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波浪与抛石堤的相互作用和弹性海床动力分析

陈明伟  
【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。


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