堤防防浪预制块护坡消浪效果数值模拟研究

摘要

堤防作为河流湖泊乃至海洋工程都是不可或缺的存在，它承担着保护沿湖及沿海地区周边的生命财产安全。与此同时，波浪在堤防上的爬高情况会使得水越过堤防，因此选择在堤防上添加混凝土预制块是对于在深水位置的堤防有效降低波浪爬高的能力，现阶段混凝土预制块大多采用素混凝土正六边形棱柱体结构，它具有抗冲、稳定、耐久，适应堤坝变形，便于制作与施工的优点；但同时存在安全性不高、整体性差、无反虑排水、波浪爬高较高等问题。为了解决这些问题，对新型预制块进行研究，并通过FLOW3D数值模拟的方法模拟新形预制块在设计波浪作用下对波浪爬高数值影响，对设计的的新型预制块对比分析。本文在研究波浪数值模拟以及堤防预制块的研究背景及意义，分析国内外预制块设计和数值模拟方法的基础上，主要研究了以下内容：
　　（1）收集和整理国内外有关堤防设计和波浪数值模拟相关的研究资料现阶段经常采用的数值产生波浪法分为四种，各为速度入口法﹑推板造波法﹑自动吸收式造波法和源函数造波法，总结其研究背景和意义，决定采用FLOW-3D软件对堤防预制块波浪爬高进行数值模拟，为了提高自由液面波动的模拟精度，软件中采用VOF（Volume of Fluid）法捕捉自由表面的情况。
　　（2）预制块护坡是一种人工加工的具有保持坡面稳定防止堤防破坏，有些也同时具有消能防浪作用的人工预制块护坡体型。本文基于鄱阳湖各个参数情况，专门针对鄱阳湖的情况设计了凹槽嵌固式正六边形、Z字形以及嵌固式四边形空心预制块。收集堤防护坡种类以及堤防各项参数，为堤防模拟的条件提供依据，并在数值模拟中选择合理的参数，对这三种预制块进行模拟。
　　（3）利用FLOW3D在计算机中对预制块在水槽中进行模拟验算，通过得出的数据进行分析，确定各个预制块之间在波浪作用下各种水力学特性进行统计，通过直观的数据和图像下分析几个预制块之间的消浪效果对比，为堤防选择合适的预制块种类提供选择的依据，研究堤防在不同预制块的作用下的水力学特性，给出堤防不同预制块的情况下波面的流场分布、流速和水面线等重要的水力学参数的变化规律。