的簡化和數學描述,能夠闡明結構物水動力特性的基本變化規律,可以為工程設計等提供有效指導。目前,國內還很少有論著專門闡述透空消能式海岸結構物水動力特性的解析和半解析分析方法,《海岸動力環境與新型結構的水動力模擬分析方法》將專門針對該類問題進行深入介紹,選取典型的消能式海岸結構物,闡述該類問題的基本方程、數學描述方法以及水動力分析技術,並結合工程應用進行必要的算例分析與討論。

海岸結構物的基礎淘刷問題是工程建設中的重點研究內容之一,而動床物理模型試驗是該問題的重要分析手段。但是,波浪水質點的往復運動,導致海床一直處於動態變化的過程。傳統海床演變試驗方法無法獲取動態變化的床面,限制了海床沖淤的高精度試驗分析,因此,對流場與床面無干擾的海床動態演變試驗研究日益受到重視。

本文摘編自李華軍,梁丙臣,劉勇著《海岸動力環境與新型結構的水動力模擬分析方法》緒論,內容有刪減。

海岸動力環境與新型結構的水動力模擬分析方法

李華軍,梁丙臣,劉勇 著

責任編輯:劉寶莉

北京:科學出版社 2017.03

ISBN 978-7-03-052195-8

《海岸動力環境與新型結構的水動力模擬分析方法》主要圍繞海岸區域的動力環境和新型海岸結構物的水動力模擬分析方法開展論述。書中介紹了用於颱風波浪模擬的混合風場模型、不同設計波要素樣本遴選與統計分析方法、海面與海底剪切應力及風暴潮漫灘過程中的波浪作用機制、基於亞網格的海岸動力環境數值模擬方法、海床沖淤演變連續過程的物理模型試驗研究方法;介紹了新型透空消能式海岸結構物水動力分析的基礎理論,闡述了匹配特徵函數展開、多極子分析、速度勢分解以及分區邊界元分析方法,討論了新型結構物的水動力特性。

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