波浪与抛石堤的相互作用和弹性海床动力分析

论文摘要

波浪作用下海床地基的动力稳定性是近海和离岸工程建筑物在设计和建造过程中必须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下,会引起海床内孔隙水压力和有效应力的变化,致使海床出现土体位移和变形,在一定条件下甚至发生土体剪切破坏和沙土液化现象,波浪与海工建筑物常采用的抛石多孔介质之间的相互作用及其海床动力响应是海洋工程中普遍存在的技术难题,处理不当可能导致海床失稳,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问题具有重要的理论和工程意义。本文针对波浪与抛石潜堤的相互作用及其海床的弹性动力响应问题进行了重点研究。基于波浪域和抛石介质孔隙流体域的理论分析,采用紊流Navier-Stokes方程,引入k-ε模型来封闭雷诺方程,建立了波浪水域数学模型。采用VOF法对自由表面进行跟踪并用保持两个流域交界处流速和水压相等的条件解决了波浪-抛石介质相互耦合作用问题,编制了有限差分程序,将计算结果进行分析,探讨了孤立波作用下不同入射波浪要素、水深、抛石介质孔隙率和堤断面尺寸条件时堤前堤后波高、堤内孔隙水压力和孔隙流场的变化规律。基于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,依据横观各向同性饱和多孔介质Biot动力渗透-固结理论,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。应用动力固结有限元程序对浅水椭余波作用下横观各向同性海床的动力响应问题进行了系统参数分析,得到不同波浪要素组次及有、工况下海床内孔隙水压力等参数的变化规律。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究意义
• 1.2 研究进展
• 1.2.1 波浪运动的数值研究
• 1.2.2 国内外海床模型的研究状况
• 1.2.3 床面上的波浪压力计算模型
• 1.2.4 波浪引起的渗流－孔隙流研究
• 1.3 研究存在的问题
• 1.4 主要研究内容
• 第二章 波浪水域及孔隙流体域数学模型
• 2.1 波浪域计算理论
• 2.1.1 波浪控制方程
• 2.1.2 孤立波的产生
• 2.1.3 椭余弦波的产生
• 2.1.4 开放边界条件
• 2.2 抛石棱体孔隙水流控制方程
• 2.3 VOF 方法
• 2.3.1 网格划分
• 2.3.2 控制方程的离散
• 2.3.3 壁函数技术
• 2.3.4 VOF 方法流体自由表面追踪
• 2.4 边界条件及稳定收验条件
• 2.4.1 边界条件的设置
• 2.4.2 数值稳定－收敛条件
• 2.5 波浪与孔隙流的耦合讨论
• 第三章 波浪作用下横观各向同性海床动力响应分析
• 3.1 土体各向异性特征的基本概念和描述
• 3.2 横观各向同性弹性本构理论
• 3.2.1 各向异性线弹性本构关系
• 3.2.2 横观各向同性本构关系的坐标转换
• 3.2.3 横观各向同性弹性半空间问题的基本方程
• 3.3 横观各向同性饱和多孔介质动力方程
• 3.3.1 横观各向同性海床的Biot 固结控制方程
• 3.3.2 横观各向同性海床的渗流控制方程
• 3.3.3 横观各向同性海床控制方程的退化
• 3.4 动力固结有限元程序的建立
• 3.4.1 等参单元及其特征
• 3.4.2 建立单元方程
• 3.4.3 单元方程的矩阵形式
• 3.4.4 总体方程
• 3.4.5 积分方法的确定
• 3.4.6 二维动弹性固结问题有限元程序计算流程
• 第四章 孤立波与抛石潜堤相互作用的数值模拟
• 4.1 计算模型与边界条件
• 4.2 计算结果验证及分析
• 4.2.1 孤立波作用下波浪与抛石潜堤的相互作用
• 4.2.2 各采样点的波高历时曲线和孔隙流压力历时曲线
• 4.2.3 孤立波作用下的波浪流场和孔隙流场及其波面变化
• 第五章 波浪作用下海床动力响应的数值模拟分析
• 5.1 抛石潜堤下均质沙床的数值模型和计算结果分析
• 5.1.1 抛石潜堤下均质沙床的数值模型和计算参数
• 5.1.2 波浪作用下设有抛石潜堤的海床动力响应分析
• 5.2 波浪作用下横观各向同性海床动力响应分析
• 5.2.1 波浪作用下横观各向同性海床数值模型和计算参数
• 5.2.2 横观各向同性海床各向异性指标的计算
• 5.2.3 横观各向同性海床动力响应结果分析
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录 A 攻读学位期间发表论文目录
• 附录 B 攻读学位期间从事科研项目目录