于西達(dá), 拾 兵, 叢曉紅, 高 楓

(中國(guó)海洋大學(xué)工程學(xué)院,山東 青島 266100)

引 言

近些年來,海灘給人類帶來經(jīng)濟(jì)效益,社會(huì)效益的同時(shí),其生態(tài)環(huán)境也遭受了不同程度的破壞,海灘侵蝕破壞也造成了巨大財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡[1]。在當(dāng)下海灘生態(tài)環(huán)境日益惡化和岸灘侵蝕日益嚴(yán)重的形勢(shì)下,如何采取經(jīng)濟(jì)有效的措施進(jìn)行保灘促淤已成為海岸工程研究的熱點(diǎn)話題[1]。人工魚礁不僅能夠沉沙促淤,改善沿海漁業(yè)生態(tài)環(huán)境,還能為近岸魚類等生物提供棲息環(huán)境[5]。

Fujihara等(1997)[7]首先將數(shù)值模擬應(yīng)用于對(duì)人工魚礁礁體周圍流場(chǎng)變化的研究,得到了魚礁周圍流場(chǎng)的分布范圍和分布特點(diǎn)。Clauss等(2000)[8]以物理模型試驗(yàn)為基礎(chǔ),通過數(shù)值模擬的方法對(duì)波浪作用下魚礁周圍的水動(dòng)力特性進(jìn)行了研究。吳建等(2011)[9]研究了波浪作用下方形多孔人工魚礁影響下懸浮泥沙的落淤機(jī)理以及岸灘地形的變化,對(duì)今后工程中應(yīng)用人工魚礁對(duì)岸灘防護(hù)具有指導(dǎo)意義。邵萬駿(2014)[10]利用數(shù)值水槽研究了開口比、來流速度、迎流角度和礁高間距比對(duì)人工魚礁流場(chǎng)效應(yīng)及穩(wěn)定性的影響規(guī)律,得出車葉型魚礁的流場(chǎng)效應(yīng)最強(qiáng),穩(wěn)定性最好,為人工魚礁的選型提供了依據(jù)。丁玲等(2019)[11]研究得出了人工礁體結(jié)構(gòu)變化對(duì)礁體下方床面的泥沙沖刷形態(tài)影響較大,多柱支撐結(jié)構(gòu)增加了礁體周圍床面的沖刷,改變水流流速對(duì)沖刷坑的形態(tài)影響不大,因此在設(shè)計(jì)礁體時(shí)要重點(diǎn)考慮礁體結(jié)構(gòu)。于定勇等(2020)[12]通過研究空心梯形臺(tái)礁體布設(shè)間距對(duì)其水動(dòng)力特性的影響,為今后魚礁布局設(shè)計(jì)和參數(shù)確定提供了依據(jù)。張碩等(2020)[13]以六邊形開口方形人工魚礁為研究對(duì)象,利用數(shù)值方法對(duì)魚礁阻力及阻力系數(shù)的研究,為人工魚礁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),迎流方式提供了理論依據(jù)。

近些年來,國(guó)內(nèi)外相關(guān)專家學(xué)者對(duì)人工魚礁的研究已經(jīng)取得了較多的成果,但對(duì)波浪作用下人工魚礁對(duì)岸灘防護(hù)效果的研究還相對(duì)較少。本文主要對(duì)三角錐透空?qǐng)A孔人工魚礁的消浪能力、保灘促淤效果進(jìn)行了數(shù)值模擬研究,并與張志濤的物理模型試驗(yàn)結(jié)果[1]進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證,旨在為岸灘防護(hù)設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 研究方法

利用數(shù)值模擬軟件Flow-3D建立三維數(shù)值水槽,以Stokes波理論等為基礎(chǔ),采用VOF算法,探究人工魚礁對(duì)岸灘防護(hù)效果的影響以及岸灘沖淤演變規(guī)律。

1.1 數(shù)學(xué)控制方程

在數(shù)值計(jì)算中,采用連續(xù)性方程和不可壓縮粘性流體的Navier-Stokes方程[14]。

連續(xù)性方程:

(1)

動(dòng)量方程:

(2)

(3)

(4)

式中,μ,υ,ω為在x、y、z方向上的速度分量;t為時(shí)間;VF為流體體積分?jǐn)?shù);Ax,Ay,Az為在x、y、z方向上的流體面積分?jǐn)?shù);ρ為流體的密度;p為壓強(qiáng);Gx、Gy、Gz為在x、y、z方向上的重力加速度分量;fx、fy、fz為在x、y、z方向上的單位質(zhì)量力分量。

1.2 五階Stokes波理論

對(duì)海洋結(jié)構(gòu)物波浪荷載計(jì)算時(shí),其計(jì)算精度要求較高,采用線性波理論或者低階的非線性波理論不能滿足要求,認(rèn)為Stokes五階波理論[15]可以獲得更為精確的結(jié)果,五階Stokes波的勢(shì)函數(shù)和波面函數(shù)如下:

勢(shì)函數(shù):

+(λ2A22+λ4A24)ch2kz·sin2k(x-Ct)

+(λ3A33+λ5A35)ch3kz·sin3k(x-Ct)

+λ4A44ch4kz·sin4k(x-Ct)+λ5A55ch5kz·sin5k(x-Ct)

(5)

波面方程:

kη=λcos(x-Ct)+(λ2B22+λ4B24)cos2k(x-Ct)

+(λ3B33+λ5B35)cos3k(x-Ct)

+λ4B44cos4k(x-Ct)+λ5B55cos5k(x-Ct)

(6)

式中,Aij,Bij是非線性波關(guān)于相對(duì)水深d/L的函數(shù)。

2 數(shù)值模型建立與驗(yàn)證

Flow-3D作為一種高性能的計(jì)算仿真工具 ,廣泛應(yīng)用于水利、污染、船舶、環(huán)境等行業(yè)復(fù)雜水動(dòng)力問題的數(shù)值模擬,在解決這些問題的時(shí)候,發(fā)現(xiàn)用Fluent軟件二次開發(fā)造波非常麻煩,而Flow-3D軟件實(shí)現(xiàn)起來就非常便利,而且結(jié)果也較準(zhǔn)確。因此,本文選用Flow-3D作為數(shù)值模擬的工具。

2.1 三維波浪數(shù)值水槽模型

在數(shù)值模擬過程中,為避免波浪變化對(duì)結(jié)果產(chǎn)生的影響,波浪各要素均采用相同的參數(shù),參數(shù)設(shè)置如下:Mean fluid depth為0.208 m,Wave definition為0.077 m,Wave period為1.40 s。波浪數(shù)值水槽模型與模型試驗(yàn)的有效尺寸保持一致如圖1所示,長(zhǎng)為30.0 m,寬為0.6 m,高為0.42 m。在試驗(yàn)中,為保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,選用中值粒徑D50=0.29 mm的模型沙,將岸灘模型安放在水槽末端距離造波機(jī)24 m處,海岸帶地形采用有坡度的斜坡來概化,岸灘坡度取1∶6。

圖1 波浪數(shù)值水槽模型圖

基于Stokes五階波浪理論,采用邊界造波法,在X方向上,左側(cè)造波邊界給定水體的波高(H)進(jìn)行三維波浪模擬,右側(cè)為Outflow壓力出流邊界;在Y方向上,兩側(cè)均設(shè)為Symmetry對(duì)稱邊界;在Z方向上,模型頂部為Hydrostatic pressure,底部為Wall固體邊界。為減少波浪反射對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成的影響,需要在數(shù)值水槽出口邊界處利用阻尼消波法進(jìn)行消波處理。

2.2 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分作為數(shù)值模擬的重要工具,網(wǎng)格劃分的好壞直接影響整個(gè)模擬過程的進(jìn)度與準(zhǔn)確性。Flow-3D中網(wǎng)格的劃分主要依賴于有限差分法,本次數(shù)值模擬根據(jù)物理模型試驗(yàn)的特點(diǎn),需要對(duì)波浪的主要影響區(qū)域以及人工魚礁區(qū)域進(jìn)行局部加密,以保證波浪對(duì)岸灘沖淤的精確模擬。該數(shù)值水槽網(wǎng)格劃分如下:在Y方向上使用線性插值的方法對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行劃分,在水槽始端設(shè)置網(wǎng)格的最大尺寸為0.02 m,水槽末端設(shè)置網(wǎng)格的最小尺寸為0.01 m,共2 001個(gè)網(wǎng)格;在X方向使用大小相等的均勻網(wǎng)格,均為0.02 m;在Z方向?qū)Σɡ松舷掠绊懙膮^(qū)域范圍內(nèi)使用均勻網(wǎng)格,大小為0.01 m,其余網(wǎng)格使用線性插值,網(wǎng)格大小向兩側(cè)逐漸過渡到0.015 m,共36個(gè),其網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格劃分圖

2.3 波浪水槽驗(yàn)證

2.3.1 數(shù)值波浪水槽造波驗(yàn)證

為了對(duì)選取三維數(shù)值波浪水槽準(zhǔn)確性和可行性進(jìn)行驗(yàn)證,經(jīng)對(duì)比分析,t=30 s時(shí)波形已基本穩(wěn)定,如圖3所示。波高的模擬值與未布設(shè)礁體時(shí)測(cè)點(diǎn)①處(礁體前5 m處)的試驗(yàn)測(cè)量值進(jìn)行對(duì)比,如圖4所示。

圖3 理論結(jié)果和數(shù)值結(jié)果對(duì)比圖

圖4 試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值結(jié)果對(duì)比圖

2.3.2 岸灘演變模型驗(yàn)證

在岸灘演變模型的驗(yàn)證過程中,數(shù)值模型搭建的各個(gè)參數(shù)要與物理模型試驗(yàn)過程中各條件保持一致,地形試驗(yàn)值由測(cè)距儀測(cè)得,具有較高的準(zhǔn)確性,對(duì)比工況選用魚礁離岸距離為1.3倍的波長(zhǎng),其余條件保持不變。模型試驗(yàn)布設(shè)如圖5所示。

圖5 物理模型試驗(yàn)布設(shè)圖

通過分析發(fā)現(xiàn),圖3中在X=20m以后由于岸灘的消波作用,使得理論結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果不一致,但總體來看,波浪水槽的計(jì)算精度符合模擬的要求,誤差在可接受的范圍之內(nèi)。即數(shù)值水槽可用于波浪的模擬。

通過對(duì)比可以發(fā)現(xiàn),該模型得到的數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果基本一致,灘肩與沖刷坑的位置、形態(tài)吻合較好(如圖6)。

圖6 岸灘地形演變驗(yàn)證

3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析與討論

為了更清晰的呈現(xiàn)出岸灘剖面的演變過程以及人工魚礁與岸灘相對(duì)距離對(duì)保灘促淤的影響,后續(xù)分析中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行無量綱化處理,即床面高程z和床面高程變化量Δz分別除以水深h0,離岸距離x以及人工魚礁中軸線到岸灘前沿的距離X分別除以波長(zhǎng)L進(jìn)行無量綱化處理。

3.1 魚礁附近的水動(dòng)力分析

當(dāng)人工礁體在90°迎流時(shí),魚礁橫斷面上數(shù)值模擬流場(chǎng)隨周期變化的速度矢量如圖7所示。通過流場(chǎng)分布圖我們可以分析出,當(dāng)波浪處于T/2時(shí),此時(shí)處于波峰時(shí)刻,此時(shí)魚礁上方處流速最大,波浪由魚礁左側(cè)向右側(cè)傳播,由于魚礁的阻流作用,在魚礁的內(nèi)部及右側(cè)出現(xiàn)了明顯的旋渦;而當(dāng)波浪處于T時(shí),此時(shí)處于波谷時(shí)刻,水質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生變化,由魚礁的右側(cè)向左側(cè)傳播,旋渦出現(xiàn)在魚礁的內(nèi)部及左側(cè)。在t=T/4(t=3T/4)時(shí)刻,波浪處于波峰(波谷)向波谷(波峰)方向轉(zhuǎn)變,水質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方向主要向上(下),在魚礁內(nèi)部及左上方(右上方)產(chǎn)生了旋渦。這些渦流能夠加速上下層水流混摻和促進(jìn)水中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的交換,有利于更好的發(fā)揮人工魚礁的生態(tài)效應(yīng)。

圖7 流場(chǎng)隨波浪周期變化圖

3.2 岸灘剖面演變分析

通過分析岸灘剖面的演變過程可以發(fā)現(xiàn),岸灘的沖淤形態(tài)及位置主要與波浪作用的時(shí)間有關(guān),當(dāng)波浪作用時(shí)間超過1 200 s時(shí),床面形態(tài)基本不發(fā)生變化,接近沖淤平衡。不同時(shí)刻岸灘剖面變化如圖8所示。

圖8 不同時(shí)刻波浪作用下岸灘剖面圖

數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果表明,波浪作用總會(huì)對(duì)岸灘的沖刷與淤積造成一定程度的影響,且波浪對(duì)岸灘的沖刷主要為局部沖刷,即沖刷范圍主要位于靜水線上下一定區(qū)域內(nèi);波浪作用下的岸灘剖面會(huì)出現(xiàn)灘肩和沖刷坑兩種形態(tài),在x/L=0.7左右沖刷坑的深度最大,沖刷坑主要位于x/L=0.5～0.85范圍內(nèi),灘肩主要在靜水面以下0.05 m處,x/L位于0.4～0.5范圍內(nèi)。在一定時(shí)間范圍內(nèi),隨著時(shí)間的不斷增加,灘肩高度不斷上升,沖刷坑深度和范圍也不斷增大。

3.3 相對(duì)距離對(duì)岸灘防護(hù)效果的分析

相對(duì)距離是指人工魚礁中軸線到岸灘前沿的距離X與實(shí)際波長(zhǎng)L的比值,是確定礁體布設(shè)位置的度量值,本試驗(yàn)中波長(zhǎng)L=1.9 m。為研究礁體布設(shè)位置對(duì)岸灘演變的影響,對(duì)不同位置下的人工魚礁在波浪作用下岸灘演變的影響,分別對(duì)相對(duì)距離為0.8、1.3、1.8、2.3和2.8五種情況進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。不同相對(duì)距離下岸灘沖刷剖面變化和高程變化分別如圖9、圖10所列。

圖9 不同相對(duì)距離下岸灘沖刷剖面圖

圖10 不同相對(duì)距離下岸灘高程變化圖

通過分析上圖可以看出,魚礁的存在還略微改變了波浪破碎點(diǎn)的位置,使得沖刷坑的深度變淺,范圍變小,沙壩位置向岸運(yùn)動(dòng),高度變小,破碎區(qū)和沖瀉區(qū)內(nèi)的水動(dòng)力特性隨之變化,卷破波釋放能量,掀起大量的泥沙,形成沖刷坑,同時(shí)回落的水體帶動(dòng)泥沙向離岸側(cè)運(yùn)動(dòng),進(jìn)而在沖刷坑前方淤積,形成沙壩狀態(tài)。在相對(duì)距離(X/L)為0.8～2.8的范圍內(nèi),礁體離岸距離增大的過程中,淤積區(qū)域逐漸向岸移動(dòng),x/L主要位于0.3～0.55范圍內(nèi),沙壩高度出現(xiàn)微弱的減少,相對(duì)距離為0.8時(shí),沙壩相對(duì)上升高度達(dá)到0.08,相對(duì)距離為1.8時(shí),泥沙淤積的高度最小,相對(duì)上升高度僅為0.025;沖刷區(qū)域的深度與范圍也是基本隨著離岸距離的減小而增大的,相對(duì)距離為0.8時(shí),x/L主要位于0.5～0.8范圍內(nèi),而相對(duì)距離為1.8時(shí),沖刷坑范圍僅為波長(zhǎng)的0.3～0.5倍。

為進(jìn)一步分析人工魚礁相對(duì)距離對(duì)護(hù)灘效果的影響,進(jìn)一步計(jì)算得到了岸灘單寬侵蝕量與相對(duì)距離X/L的關(guān)系,如圖11所示。

圖11 單寬侵蝕量與相對(duì)距離關(guān)系圖

在以上幾組工況中,隨著礁體在岸灘前相對(duì)位置的不同,波浪對(duì)岸灘的侵蝕作用也不同,通過上圖我們可以分析出,隨著離岸距離的不斷增加泥沙侵蝕量是先減少后增加的趨勢(shì),即在相對(duì)距離小于2時(shí),侵蝕量隨著距離的增加而減少;當(dāng)相對(duì)距離大于2時(shí),侵蝕量隨著距離的增加而增大。這也為實(shí)際工程提供了指導(dǎo),在岸灘防護(hù)布設(shè)錐型礁體時(shí),應(yīng)盡量布設(shè)在距岸灘2倍波長(zhǎng)處。

3.4 礁頂相對(duì)水深對(duì)岸灘防護(hù)效果的分析

礁體后方的透射波大小是影響護(hù)灘效果的直接因素,礁體透射系數(shù)與礁體修建高度密切正相關(guān),礁頂相對(duì)水深是反映礁體修建高度的度量值,為礁體以上水深d與波高h(yuǎn)0的比值,因而影響護(hù)灘效果的關(guān)鍵因素就是礁頂相對(duì)水深d/h0。為研究礁頂相對(duì)水深對(duì)岸灘演變的影響,分別對(duì)礁頂相對(duì)水深為0.10、0.36、0.62、0.88和1.14五種情況進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。不同相對(duì)距離下岸灘沖刷剖面變化和高程變化分別如圖12、圖13所示。

圖12 不同礁頂相對(duì)水深下岸灘沖刷剖面圖

圖13 不同礁頂相對(duì)水深下岸灘高程變化量

通過分析上圖可以看出,在礁頂相對(duì)水深為0.10～1.14的范圍內(nèi),礁體相對(duì)水深增大的過程中,淤積區(qū)域逐漸向岸移動(dòng),x/L主要位于0.25～0.55范圍內(nèi),沙壩高度呈現(xiàn)出微弱變化,礁頂水深為0.88時(shí),沙壩相對(duì)上升高度達(dá)到0.15,礁頂水深為0.10時(shí),泥沙淤積的高度最小,相對(duì)上升高度僅為0.09;沖刷區(qū)域的深度與范圍也是基本隨著礁頂水深的減小而減小的。這是因?yàn)楫?dāng)波浪穿過礁體時(shí),岸灘前的礁體加速了波浪能量的耗散,礁體上方水深越小,波浪損失能量相對(duì)越多,水體在岸灘上爬升到最高點(diǎn)的高程也就越小,同時(shí),較高的礁頂高程,會(huì)使底部的水流對(duì)床面泥沙的擾動(dòng)較小,導(dǎo)致沖刷范圍出現(xiàn)減小和深度變淺的現(xiàn)象。

為進(jìn)一步分析人工魚礁相對(duì)距離對(duì)護(hù)灘效果的影響,進(jìn)一步計(jì)算得到了岸灘單寬侵蝕量與礁頂相對(duì)水深d/h0的關(guān)系,如圖14所示。

圖14 單寬侵蝕量與礁頂相對(duì)水深d/h0關(guān)系圖

在以上幾組工況中,隨著礁頂水深的不同,波浪對(duì)岸灘的侵蝕作用也不同,通過上圖我們可以分析出,相同波浪條件下岸灘侵蝕量均隨礁頂相對(duì)水深的減小而減小,這說明礁體的頂高程越高,護(hù)灘效果越好。在工程實(shí)際中如果礁頂高程太低,則消波效果不明顯,不能很好的掩護(hù)岸灘免受侵蝕,如果礁頂高程太高,則必定會(huì)對(duì)魚礁造價(jià)、穩(wěn)定性以及環(huán)評(píng)要求帶來挑戰(zhàn),建議結(jié)合實(shí)際環(huán)境根據(jù)需要選擇適當(dāng)?shù)慕疙敻叱獭?/p>

4 結(jié)論

本文利用流體計(jì)算軟件Flow-3D,基于結(jié)構(gòu)有限差分法,采用邊界造波法,建立了人工魚礁與岸灘相互作用的三維波浪數(shù)值水槽,研究了人工魚礁在波浪條件下的保灘促淤效果,并通過了物理模型試驗(yàn)對(duì)數(shù)值模型進(jìn)行了驗(yàn)證,主要結(jié)論如下:

1)在波浪作用下,魚礁周圍產(chǎn)生了較強(qiáng)的上升流和回渦流,其內(nèi)部和背流區(qū)產(chǎn)生了明顯的渦旋結(jié)構(gòu),促進(jìn)了上下層水流混摻和促進(jìn)水中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的交換,在保護(hù)岸灘的同時(shí),有利于更好的發(fā)揮人工魚礁的生態(tài)效應(yīng)。

2)隨著波浪作用時(shí)間的推移,岸灘剖面會(huì)出現(xiàn)灘肩和沖刷坑兩種形態(tài),且改變礁體的布設(shè)位置對(duì)沖刷坑的位置影響不大,沖刷坑的位置主要受水位影響較大,基本沿靜水面對(duì)稱分布。

3)波浪作用造成的岸灘侵蝕與相對(duì)距離以及礁頂水深有著密切關(guān)系,通過線性擬合得到了單寬侵蝕量與相對(duì)距離X以及礁頂相對(duì)水深d/h0的關(guān)系式。