波浪与抛石防波堤相互作用及其砂质海床动力响应分析

论文摘要

波浪作用下海床地基的动力稳定性是近海岸及离岸工程建筑物在设计和建造过程中必须充分考虑的重要问题之一。海洋上传播的波浪在海水与海床的交界面处施加了循环波压力荷载。在这种循环的波压力作用之下,会引起海床内孔隙水压力与有效应力变化,致使海床出现土体位移和变形,在一定条件下可能发生土体剪切破坏和砂土液化现象；而波浪与防波堤相互作用及其海床和抛石介质的动力响应问题求解也是海洋工程中普遍存在的另一技术难题,对基岩特性的忽视和不适当的工程处置可能导致海床失稳,乃至海床上建筑物的破坏。因此研究波浪与防波堤相互作用及其海床动力响应和基岩特性影响问题具有重要理论及工程意义。文中针对波浪与带有抛石介质防波堤的相互作用及其相应的砂质海床和没有建筑物的纯砂质海床的动弹性响应问题,通过国内外广泛调研、理论分析、模型试验和数值模拟计算对其进行了深入研究,获取的研究成果主要有以下几方面：（1）通过室内物理模型试验,研究了线性波或浅水椭圆余弦波作用下不同海床介质、波浪类型、波高、周期和水深等因素影响下抛石潜堤、海床和带抛石基床防波堤海床的动力响应问题,获得了孔隙水压力等物理量分布及其响应变化规律；（2）基于对波浪域和孔隙流体域的理论分析,建立波浪域的紊流Navier-Stokes方程和抛石多孔介质孔隙流体域的Forchheimer方程,采用VOF方法对自由表面进行跟踪,引入k-e模型来封闭雷诺方程,籍之构建了整个波浪场的控制方程,来描述非线性较强的波浪行为及大颗粒多孔介质内部的孔隙流；（3）基于描述波浪-抛石介质相互耦合作用的VOFFDM计算模型程序,计算得到了不同入射波要素、水深、抛石介质孔隙率和堤断面尺寸等因素影响下海床的动力响应规律,揭示了堤前堤后波高、堤内孔隙水压力和孔隙流场随波浪性质、波要素、水深以及抛石介质孔隙率和堤断面尺寸等因素影响下的变化特征,为进一步分析防波堤下卧海床内沿程动力响应以及抛石单体和防波堤整体的稳定性提供了重要依据。物模试验结果验证了VOFFDM程序的有效性与可靠性。（4）针对天然饱和海床固有的各向异性特征,将天然海床假定为横观各向同性的饱和多孔介质,基于横观各向同性饱和多孔介质Biot动力渗透-固结理论,文中首次建立了横观各向同性饱和海床的动力方程,编制了动力固结有限元程序BCFEM,模型试验结果验证了程序的有效性与可靠性。（5）应用动力固结有限元程序BCFEM,对线性波和浅水椭圆余弦波作用下的均质各向同性饱和海床、非均质各向异性饱和海床的动力响应问题进行了深入研究,获取了不同波浪要素组合下及其有无防波堤海床内孔隙水压力等参数的变化规律,揭示了海床对波浪的动力响应是由波浪要素和海床介质特性共同决定的,其中波高和波周期是其主要的控制参数,海床固有的非均质性和各向异性特征对其孔隙水压力和有效应力等分布具有较显著影响。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 研究意义
• 1.2 研究进展
• 1.2.2 波浪运动及其数值计算
• 1.2.3 海床计算模型
• 1.2.4 床面上的波浪压力计算模型
• 1.2.5 波浪和海床相互作用问题
• 1.2.6 岩土介质渗流-孔隙流研究
• 1.3 目前研究存在的问题
• 1.4 主要研究内容
• 第二章 波浪场及孔隙流场数学模型
• 2.1 引言
• 2.2 波浪场理论
• 2.2.1 波浪场基本方程
• 2.2.2 无反射数值造波及开放边界条件
• 2.3 孔隙流场控制方程
• 2.4 海床面上边界层运动方程
• 2.4.1 紊流边界层运动方程
• 2.4.2 紊动粘滞系数
• 2.5 本章小结
• 第三章 波浪作用下横观各向同性海床动力响应分析
• 3.1 引言
• 3.2 土体各向异性理论
• 3.3 海床土的本构理论
• 3.3.1 横观各向同性材料的本构关系
• 3.3.2 本构关系坐标转换
• 3.3.3 弹性半空间问题的基本方程
• 3.4 饱和多孔介质海床土的动力方程
• 3.4.1 Biot固结方程
• 3.4.2 渗流控制方程
• 3.4.3 控制方程退化
• 3.5 有限元理论
• 3.5.1 等参单元及其特征
• 3.5.2 单元伽辽金方程
• 3.5.3 单元刚度矩阵方程
• 3.5.4 总体刚度矩阵方程
• 3.5.5 积分方法
• 3.6 本章小结
• 第四章 波浪与抛石防波堤相互作用试验研究
• 4.1 引言
• 4.2 试验方案
• 4.2.1 波浪与抛石潜堤相互作用的模型试验研究方案
• 4.2.2 波浪与海床相互作用的模型试验研究方案
• 4.2.3 试验数据采集
• 4.3 波浪与抛石潜堤相互作用的模型试验研究
• 4.3.1 线性波与抛石潜堤相互作用的试验结果分析
• 4.3.2 椭圆余弦波与抛石潜堤相互作用的试验结果分析
• 4.3.3 波浪与抛石潜堤相互作用的试验结果分析
• 4.4 波浪与纯海床相互作用的模型试验研究
• 4.4.1 线性波与纯海床相互作用的试验结果分析
• 4.4.2 椭圆余弦波与纯海床相互作用的试验结果分析
• 4.5 波浪与直立式防波堤相互作用的模型试验研究
• 4.5.1 波浪与直立式防波堤相互作用的试验结果分析
• 4.5.2 波浪与纯海床相互作用的试验结果分析
• 4.6 本章小结
• 第五章 波浪与抛石防波堤相互作用数值分析
• 5.1 引言
• 5.2 波浪与抛石防波堤时空耦合计算模型的数值求解
• 5.2.1 时间离散法
• 5.2.2 空间离散的VOF方法
• 5.2.3 控制方程的求解
• 5.2.4 数值计算稳定与收敛条件
• 5.2.5 计算步骤
• 5.2.6 波浪与孔隙流的耦合作用求解
• 5.3 线性波作用下抛石潜堤动态响应的数值模拟
• 5.3.1 计算模型与边界条件
• 5.3.2 周期的影响
• 5.3.3 波高的影响
• 5.3.4 水深的影响
• 5.3.5 波浪流场和孔隙流场及其波面变化
• 5.4 浅水椭圆余弦波作用下抛石潜堤动响应的数值模拟
• 5.4.1 周期的影响
• 5.4.2 波高的影响
• 5.4.3 水深的影响
• 5.4.4 波浪流场和孔隙流场及其波面变化
• 5.4.5 抛石潜堤孔隙率的影响
• 5.4.6 抛石潜堤顶宽的影响
• 5.4.7 抛石潜堤高度的影响
• 5.5 浅水椭圆余弦波下可渗抛石基床防波堤动响应的数值模拟
• 5.6 数值计算与试验结果的对比分析
• 5.6.1 计算模型与计算参数
• 5.6.2 线性波作用下数值计算与试验结果的比较
• 5.6.3 浅水椭圆余弦波作用下数值计算与试验结果的比较
• 5.7 本章小结
• 第六章 波浪作用下海床动力响应分析
• 6.1 引言
• 6.2 波浪作用下海床动力学计算模型的校验
• 6.2.1 波浪作用下海床动力学的计算模型
• 6.2.2 数值计算与模型试验结果的对比
• 6.2.3 计算结果与模型实测结果之间偏差讨论
• 6.3 线性波或浅水椭圆余弦波下纯海床孔隙水压力变化特征
• 6.3.1 波浪作用下海床动力学的计算模型
• 6.3.2 波高的影响
• 6.3.3 周期的影响
• 6.3.4 水深的影响
• 6.3.5 海床介质砂粒粒径影响
• 6.3.6 海底介质泊松比的影响
• 6.3.7 海床介质渗透系数的影响
• 6.4 线性波作用下海床有效应力、动位移的变化特征
• 6.5 波浪作用下抛石基床防波堤海床孔隙水压力变化特征
• 6.5.1 计算模型和计算参数
• 6.5.2 波高的影响
• 6.5.3 周期的影响
• 6.5.4 水深的影响
• 6.5.5 砂床介质粒径的影响
• 6.6 波浪作用下各向异性海床动力响应变化特征
• 6.6.1 非均质海床的计算模型和计算参数
• 6.6.2 波浪作用下非均质海床的动力响应特征
• 6.7 波浪作用下横观各向同性海床孔隙水压力变化特征
• 6.7.1 横观各向同性海床的计算模型
• 6.7.2 横观各向同性海床的计算参数
• 6.7.3 横观各向同性弹性海床的的孔隙压力变化特征
• 6.8 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 主要研究结论
• 7.2 主要创新点
• 7.3 展望
• 参考文献
• 发表论文与参加科研工作
• 致谢词