柵欄板護面下護岸越浪數值模擬

紀君娜

(山東省調水工程運行維護中心棘洪灘水庫管理站，山東 青島 266111)

在實際的水庫和海岸工程中，波浪沖擊是危害工程安全的主要因素[1]。護岸作為一種工程防護結構，在具有防波浪沖擊能力的同時，也能夠對較大的波浪進行消波，從而保證波浪盡可能少地越頂，避免對陸上建筑和公眾安全產生影響[2-3]。因此，對護岸進行消波，減少越浪的相關研究具有重要的工程意義。

在已有研究中，主要是采用物理模型試驗進行研究。Owen[4]在進行大量的物理模型試驗的基礎上，對斜坡越浪量進行了系統的研究，總結出波浪爬高和平均越浪量的經驗公式。在國內的研究中，陳謙等[5]在規則波條件下，通過設置不同干舷高度對各種潛堤進行越浪試驗，給出了一系列的實測越浪量。廖可陽[6]進行了CABION(格賓)護岸的試驗研究，得出波浪爬高規律。由于物理模型試驗過程需要花費大量時間和財力，且隨著計算流體動力學(computational fluid dynamics, CFD)的發展，采用數值模擬進行護岸越浪的研究開展較多。劉亞男等[7]在規則波條件下，模擬了光滑斜坡的越浪過程。閆科諦等[2]和張志杰[8]通過對帶柵欄板的斜坡堤進行越浪量數值模擬，得出柵欄板護面相對于光面斜坡，越浪量的折減系數約為0.81。已有研究對斜坡越浪量機理進行了闡述，并在不同條件下進行了各種結構形式的越浪量對比，但上述研究尚無對不同坡度條件下，不同坡面形式的越浪量的研究，因此值得進一步探索。

本文基于Fluent軟件建立二維數值波浪水槽，在規則波條件下，采用不同波況組合，模擬帶柵欄板護面斜坡在不同坡度和柵欄板間距下的越浪過程并計算過頂越浪量。

1 數值模型

1.1 模型設計

為了更好地模擬護坡上越浪過程，本文構建了一個二維數值波浪水槽，如圖1 所示，坐標原點(x，y)位于水槽底部造波端，其中x軸沿水平正方向，y軸沿垂直正方向，重力加速度g方向為y軸的負方向。柵欄板護面式護岸的模型設計，如圖2 所示。護岸的坡度定義為α。護岸的總長度定義為L，固定護岸垂直高度HT=0.5 m。上層坡頂用LT表示,水平寬度為0.3 m。柵欄板厚度固定為2.5 cm，柵欄板的空隙間距用l來表示，這些空隙間距是沿著斜坡測量的，水深為H，干舷為Hf。

圖1 二維數值水槽示意圖Fig.1 Schematic of a 2D numerical flume

圖2 柵欄板護面式護岸模型Fig.2 Fence panel protective surface slope model

1.2 控制方程

本文采用二維數值波浪水槽進行越浪量研究。假定模擬中流體為不可壓縮黏性流體。控制方程為連續性方程和雷諾平均N-S方程，如式(1)和(2)所示：

(1)

(2)

采用RNGk-ε模型來封閉上述方程，使用VOF 模型來模擬數值水槽中波浪的傳播爬升以及越浪過程。采用的算法是PISO 算法，為壓力的隱式算子分割算法。

1.3 數值模型

二維數值波浪水槽網格構建采用四邊形網格與三角形網格結合的方式，護岸處為三角形網格，水槽段為四邊形網格。為了檢測水面的波動及越浪水體在護岸上的爬升過程，在護岸表面和自由水面進行網格加密，水面處網格加密寬度為波高H的1/15,波運動方向為波長λ的1/60，時間步長為0.01 s。設置護岸與造波板以及水槽底面為壁面邊界(wall)，水槽頂部為壓力出口邊界條件(pressure-inlet)，采用推板造波的方式產生入射波。網格加密細節如圖3所示。

圖3 護岸模型計算網格及加密圖Fig.3 Slope model calculation grid and refinement diagram

2 結果與分析

以二維護岸數值模型為研究對象，在規則波條件下，采用3組水深(D)、1組入射波高(H)和4組入射周期(T)組合，開展柵欄板空隙間距(l)、坡度(a)和柵欄板厚度對于護岸過頂越浪量的影響研究。工況設計如表1所示。

表1 參數及工況設計

在本研究中，過頂的越浪量是評價柵欄板消波性能的主要性能指標。單寬平均越浪量的計算如式(3)所示[9]:

(3)

式(3)中,q為單寬平均越浪量[m3/(m·s)]；V為越浪過程的總越浪量(m3)；t為越浪過程時間間隔；b為護岸收集越浪量接水寬度。

2.1 柵欄板護面對過頂越浪量的影響

由圖4可以看出，當入射波高為10 cm時，兩種護面情況斜坡的過頂越浪量隨著入射周期的增大均呈現增大的趨勢。無柵欄板護面時，斜坡的過頂越浪量最大值為5.2×10-3m3/(m·s)，其平均值比有柵欄板護面時高25.9%。原因在于，越浪水體在斜坡上爬升的過程中，當下墊面為柵欄板時，由于間隙的存在導致越浪水體湍流運動更加明顯，導致越浪水體損失動能。說明柵欄板護面能達到較好的消波效果，這與數值模擬檢測到的過程相似，一個周期內波浪爬升過程如圖5所示。可以看出有柵欄板護面斜坡的單波越浪量較小，消波效果明顯。

圖4 兩種護面情況斜坡過頂越浪量對比圖Fig.4 Comparison of wave overtopping of slopes under two types of protection conditions

圖5 兩種護面情況斜坡越浪過程Fig.5 Slope surfacing processes under two types of protection conditions

2.2 護岸坡度對過頂越浪量的影響

圖6 兩種斜坡坡度過頂越浪量對比圖Fig.6 Comparison of wave overtopping volumes of two slopes

當干舷高度為20 cm時，不同周期下，由于入射波高較小，兩種坡度斜坡均未產生過頂越浪水體。如圖6(a)所示，當干舷高度為15 cm時，坡度較陡的斜坡僅在大周期2 s時產生越浪現象，為0.5×10-3m3/(m·s)。坡度較緩的斜坡在周期1.25 s時未產生越浪，隨著周期的增大，過頂越浪量也隨之增大，且q值均大于坡度較陡的斜坡。如圖6(b)所示，當干舷高度為10 cm時，兩種坡度斜坡在不同周期下表現出相同的規律，即坡度較陡斜坡產生更小的過頂越浪量。原因在于，坡度越大，水體在爬升過程中更容易產生破碎，使得水體的動能大幅降低，從而更少的水體越過坡頂。但實際工程中，斜坡坡度越大，也會導致斜坡整體結構的不穩定。因此，在進行護岸的修筑過程中，要充分考慮當地的波況及地質條件，在規定的范圍內合理選擇護岸坡度。

2.3 柵欄板間距對過頂越浪量的影響

在實際的工程中，柵欄板的開口間距也是一個重要的結構參數，不同的柵欄板間距會對護岸的過頂越浪量產生一定影響。需要說明的是，根據《防波堤與護岸設計規范》[1]中對柵欄板結構的規定，柵欄板結構為上窄下寬的梯形，而非文章設計的矩形，本文為了研究間距的影響，對該結構進行了簡化處理。

由圖7可知，隨著周期的增大，3種情況的q值均變大，在周期T=2 s時，間距l=4.5 cm的q值達到最大，為11.2×10-3m3/(m·s)。在周期T=1.25 s時，3種情況的q值差距不大。在其他周期條件下，間距l=2.5 cm的q值均小于其他兩種情況，且同一周期下，間距越大，越浪量q值越大。分析得出，在一定條件下，柵欄板間距偏小的時候，在相同長度內，可以布置更多柵欄板，使得護岸的下墊面糙率變大，在越浪水體爬升的過程中，較小柵欄板間距的護岸波浪破碎更為劇烈，且由于破浪破碎帶來的能量損失使得越浪水體的爬高較小。這與模擬過程(圖8)中獲得的結果一致，當入射波穩定后，通過圖8可以發現，在水體爬升過程中，間距較小時，波浪破碎嚴重，卷氣現象明顯，波浪爬高較小。

圖7 不同間距柵欄板過頂越浪量對比圖Fig.7 Comparison of wave surpasses of fence panels with different spacing

圖8 不同間距柵欄板越浪過程對比圖Fig.8 Comparison of wave crossing processes of fence panels with different spacing

3 結論

本文利用CFD軟件Fluent建立了二維波浪數值水槽，在規則波條件下，模擬了光滑護岸和帶柵欄板護面護岸的越浪過程。結果得出:在有柵欄板護面情況下，護岸的消波能力提升顯著；同等柵欄板護面時，較小坡度的護岸消波能力較強；在一定條件下，較小間距的柵欄板護面，越浪水體破碎更大，護岸消波能力更優。

護岸的設計是一個復雜的工作，本文設計的柵欄板進行了結構簡化，對于柵欄板下部的滲透性尚未考慮，因此，在后續的工作中，應進一步完善模擬精度，考慮多種情況，并進行物理模型試驗進行驗證。