柵欄板護(hù)面下護(hù)岸越浪數(shù)值模擬

紀(jì)君娜

(山東省調(diào)水工程運(yùn)行維護(hù)中心棘洪灘水庫(kù)管理站，山東 青島 266111)

在實(shí)際的水庫(kù)和海岸工程中，波浪沖擊是危害工程安全的主要因素[1]。護(hù)岸作為一種工程防護(hù)結(jié)構(gòu)，在具有防波浪沖擊能力的同時(shí)，也能夠?qū)^大的波浪進(jìn)行消波，從而保證波浪盡可能少地越頂，避免對(duì)陸上建筑和公眾安全產(chǎn)生影響[2-3]。因此，對(duì)護(hù)岸進(jìn)行消波，減少越浪的相關(guān)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(yàn)進(jìn)行研究。Owen[4]在進(jìn)行大量的物理模型試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)斜坡越浪量進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，總結(jié)出波浪爬高和平均越浪量的經(jīng)驗(yàn)公式。在國(guó)內(nèi)的研究中，陳謙等[5]在規(guī)則波條件下，通過設(shè)置不同干舷高度對(duì)各種潛堤進(jìn)行越浪試驗(yàn)，給出了一系列的實(shí)測(cè)越浪量。廖可陽(yáng)[6]進(jìn)行了CABION(格賓)護(hù)岸的試驗(yàn)研究，得出波浪爬高規(guī)律。由于物理模型試驗(yàn)過程需要花費(fèi)大量時(shí)間和財(cái)力，且隨著計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(computational fluid dynamics, CFD)的發(fā)展，采用數(shù)值模擬進(jìn)行護(hù)岸越浪的研究開展較多。劉亞男等[7]在規(guī)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(duì)帶柵欄板的斜坡堤進(jìn)行越浪量數(shù)值模擬，得出柵欄板護(hù)面相對(duì)于光面斜坡，越浪量的折減系數(shù)約為0.81。已有研究對(duì)斜坡越浪量機(jī)理進(jìn)行了闡述，并在不同條件下進(jìn)行了各種結(jié)構(gòu)形式的越浪量對(duì)比，但上述研究尚無對(duì)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(jìn)一步探索。

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

1 數(shù)值模型

1.1 模型設(shè)計(jì)

為了更好地模擬護(hù)坡上越浪過程，本文構(gòu)建了一個(gè)二維數(shù)值波浪水槽，如圖1 所示，坐標(biāo)原點(diǎn)(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?yàn)閥軸的負(fù)方向。柵欄板護(hù)面式護(hù)岸的模型設(shè)計(jì)，如圖2 所示。護(hù)岸的坡度定義為α。護(hù)岸的總長(zhǎng)度定義為L(zhǎng)，固定護(hù)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(cè)量的，水深為H，干舷為Hf。

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

圖2 柵欄板護(hù)面式護(hù)岸模型Fig.2 Fence panel protective surface slope model

1.2 控制方程

本文采用二維數(shù)值波浪水槽進(jìn)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(xù)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(shù)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(shù)值模型

二維數(shù)值波浪水槽網(wǎng)格構(gòu)建采用四邊形網(wǎng)格與三角形網(wǎng)格結(jié)合的方式，護(hù)岸處為三角形網(wǎng)格，水槽段為四邊形網(wǎng)格。為了檢測(cè)水面的波動(dòng)及越浪水體在護(hù)岸上的爬升過程，在護(hù)岸表面和自由水面進(jìn)行網(wǎng)格加密，水面處網(wǎng)格加密寬度為波高H的1/15,波運(yùn)動(dòng)方向?yàn)椴ㄩL(zhǎng)λ的1/60，時(shí)間步長(zhǎng)為0.01 s。設(shè)置護(hù)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(chǎn)生入射波。網(wǎng)格加密細(xì)節(jié)如圖3所示。

圖3 護(hù)岸模型計(jì)算網(wǎng)格及加密圖Fig.3 Slope model calculation grid and refinement diagram

2 結(jié)果與分析

以二維護(hù)岸數(shù)值模型為研究對(duì)象，在規(guī)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(duì)于護(hù)岸過頂越浪量的影響研究。工況設(shè)計(jì)如表1所示。

表1 參數(shù)及工況設(shè)計(jì)

在本研究中，過頂?shù)脑嚼肆渴窃u(píng)價(jià)柵欄板消波性能的主要性能指標(biāo)。單寬平均越浪量的計(jì)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(shí)間間隔；b為護(hù)岸收集越浪量接水寬度。

2.1 柵欄板護(hù)面對(duì)過頂越浪量的影響

由圖4可以看出，當(dāng)入射波高為10 cm時(shí)，兩種護(hù)面情況斜坡的過頂越浪量隨著入射周期的增大均呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。無柵欄板護(hù)面時(shí)，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(hù)面時(shí)高25.9%。原因在于，越浪水體在斜坡上爬升的過程中，當(dāng)下墊面為柵欄板時(shí)，由于間隙的存在導(dǎo)致越浪水體湍流運(yùn)動(dòng)更加明顯，導(dǎo)致越浪水體損失動(dòng)能。說明柵欄板護(hù)面能達(dá)到較好的消波效果，這與數(shù)值模擬檢測(cè)到的過程相似，一個(gè)周期內(nèi)波浪爬升過程如圖5所示。可以看出有柵欄板護(hù)面斜坡的單波越浪量較小，消波效果明顯。

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

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

2.2 護(hù)岸坡度對(duì)過頂越浪量的影響

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

當(dāng)干舷高度為20 cm時(shí)，不同周期下，由于入射波高較小，兩種坡度斜坡均未產(chǎn)生過頂越浪水體。如圖6(a)所示，當(dāng)干舷高度為15 cm時(shí)，坡度較陡的斜坡僅在大周期2 s時(shí)產(chǎn)生越浪現(xiàn)象，為0.5×10-3m3/(m·s)。坡度較緩的斜坡在周期1.25 s時(shí)未產(chǎn)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(dāng)干舷高度為10 cm時(shí)，兩種坡度斜坡在不同周期下表現(xiàn)出相同的規(guī)律，即坡度較陡斜坡產(chǎn)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(chǎn)生破碎，使得水體的動(dòng)能大幅降低，從而更少的水體越過坡頂。但實(shí)際工程中，斜坡坡度越大，也會(huì)導(dǎo)致斜坡整體結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定。因此，在進(jìn)行護(hù)岸的修筑過程中，要充分考慮當(dāng)?shù)氐牟r及地質(zhì)條件，在規(guī)定的范圍內(nèi)合理選擇護(hù)岸坡度。

2.3 柵欄板間距對(duì)過頂越浪量的影響

在實(shí)際的工程中，柵欄板的開口間距也是一個(gè)重要的結(jié)構(gòu)參數(shù)，不同的柵欄板間距會(huì)對(duì)護(hù)岸的過頂越浪量產(chǎn)生一定影響。需要說明的是，根據(jù)《防波堤與護(hù)岸設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]中對(duì)柵欄板結(jié)構(gòu)的規(guī)定，柵欄板結(jié)構(gòu)為上窄下寬的梯形，而非文章設(shè)計(jì)的矩形，本文為了研究間距的影響，對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)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(shí)，間距l(xiāng)=4.5 cm的q值達(dá)到最大，為11.2×10-3m3/(m·s)。在周期T=1.25 s時(shí)，3種情況的q值差距不大。在其他周期條件下，間距l(xiāng)=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(shí)候，在相同長(zhǎng)度內(nèi)，可以布置更多柵欄板，使得護(hù)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(hù)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(jié)果一致，當(dāng)入射波穩(wěn)定后，通過圖8可以發(fā)現(xiàn)，在水體爬升過程中，間距較小時(shí)，波浪破碎嚴(yán)重，卷氣現(xiàn)象明顯，波浪爬高較小。

圖7 不同間距柵欄板過頂越浪量對(duì)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(duì)比圖Fig.8 Comparison of wave crossing processes of fence panels with different spacing

3 結(jié)論

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

護(hù)岸的設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的工作，本文設(shè)計(jì)的柵欄板進(jìn)行了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，對(duì)于柵欄板下部的滲透性尚未考慮，因此，在后續(xù)的工作中，應(yīng)進(jìn)一步完善模擬精度，考慮多種情況，并進(jìn)行物理模型試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。