沿程非均匀分布植物区对海啸波消减的数值研究

为研究近岸植物的非均匀分布对海啸波的消减作用,采用非静压单相流模型计算了5种不同密度分布植物与孤立波的相互作用,分析不同密度分布植物对海啸的消波特性。结果表明在植物总株数相同时,具有不同分布密度植物的消波效果相近,透射波波高差小于3%、最大流速差小于5.4%,但是不同植物密度分布情况下植物区前的反射系数有所不同,反射系数最大差为80.2%。此外,所有分布的植物区对波高和流速的透射系数随着波高和植物区长度变化的趋势是一样的,在不同入射波高和植物区长度情况下5种分布均呈现出相似的沿程衰减机制。     

植被对波浪作用下床面切应力影响的数值模拟分析

本文基于OpenFOAM建立三维波浪数值水槽,模拟计算植被水域波浪作用下的床面切应力,分析了入射波高、植被密度、植被淹没高度、水流对植被水域波浪作用下床面切应力的影响。结果表明：纯波时,由于植被的阻水作用,植被水域床面切应力沿程衰减,其衰减程度与入射波高、植被密度及植被淹没高度呈现正相关;与纯波时相比,在波浪和同向流共同作用下正向床面切应力幅值增大,负向床面切应力幅值减小;弱水流对植被水域床面切应力的大小及分布无明显影响;强水流时,床面切应力在植被水域先增大后逐渐减小并在植被水域后显著降低。     

基于根茎叶概化模型的孤立波消减特性实验

采用孤立波模拟海啸波,利用根茎叶定量概化模型近似模拟近岸刚性植物,以探究植物根、茎、叶对孤立波消减特性的影响。研究发现,透射系数的范围为0.56～0.85,植被区沿程波高衰减百分比的范围为25.9%～97.0%。根、叶在不同分布密度条件下的透射系数均随相对波高的增大而逐渐减小。当淹没度大于0.7时,在入射波高等于7.0,9.0和12.0 cm条件下,波高衰减强度沿流向的敏感度逐渐降低,植物消浪呈现边界效应。当淹没度为0.6、根和叶分布密度均为16枝/株时,波浪于植被区发生波高增大现象,波高增值的范围为3.0%～6.0%。植物根、茎、叶对孤立波消减特性的影响与根和叶的分布密度、淹没度及相对波高均相关。     

非淹没刚性植物对规则波传播变形影响实验研究

在海岸带种植红树林等水生植物可以有效的减小波浪对岸滩的破坏,系统全面地研究植物对波浪传播变形的影响是非常必要的。基于波浪水槽实验,探讨了规则波通过非淹没刚性植物波高的沿程变化,分析了水深、入射波高、植物模型密度及分布方式对反射系数、透射系数与波浪衰减系数的影响,同时与孤立波实验数据进行对比。实验结果表明,随着水深的增加,规则波的透射系数增加、反射系数和波能衰减系数减小;随着入射波高的增加,规则波的透射系数减小,反射系数和波能衰减系数增加。在分布方式相同的情况下,植物模型分布密度增加,规则波的反射系数和波能衰减系数增加,透射系数减小。在规则波入射方向上模型布置越紧密,规则波反射系数和波能衰减系数越大,透射系数越小。分析讨论了植物模型对规则波和孤立波的影响,在入射波要素相同的情况下,孤立波和规则波的能量衰减在50%左右,说明植物模型具有良好的消波作用。     

刚性植物对聚焦波爬坡影响的数值模拟

基于开源程序非静压模型NHWAVE(Non-Hydrostatic Water Wave Model),建立了高精度二维数值波浪水槽,系统研究了非淹没刚性植物对聚焦波爬坡的影响规律,并分析了有效波高、植物区密度和长度等因素对局部最大波高衰减系数、总波能耗散系数和最大波浪爬高的影响。研究结果表明：当聚焦波向岸传播时,局部最大波高衰减系数和总波能耗散系数均随有效波高、植物区密度和植物区长度的增大而增大。聚焦波的最大爬高随有效波高的增大而增大,随植物区密度和植物区长度的增大而减小。随着植物区密度和长度的增大,波峰聚焦的聚焦波相比波谷聚焦的聚焦波有着更大的最大波浪爬高。结果可为进一步认识沿岸防浪林对聚焦波浪的衰减效应和沿海地区的防灾减灾建设提供参考依据。     

透水珊瑚岸礁亚重力波水动力特性数值研究

基于非静压单相流模型（NHWAVE）,对随机波浪在透水珊瑚岸礁上传播过程进行了数值模拟,综合考虑入射波高、礁坪水深、谱峰周期、透水层厚度、透水层孔隙率以及颗粒的中值粒径等因素对岸礁波浪水动力特性的影响,重点分析了短波波高、低频长波波高、平均水位的沿礁变化,并与无透水层的岸礁情况进行了对比。研究表明：透水层的存在减弱了波浪在礁前斜坡的浅水变形和在礁缘附近的波浪破碎,显著降低了岸线附近的短波波高、低频长波波高以及波浪增水值,除此之外,透水层的存在会降低波浪在岸滩的最大爬高;透水层的孔隙率和颗粒的中值粒径对波浪传播变形特征的影响可忽略不计;入射波高和谱峰周期越大,岸礁透水层对短波、长波及波浪增水的影响越显著;当增大礁坪水深时,透水层对波浪的消减作用减弱;随着透水层厚度的增大,岸线附近的短波波高、长波波高和波浪增水值随之减小。     

基于类海啸波型的岛礁水动力特性数值模拟研究

基于非静压单相流模型NHWAVE建立了高精度二维数值波浪水槽,采用日本2011年实测真实海啸波型系统研究了海啸波在岛礁上传播变形的规律,并且分析了波高、礁坪淹没水深和礁前斜坡坡度等因素对孤立波和真实海啸传播变形的影响。结果表明,相比孤立波,类海啸波的波长明显大于孤立波波长,在测点处引起的水面变化持续时间更长,同等波高情况下真实海啸波型比孤立波能够携带更多的能量,与岛礁的相互作用也更为复杂,在礁坪上形成的淹没水深约为孤立波的两倍。礁前斜坡坡度和礁坪淹没水深均对类海啸波的反射和透射系数有显著影响。随着礁前斜坡坡度的增加,反射系数和透射系数均逐渐增加。随着礁坪淹没水深的增加,反射系数逐渐减小,而透射系数逐渐增大。但是,反射系数和透射系数均随着入射波高的增加而逐渐减小。     

聚焦波作用下透水潜堤消波特性数值模拟研究

基于非静压数值计算模型,本文系统研究了聚焦波作用下透水潜堤的消波特性,通过设置合理的计算工况,详细分析了波高、堤顶水深、谱峰周期、孔隙率以及堤顶宽度5种因素对透水潜堤消波特性的影响。与此同时,本文将透水潜堤的计算结果同不透水潜堤的计算结果进行了对比分析。计算结果表明:透水潜堤对聚焦波的消减作用要强于不透水潜堤,从而说明,透水潜堤能更有效地降低畸形波对海岸基础设施的影响;波高和堤顶水深是影响潜堤消波特性的重要因素,随入射波高增加、堤顶水深减小,透水潜堤对波浪的消减作用逐渐增强。透水潜堤对长周期波浪的消波效果较差。在本文考虑的孔隙率范围内,孔隙率越大,透水潜堤消波效果越好;当孔隙率为0.4,堤顶宽度为0.612 5 m时,透水潜堤可消减54%的入射波能,比不透水潜堤对入射波能的消减增加36.1%。本文研究结果可为进一步认识透水潜堤的消波特性和海岸防护工程设计提供相应的参考。     

沿岸流不稳定运动传播特性的小波相干谱分析

沿岸流不稳定运动属于超低频运动,研究它的传播特性,有助于深入理解其对岸滩演变、污染物、鱼卵等输移、迁移的影响。本文基于小波相干谱对所选实验波况进行了研究,分析了规则波、随机波入射情况下沿岸流不稳定运动传播特性,并讨论了入射波高、周期、坡度等对其的影响。结果表明,不规则波更易诱导出沿岸流不稳定运动,且在不规则波情况下,不稳定运动在沿岸方向相距4 m的两个断面上产生的相位差都约为±30°,与波浪入射角相近;随着入射波高的增加,非线性随之增强,更易诱导出不稳定运动,生成的沿岸流不稳定运动周期范围将增大;入射波周期对沿岸流不稳定运动的传播特性影响较小;坡度越陡越易诱导出超低频的不稳定运动。     

规则波作用下植物带波高衰减特性实验研究

基于综合考虑根、茎、叶影响的近岸植物消波实验,对植物带沿程波高衰减特性进行了研究。结果表明,当淹没度为0.778时,茎与根作用下的植物带沿程波高衰减强度沿向岸方向逐渐增强,植物带沿程波高衰减规律与Dalrymple幂函数形式和Kobayashi指数形式的波高衰减规律并不一致。在非淹没情况下,叶作用下的植物带沿程波高衰减服从幂函数形式和指数形式的波高衰减规律。植物带沿程波高衰减强度随分布密度的增大而增大。研究发现根、茎、叶及分布密度对植物带沿程波高衰减特性的影响与植物淹没度和入射波高相关。另外,植物带消波并不是各部分消波作用的线性叠加。当植物带分布密度较大时,Dalrymple和Kobayashi波浪传播模型的有效性有待进一步提高。     

基于FLUENT的波浪溢流水动力数值模拟

波浪溢流现象使得海堤受到了越浪和溢流的联合作用,复杂的水动力过程会引起海堤后坡产生严重的侵蚀破坏。基于FLUENT软件建立了二维数值波浪溢流水槽模型,该模型运用UDF速度边界造波法分析在不同超高条件下海堤后坡流量和水流厚度的水力学特性。结果表明数值模拟结果与前人物理模型试验结果吻合,该模型可以真实地模拟出海堤波浪溢流现象。在此基础上进一步研究了波浪溢流中越浪和溢流在不同相对超高条件下的主导性作用,而后建立了十分准确的波浪溢流海堤后坡稳定水流厚度计算公式。     

浙江省海塘塘顶高程的确定

介绍了浙江省海塘塘顶高程确定时所涉及的波浪爬高，越浪量等的计量，同时分析了1997年后浙江省海塘塘顶高程确定的方法，由已建海塘的塘顶高程分析可见，在背水坡和塘顶有保护措施的情况下，采用允许最大越波流量来控制海塘塘顶高程，可适当降低塘身高度。     

孤立波低顶海堤越浪的数值模拟研究

灾害性波浪是中国沿海地区最具破坏性的自然灾害之一。采用开源程序OpenFOAM中interFoam求解器,对低顶海堤（在风暴潮和海平面上升情况下所面临的不利工况）的孤立波越浪特性开展数值模拟研究。通过孤立波冲击海堤的基准算例,验证模型在模拟波浪爬升和越浪过程中大变形波面以及剧烈波浪力方面的精度。基于验证的数值模型,对孤立波在低顶海堤上的越浪特征以及防浪墙高度对越浪的影响开展参数化研究。结果表明堤顶超高减小导致更为剧烈的越浪。针对尚无低顶海堤孤立波越浪量经验公式的问题,提出新的适用于堤顶超高小或为0的孤立波越浪量经验公式。此外,研究发现增加防浪墙高度可有效减少越浪,但防浪墙所受的波浪力也增大。综合考虑防浪墙减少越浪以及自身所受波浪力,针对文中研究采用的海堤截面和波浪条件,建议无量纲防浪墙高度取为1.00。     

Laboratory study of combined wave overtopping and storm surge overflow of a levee

Combined wave overtopping and storm surge overflow of a levee with a trapezoidal cross section was studied in a two-dimensional laboratory wave/flow flume at a nominal prototype-to-model length scale of 25-to-1. The goal of this study was to develop design guidance in the aftermath of Hurricane Katrina. Time series of water depth at two locations on the levee crown and flow thickness at five locations on the landward-side slope were measured along with horizontal velocity near the landward edge of the crown. New equations are presented for average overtopping discharge, distribution of instantaneous discharge, and distribution of individual wave volumes. Equations are also given for mean flow thickness, RMS wave height, mean velocity, and velocity of the wave front down the landward-side slope.     

斜向和多向不规则波对直立堤平均越浪量研究

通过三维波浪模型试验研究了斜向和多向不规则波对直立堤的越浪量。分别按平均越浪量和单波最大越浪量进行研究,探讨了平均越浪量随相对堤高、波浪方向、波浪方向分布宽度、波陡和相对水深等影响因素的变化规律,导得了斜向和多向不规则波作用于直立堤上的平均越浪量的计算公式。     

Spatial distribution of wave overtopping water behind coastal structures

Spatial distribution of random wave overtopping water behind coastal structures was investigated using a numerical model based on Reynolds-Averaged Navier-Stokes solver (RANS) and Volume of Fluid (VOF) surface capturing scheme (RANS-VOF). The computed spatial distributions of wave overtopping water behind the structure agree well with the measurements by Pullen et al (2008) for a vertical wall and Lykke Andersen and Burcharth (2006) for a 1:2 sea dike. A semi-analytical model was derived to relate spatial distribution of wave overtopping water behind coastal structures to landward ground level, velocity and layer thickness on the crest. This semi-analytical model agrees reasonably well with both numerical model results and measurements close to coastal structures. Our numerical model results suggest that the proportion of wave overtopping water passing a landward location increases with a seaward slope when it is less than 1:3 and decreases with a seaward slope when it gets steeper. The proportion of wave overtopping water passing a landward location increases with landward ground level and overtopping discharge. It also increases with the product of incident wave height and wavelength, but decreases with increasing relative structure freeboard and crest width. We also found that the extent of hazard area due to wave overtopping is significantly reduced by using a permeable structure crown. Findings in this study will enable engineers to establish the extent of hazard zones due to wave overtopping behind coastal structures.     

斜向和多向不规则波在斜坡堤上的单波越浪量的实验研究

通过三维物理模型实验对斜坡堤上斜向和多向不规则波的单波越浪量进行了研究.实验考察了入射方向为0°~45°的斜向波和方向分布宽度为0°~25°的多向波以及混凝土和扭工字块体两种护面形式.在混凝土护面堤上用Weibull分布函数拟合了单波越浪量的累积频率分布,在影响因素不同的条件下确定了分布函数中的系数和越浪比例,给出了计算单波越浪量的公式,同时对扭工字块体护面堤上大约100个波中最大的单波越浪量进行了估算.     

基于格子Boltzmann方法的斜坡堤越浪数值模拟研究

准确确定越浪量对于斜坡堤设计有重要意义。利用格子Boltzmann方法(LBM),并采用主动吸收式速度入口造波、出流边界消波、VOF方法追踪自由表面以及静态Smagorinsky模型模拟紊流运动,建立二维数值波浪水槽,对光滑斜坡堤上规则波与不规则波越浪进行数值模拟。模拟结果与试验值及其他数值模型结果比较表明,二维LBM数值波浪水槽具有模拟斜坡堤越浪的能力,但对于破碎较为剧烈的越浪过程模拟,该模型还存在一定的不足,未来可从提高自由表面模型精度等方面进一步改善其性能。     

Predictions on Irregular Wave run-up and Overtopping

A series of hydraulic model tests are carried out to investigate random wave run-up and overtopping on smooth, impermeable single slope and composite slope. Based on analysis of the influences of wave steepness, structure slope, incident wave angle, width of the berm and water depth on the berm and the wave run-up, empirical formulas for wave run-up on dike are proposed. Moreover, empirical formula on estimating the wave run-up on composite slope with multiple berms is presented for practical application of complex dike cross-section. The present study shows that the influence factors for wave overtopping are almost the same as those for wave run-up and the trend of the wave overtopping variation with main influence parameters is also similar to that for wave run-up. The trend of the wave overtopping discharge variations can be well described by two main factors, i.e. the wave run-up and the crest freeboard of the structure. A new prediction method for wave overtopping discharge is proposed for random waves. The proposed prediction formulas are applied to case study of over forty cases and the results show that the prediction methods are good enough for practical design purposes.     

福建沿海浪潮耦合漫堤风险评估:以台风天兔为例

漫堤是天文潮、风暴潮与海浪等物理要素作用于海堤后海水翻越海堤的物理过程。本文利用天文潮-风暴潮-台风浪耦合模式(ADCIRC+SWAN)、基于非结构三角形网格和高分辨率地理数据(海堤位置和高程、岸线和水深等)构建福建沿海精细化漫堤风险等级评估系统。该系统在近岸网格分辨率最高达50m,可精确刻画福建沿海复杂地形。利用模拟的水位与海浪参数,采用波浪爬高公式计算得到各海堤堤前波浪爬高。按照总水位与波浪爬高之和与海堤高程的对比,将漫堤风险分为五个等级。对2013年的超强台风天兔过程进行后报检验。结果显示,该系统计算的漫堤情况与灾后调查的漫堤实况基本一致,结果准确,说明本研究中采用的漫堤风险评估标准和方法是可行的。在此基础上,设计了4种不同的台风强度等级,对福建沿海206条海堤进行了漫堤风险等级评估,探究台风强度对漫堤风险的影响。结果表明:波浪爬高对漫堤风险的影响高于单纯的风暴潮增水;风暴潮增水随台风强度的增强增量较小,对于漫堤的风险影响较小;福建沿海波浪爬高普遍较高,随着台风强度的增强,波浪爬高会显著增加漫堤的风险等级,且应重视台风浪对海堤造成的冲击所导致的溃堤灾害。本研究可为沿海防灾减灾提供科学依据。