摘 要：傳統(tǒng)直立和斜坡式海塘擋墻結(jié)構(gòu)在強(qiáng)降雨或極端風(fēng)暴潮條件下難以有效阻止潮水快速爬升，對(duì)岸線建筑物及人群產(chǎn)生一定安全隱患。該文通過(guò)數(shù)值模擬設(shè)置不同水位高度，研究不同沖擊水流流速對(duì)新型反弧式海塘擋墻結(jié)構(gòu)越浪效果的影響，以評(píng)價(jià)新型海塘擋墻的越浪效果。研究結(jié)果表明，新型反弧式海塘擋墻結(jié)構(gòu)在不同水流流速下的越浪效果均優(yōu)于傳統(tǒng)海塘擋墻結(jié)構(gòu)，新型反弧式海塘結(jié)構(gòu)具有明顯導(dǎo)流、減能的作用。

關(guān)鍵詞：新型反弧式海塘擋墻；越浪效果；數(shù)值模擬；壓強(qiáng)特征；水流流速

中圖分類(lèi)號(hào)：TV139.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2024）29-0015-06

Abstract： Under the condition of heavy rainfall or extreme storm tide， the traditional vertical and sloping seawall structure fail to effectively prevent the tide from climbing rapidly， resulting in certain safety risks to shoreline buildings and people. In this paper， different water level heights are set by numerical simulation to study the influence of different impact flow velocity on the wave-crossing effect of the new anti-arc seawall structure， in order to evaluate the wave-crossing effect of the new seawall. The results show that the wave surging effect of the new anti-arc seawall structure is better than that of the traditional seawall structure under different flow velocity， and the new anti-arc seawall structure has obvious effect of diversion and energy reduction.

Keywords： new anti-arc seawall; wave surging effect; numerical simulation; pressure characteristics; flow velocity

海塘是防御風(fēng)暴潮（洪水）和波浪對(duì)保護(hù)區(qū)的危害而修筑的堤防工程。目前我國(guó)已建成海堤總長(zhǎng)度約14 500萬(wàn)km，超過(guò)全國(guó)大陸岸線總長(zhǎng)度的80%，修建海塘能有效提高沿海城市的防災(zāi)減災(zāi)能力。在臺(tái)風(fēng)期間，風(fēng)暴潮導(dǎo)致水面上升，使得傳統(tǒng)海塘堤頂高度減小，轉(zhuǎn)變?yōu)榈晚斀Y(jié)構(gòu)，無(wú)法有效阻止越浪[1]。傳統(tǒng)的海塘護(hù)面結(jié)構(gòu)多為直立式或斜坡式，護(hù)面結(jié)構(gòu)光滑，很難在強(qiáng)潮涌或強(qiáng)浪沖擊等復(fù)雜環(huán)境中保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，近年來(lái)已有100多人因潮水失去生命[2]，但同時(shí)由于潮涌具有潮流強(qiáng)勁、潮線獨(dú)特等特點(diǎn)，又為旅游經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來(lái)巨大效益[3]。因此，結(jié)合國(guó)內(nèi)潮涌特點(diǎn)及海塘擋墻結(jié)構(gòu)安全需求，研發(fā)新型海塘護(hù)面結(jié)構(gòu)形式，對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，人民生命安全具有重要意義。

基于海塘結(jié)構(gòu)性能重要性，眾多學(xué)者針對(duì)新型海塘護(hù)坡結(jié)構(gòu)性能的研發(fā)開(kāi)展了廣泛的研究，郭科等[4]和謝世楞[5]通過(guò)模型試驗(yàn)和實(shí)際工程設(shè)計(jì)，研究了半圓形海塘擋墻結(jié)構(gòu)特性以及物理參數(shù)對(duì)其消浪特性的影響；李健等[6]通過(guò)物理模型動(dòng)床試驗(yàn)觀察新型生態(tài)護(hù)坡結(jié)構(gòu)防護(hù)效果；匡義等[7]基于Flow-3D對(duì)新型生態(tài)護(hù)坡進(jìn)行了模型模擬研究；王遠(yuǎn)明等[8]通過(guò)室內(nèi)大型水槽試驗(yàn)研究了石籠網(wǎng)墊護(hù)坡結(jié)構(gòu)的抗沖刷性能。盡管大多數(shù)學(xué)者對(duì)新型護(hù)坡結(jié)構(gòu)的研發(fā)研究都考慮了生態(tài)要求[9-10]，但是較少同時(shí)考慮觀潮、經(jīng)濟(jì)和安全的需求對(duì)新型護(hù)面結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。本文基于浙江省海塘安瀾實(shí)際工程，對(duì)新型反弧式海塘擋墻結(jié)構(gòu)開(kāi)展數(shù)值模擬研究，并對(duì)護(hù)面壓強(qiáng)分布特征進(jìn)行分析，以期為海塘擋墻工程應(yīng)用提供新思考。

1 工程應(yīng)用背景及數(shù)值模型

1.1 工程背景

本文基于浙江省海塘安瀾某標(biāo)段提標(biāo)加固工程，工程包括原有海塘加固、新式海塘建設(shè)等。新建海塘結(jié)構(gòu)形式為反弧式，如圖1所示。新型反弧式海塘護(hù)面結(jié)構(gòu)在傳統(tǒng)斜坡式海塘結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，將原直線型護(hù)面改成反弧式曲面，其中迎潮面坡度比為1∶0.35，背潮面為半徑0.2 m的反弧曲面，新型反弧式護(hù)面結(jié)構(gòu)如圖1（b）所示。

1.2 數(shù)值模擬基本方程

數(shù)值模型建立前首先要確定其控制方程，三維水動(dòng)力模型是水體流動(dòng)的完整過(guò)程，紊流模型采用k-ε模型，連續(xù)方程如式（1）所示，水動(dòng)力方程如式（2）—（4）所示。

式中：u、v、w分別為x、y、z方向流速；vh、vt分別為水平方向和垂向紊動(dòng)黏性系數(shù)；ρ為密度；p為壓強(qiáng)；fx、fy、fz分別為x、y、z方向的體積力分量；k為紊動(dòng)動(dòng)能；ε為紊動(dòng)動(dòng)能耗散率。

圖2為新型反弧式海塘擋墻結(jié)構(gòu)模型示意圖。新型反弧式海堤護(hù)面結(jié)構(gòu)工作時(shí)，迎潮面反弧曲面結(jié)構(gòu)可以引導(dǎo)波浪改變運(yùn)動(dòng)方向，一方面可以有效消減水流沖擊力，起到一定消浪作用；另一方面使水流由向上向外流動(dòng)變?yōu)橄蛏舷騼?nèi)流動(dòng)，沖擊波浪由反弧曲面向上拋回河流中。這樣既能減少波浪越浪量，防止潮水對(duì)觀潮者造成生命財(cái)產(chǎn)損失，同時(shí)又增強(qiáng)了潮水觀賞性。

1.3 FLOW-3D可靠性驗(yàn)證

FLOW-3D可靠性驗(yàn)證使用Rajaratnam和Chamani（1995）試驗(yàn)數(shù)據(jù)，如圖3所示，結(jié)構(gòu)塊高0.62 m，長(zhǎng)0.7 m，結(jié)構(gòu)塊上來(lái)流0.24 m，渠道長(zhǎng)2.0 m，對(duì)比分析下游水流特性。

水流密度1 000 kg/m3，不可壓縮，自由表面，網(wǎng)格尺寸0.02 m，紊流模型采用k-ε模型，模擬結(jié)果如圖4所示。

能量計(jì)算斷面及能量計(jì)算斷面如圖5所示。

通過(guò)表1可知，絕對(duì)平均相對(duì)誤差6.7%，說(shuō)明FLOW-3D計(jì)算結(jié)果可靠。

2 海塘護(hù)面結(jié)構(gòu)越浪效果數(shù)值模擬

使用Flow-3D軟件[11-12]按工程實(shí)際尺寸對(duì)新型反弧式海塘擋墻的越浪效果進(jìn)行建模分析，構(gòu)建的海塘擋墻結(jié)構(gòu)數(shù)值計(jì)算模型長(zhǎng)3.26 m，寬6.2 m，高3.2 m，計(jì)算區(qū)域尺寸為長(zhǎng)22 m，寬6.2 m，高8.5 m，設(shè)定y方向?yàn)樗髁鲃?dòng)方向，z=0 m是水槽地面。為保證計(jì)算準(zhǔn)確性，將數(shù)值水槽劃分為5個(gè)部分，海塘擋墻結(jié)構(gòu)模擬部分采用邊長(zhǎng)為0.3 m的細(xì)密網(wǎng)格劃分，計(jì)算時(shí)間為8 s，計(jì)算步長(zhǎng)為1e-07 s。

根據(jù)數(shù)值模擬情況，通過(guò)控制上游水位高度，產(chǎn)生不同沖擊浪流速對(duì)新型海塘擋墻結(jié)構(gòu)越浪效果進(jìn)行模擬研究。選取6、7、8 m為3個(gè)上游數(shù)值水槽水位高度下泄產(chǎn)生的沖擊浪模擬海塘擋墻在低流速、中流速、高流速狀態(tài)下的消浪效果，流量監(jiān)測(cè)設(shè)置在擋墻頂部中間位置，并與傳統(tǒng)斜坡式擋墻在相同模型尺度及相同模擬設(shè)置下進(jìn)行對(duì)比研究。

2.1 低流速下不同海塘擋墻結(jié)構(gòu)越浪效果對(duì)比

通過(guò)設(shè)置水槽數(shù)值為6 m的上游水位產(chǎn)生1.555 m/s的較低流速?zèng)_擊水流，沖擊水流在海塘擋墻上的水流形態(tài)及湍流動(dòng)能如圖6所示。其中，圖6（a）為新型海塘擋墻結(jié)構(gòu)的水流沖擊形態(tài)，可以看出由于反弧式護(hù)面將水流沖擊方向改變，使得水流拋回，經(jīng)海堤斷面流量監(jiān)測(cè)在較低流速情況下反弧式海塘越浪量為0。從圖6（b）可以看出，傳統(tǒng)海塘擋墻結(jié)構(gòu)的低流速水流沖擊時(shí)的水流形態(tài)，傳統(tǒng)直線形擋墻在面對(duì)上游來(lái)水時(shí)未能有效遏制水流的快速爬升，導(dǎo)致沖擊波浪在堤頂溢出，通過(guò)在堤頂位置設(shè)置的監(jiān)測(cè)斷面測(cè)量得到的越浪量為89.23 m3。與傳統(tǒng)直線型海塘擋墻相比之下，在低速水流條件下，采用新型反弧式海塘擋墻結(jié)構(gòu)形式的防浪效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)直線型海塘擋墻結(jié)構(gòu)。

2.2 中等流速下不同海塘擋墻結(jié)構(gòu)越浪效果對(duì)比

通過(guò)設(shè)置水槽數(shù)值為7 m的上游水位產(chǎn)生2.534 m/s的中等流速的沖擊水流，其沖擊水流在海塘擋墻上瞬時(shí)水流形態(tài)特征如圖7所示。從圖7（a）中可以看出，在中等流速水流沖擊下，反弧式海塘擋墻結(jié)構(gòu)由于曲面將大部分水流引回來(lái)水方向，經(jīng)過(guò)擋墻頂點(diǎn)斷面水流通量監(jiān)測(cè)，新型反弧式海塘擋墻堤頂出現(xiàn)少量越浪，越浪量為21.34 m3。從圖7（b）中可以看出，在中等流速狀態(tài)下，傳統(tǒng)海塘擋墻波浪爬高以及越浪量進(jìn)一步增加，斷面流量監(jiān)測(cè)得到傳統(tǒng)海塘擋墻越浪量為281.34 m3。對(duì)比兩者消浪效果，在中等流速狀態(tài)下，新型反弧式擋墻結(jié)構(gòu)的防浪效果相對(duì)于傳統(tǒng)海塘擋墻結(jié)構(gòu)進(jìn)一步增強(qiáng)，新型反弧式海塘擋墻結(jié)構(gòu)在中等流速狀態(tài)由于越浪量較小，因此游客可以在保證安全的情況下觀賞到更宏偉的潮涌波浪。

2.3 高流速下不同海塘擋墻結(jié)構(gòu)越浪效果對(duì)比

通過(guò)設(shè)置水槽數(shù)值為8 m的上游水位產(chǎn)生3.906 m/s的較高流速的沖擊水流，其沖擊水流在海塘擋墻結(jié)構(gòu)的瞬時(shí)水流形態(tài)特征如圖8所示。從圖8（a）中可以看出，當(dāng)沖擊水流較高時(shí)，新型反弧式海塘擋墻結(jié)構(gòu)能夠有效將水流流向改變，將部分沖擊水流拋回，但是由于流速較高，此時(shí)堤頂會(huì)出現(xiàn)部分越浪，通過(guò)斷面流量監(jiān)測(cè)越浪量為98.56 m3。從圖8（b）中可以看出，在較高沖擊水流作用下，傳統(tǒng)海塘擋墻上出現(xiàn)較大越浪，通過(guò)斷面流量監(jiān)測(cè)越浪量為1 102.74 m3，此時(shí)極易出現(xiàn)漫堤甚至潰堤，安全風(fēng)險(xiǎn)較高。在較高水流沖擊下傳統(tǒng)海塘擋墻與新型反弧式海塘擋墻越浪效果相比，可以看出新型反弧式海塘越浪效果明顯，新型反弧式海塘擋墻在高流速水流沖擊下由于越浪量不高，只需要設(shè)置好安全觀景距離，即可在保證安全的情況下觀潮，而傳統(tǒng)海塘此時(shí)風(fēng)險(xiǎn)程度較高，需要做好相應(yīng)應(yīng)急措施。

不同海塘結(jié)構(gòu)的越浪量匯總見(jiàn)表2。通過(guò)比較沖擊水流在低、中、高流速時(shí)不同擋墻結(jié)構(gòu)的水流形態(tài)可以看出，與傳統(tǒng)海塘擋墻結(jié)構(gòu)相比，新型反弧式海塘擋墻由于其弧面結(jié)構(gòu)通過(guò)引導(dǎo)涌浪返回來(lái)水方向，有效減小越浪量，達(dá)到更高的防浪效果，而且沖擊水流流速越大，新型反弧式海塘結(jié)構(gòu)的防浪效果越顯著。

3 海塘擋墻結(jié)構(gòu)壓強(qiáng)分布特征

3.1 水平方向壓強(qiáng)分布特征及水流特征

高速水流沖擊狀態(tài)下傳統(tǒng)海塘擋墻結(jié)構(gòu)和新型海塘擋墻結(jié)構(gòu)在z=2.6 m高度處x-y斷面典型壓強(qiáng)分布如圖9所示，從圖中可以看出在高流速?zèng)_擊下，無(wú)論是傳統(tǒng)海塘擋墻還是新型海塘擋墻具有較強(qiáng)的壓強(qiáng)分布。從圖9（a）中可以看出，在高流速水流沖擊下，新型海塘擋墻結(jié)構(gòu)水流特征由于反弧型擋墻護(hù)面將水流有效導(dǎo)回，與傳統(tǒng)海塘擋墻相比，弧形護(hù)面內(nèi)壓強(qiáng)顯著增加，起到了消減水流能量的作用。從圖9（b）中可以看出，高流速水流沖擊下，傳統(tǒng)海塘擋墻上壓強(qiáng)分布較為均勻，無(wú)法有效消減護(hù)面上的水流能量。同時(shí)由于傳統(tǒng)海塘擋墻結(jié)構(gòu)坡面光滑平整，無(wú)法有效將沖擊水流導(dǎo)回，水流特征也無(wú)明顯變化。

3.2 垂直方向壓強(qiáng)分布特征

通過(guò)選擇研究高水流沖擊狀態(tài)下傳統(tǒng)海塘和新型海塘護(hù)面結(jié)構(gòu)在y-z斷面上的壓強(qiáng)分布，來(lái)分析新型海塘擋墻結(jié)構(gòu)垂直方向上的壓強(qiáng)分布特征。如圖10所示，為進(jìn)一步了解不同沖擊水流流速對(duì)海塘擋墻的影響，選取海塘護(hù)面堤腳、海塘護(hù)面中間以及海塘堤頂處為垂直壓強(qiáng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，沖擊浪流速為低（1.555 m/s）、中（2.534 m/s）、高流速（3.906 m/s）在海塘擋墻不同位置的壓強(qiáng)見(jiàn)表3。

由圖10與表3綜合可知，位置1（海塘護(hù)面堤腳），在高流速水流沖擊條件下，傳統(tǒng)與新型反弧式曲面的海塘護(hù)面結(jié)構(gòu)受到的水流沖刷強(qiáng)度相近。在中、低流速水流沖擊條件下，傳統(tǒng)海塘護(hù)面結(jié)構(gòu)在海塘堤腳處壓強(qiáng)略高于新型海塘護(hù)面結(jié)構(gòu)。位置2（海塘護(hù)面中部），在中、低水流流速?zèng)_擊作用下，新型反弧式海塘護(hù)面結(jié)構(gòu)受壓壓強(qiáng)明顯高于傳統(tǒng)海塘護(hù)面結(jié)構(gòu)，這是由于新型反弧式海塘的曲弧結(jié)構(gòu)引起沖擊水流方向改變，從而導(dǎo)致涌浪在護(hù)面上相互碰撞，導(dǎo)致對(duì)新型海塘結(jié)構(gòu)護(hù)面產(chǎn)生更大的作用力。在高流速水流沖擊條件時(shí)，新型反弧式海塘護(hù)面結(jié)構(gòu)所受壓強(qiáng)反而明顯小于傳統(tǒng)海塘護(hù)面，這是因?yàn)樗髁魉佥^快，新型海塘護(hù)面結(jié)構(gòu)由于其反弧曲面結(jié)構(gòu)快速將沖擊水流導(dǎo)回來(lái)水方向，減小了沖擊水流對(duì)護(hù)面的沖擊強(qiáng)度，而傳統(tǒng)海塘由于護(hù)面結(jié)構(gòu)光滑導(dǎo)致在高流速水流沖擊下無(wú)法削減水流沖擊強(qiáng)度。位置3（海塘堤頂），在高、中、低流速水流沖擊條件下，新型海塘護(hù)面結(jié)構(gòu)所受的壓強(qiáng)均小于傳統(tǒng)海塘護(hù)面結(jié)構(gòu)，說(shuō)明其弧面及上部垂直結(jié)構(gòu)能夠有效引導(dǎo)、改變沖擊水流流向，起到較為明顯的導(dǎo)流、減壓作用，同時(shí)水流流速越高，新型反弧式海塘護(hù)面消能效果越明顯。

4 結(jié)論

本文基于浙江省海塘安瀾工程，對(duì)新型海塘護(hù)面結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬。按實(shí)際工程海塘結(jié)構(gòu)比例構(gòu)建數(shù)值模型，通過(guò)設(shè)置不同上游蓄水水位，制造低、中及高流水水流沖擊海塘模型，與傳統(tǒng)海塘結(jié)構(gòu)護(hù)面對(duì)比分析二者消浪效果以及沖擊水流對(duì)海塘護(hù)面結(jié)構(gòu)的壓強(qiáng)分布特征，得到以下結(jié)論：低、中、高水流流速?zèng)_擊下海塘擋墻數(shù)值模擬消浪效果對(duì)比表明新型反弧式海塘具有更明顯的消浪效果；較高水流流速?zèng)_擊下海塘護(hù)面結(jié)構(gòu)水平壓強(qiáng)分布特征對(duì)比分析表明，新型反弧式海塘護(hù)面結(jié)構(gòu)具有明顯改變水流流向，削減水流沖擊強(qiáng)度的優(yōu)勢(shì)；低、中、高水流流速?zèng)_擊下的海塘護(hù)面結(jié)構(gòu)垂直壓強(qiáng)分布特征對(duì)比分析表明，中、低流速下，新型反弧式海塘護(hù)面結(jié)構(gòu)中部所受壓強(qiáng)高于傳統(tǒng)海塘護(hù)面結(jié)構(gòu)中部，高流速水流沖擊時(shí)，新型反弧式海塘結(jié)構(gòu)具有明顯導(dǎo)流、減能作用。模擬成果初步驗(yàn)證了新型反弧式海塘結(jié)構(gòu)的可行性和優(yōu)勢(shì)，后期還需進(jìn)行水力試驗(yàn)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方面研究。

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