近岸碎浪区考虑波浪湍流运动的防波堤海床地基稳定性研究

In offshore surf zone, breakwater is usually used to protect the coastline and marine structures from large wave damage. Therefore, the stability of breakwater foundation plays a key role in the support capacity of structure. Previous researches simply the wave-seabed-breakwater interaction as a two-dimensional problem, which ignore the influence of 3D turbulence flow such as flow vortex and wave breaking on the seabed foundation instability. In present research, both experimental method and numerical simulation are carried out to analyze the wave-seabed-breakwater interaction. The experimental test is established to reveal the development of liquefaction area with corresponding wave turbulence process. A three dimensional numerical code will be programmed based on the results of the experiments. The three dimensional wave-seabed-breakwater model couples multi-physic fields including fluid dynamics, solid mechanics and porous media mechanics. A turbulent module will be established for the waves propagating over a breakwater placed on a sloping beach. Based on the numerical model, the mechanism of seabed response and foundation stability under turbulent wave loading will be investigated. It is expected that the results and conclusions of present research provide a theoretical and technical support for the safety control of marine structure stability in surf zones. It is of great significance to promote the development of marine soil dynamics and ocean engineering with the results of present research.

近海区域的防波堤通常用于保护海岸及海工结构物，其下覆海床地基的稳定性对于发挥上部结构的承载性能起到非常关键的作用。波浪与防波堤相互作用产生的绕流、翻越、破碎等三维非线性湍流过程极易产生尺度各异的局部涡旋，引起海床地基内孔压与应力的重分布并加剧液化深度的发展，从而危及防波堤结构安全。本项目采用室内试验与数值模型相结合的方式，研究近岸碎浪区波浪湍流运动作用下防波堤海床地基的稳定特性。通过室内水槽试验，揭示防波堤附近湍流过程的水动力特性及饱和砂质海床响应机理，建立反映波浪传播过防波堤过程的湍流模型和砂质海床土层弹塑性本构；结合湍流导致的海床冲刷及液化变形，建立三维边坡上防波堤与波浪相互作用的多物理场数值模型，揭示波浪发生破碎过程中海床地基的响应规律和承载机理，提出波浪湍流运动影响下地基稳定性评估方法。研究成果将为海洋资源开发安全保障和海洋工程地质灾害防治提供理论依据和技术支撑。

防波堤下卧海床的稳定性对于发挥防波堤的防护功能起到非常关键的作用。本项目围绕近岸碎浪区非线性波浪与防波堤的相互作用过程、波致防波堤下卧海床响应规律和波浪-防波堤-海床多场耦机理等关键科学技术问题，开展了考虑湍流运动的波浪与防波堤相互作用研究、基于弹塑性假设的波致超静孔隙水压力计算和流固土单向耦合数值模型开发等研究工作。取得的主要成果如下：（1）采用两方程湍流模型研究了近岸碎浪区防波堤附近的水动力学过程，再现了波浪与防波堤相互作用过程中的破碎、绕流及翻越等物理现象，探讨了考虑波浪破碎的流场分布特征，明确了波浪波高、波长、水深、防波堤坡度与波压力的变化关系，为破碎波作用下防波堤海床地基的压力分布表征提供了有效的解决方法；（2）通过理论推导提出了基于弹塑性假设的波致超静孔隙水压力计算方法，改进了循环剪应力比的定义，将塑性体应变增量模式应用到低频的波浪作用中，提出了二维和三维条件下砂质海床的累积超静孔隙水压力增长与消散的控制方程，揭示了波致砂质海床累积液化的发展规律；（3）通过开发单项耦合算法，将计算流体力学模块（FVM）与海床模块（FEM）进行耦合，形成了考虑波浪湍流运动的波浪-防波堤-海床相互作用数学模型，研究波浪作用下防波堤周边海床响应规律，探讨了波浪破碎、翻越等引起的海床孔隙水压力大小及其发展模式，探究了不同入射波浪条件、海床参数及防波堤形式下海床地基孔隙水压力响应规律。研究成果可以为近岸与离岸工程中的防波堤稳定性设计提供理论依据。在本项目资助下，共发表学术论文16篇，一篇论文入选ESI高被引论文，参加国际学术会议2次，授权软件著作权2项，授权国家发明专利1项，培养硕士生1名，获上海市科技进步三等奖。