斜坡式防波堤

斜坡式防波堤，是指橫斷面兩側(cè)為斜坡、由塊體堆筑而成的防波堤。對地基沉降不甚敏感，易于修復(fù)，施工比較簡單。但斜坡式防波是需要的材料數(shù)呈較大，在使用方面，堤的內(nèi)側(cè)不能用作靠船碼頭。

中文名稱

斜坡式防波堤

英文名稱

sloping breakwater;mound breakwater

定　　義

兩邊為斜坡，由拋筑(有時局部砌筑)塊石、混凝土塊體或其組合(有時用卵石 填心)而成的防波堤。

應(yīng)用學科

水利科技（一級學科），航道與港口（二級學科），防波堤（水利）（三級學科）

在惡劣海況下，斜坡式防波堤的混凝土護面塊體在波浪作用下會出現(xiàn)晃動和移位的水力失穩(wěn)現(xiàn)象以及應(yīng)力破壞的結(jié)構(gòu)失穩(wěn)現(xiàn)象。由于波浪與斜坡堤護面層的相互作用是一個涉及多種介質(zhì)、多物理場和多尺度效應(yīng)的復(fù)雜問題，目前國內(nèi)外研究成果對復(fù)雜離散結(jié)構(gòu)體系內(nèi)的流場變化特性、波能衰減規(guī)律以及塊體內(nèi)應(yīng)力分布和斷裂機理等知之甚少。本課題旨在通過建立一個精細模擬波浪作用下斜坡堤護面塊體失穩(wěn)和破壞過程的三維流固耦合數(shù)值模型，開展斜坡堤離散護面塊體周圍的復(fù)雜三維流場變化特性、波能衰減規(guī)律以及塊體失穩(wěn)和斷裂機理的基礎(chǔ)研究，得到復(fù)雜形狀護面塊體空隙內(nèi)的流速、壓力以及塊體內(nèi)部應(yīng)力隨時間和空間的變化規(guī)律，研究成果將改變目前斜坡式防波堤主要設(shè)計參數(shù)的確定依賴物理模型試驗的現(xiàn)狀，解決無法定量評估斜坡式防波堤護面塊體穩(wěn)定性的難題，為斜坡式防波堤的設(shè)計、施工和修復(fù)提供一個新的技術(shù)手段。

內(nèi)容簡介

本書是作者根據(jù)多年從事科研教學活動所積累的專業(yè)知識，按照港口、海洋工程最新頒布實施的工程技術(shù)規(guī)范，以及港口、海洋工程中的新理論、新結(jié)構(gòu)、新方法和新技術(shù)編寫而成。全書涵蓋了模型設(shè)計、量測技術(shù)、實驗資料的統(tǒng)計分析等基本理論，并詳細介紹了港口、海岸工程教學試驗的若干重要實例，包括港內(nèi)波況模型試驗、斜坡式防波堤試驗、直立堤試驗、船舶泊穩(wěn)模型試驗以及波浪荷載對樁柱的作用力試驗。同時對實驗?zāi)康?、實驗原理、實驗步驟與方法、實驗資料整理與實驗報告要求等，系統(tǒng)地加以歸納，便于學生掌握和運用。2100433B

波浪與斜坡式防波堤的相互作用涉及到多種復(fù)雜的水動力過程（波浪破碎、越浪、非線性滲流）和多種介質(zhì)（離散塊體結(jié)構(gòu)和連續(xù)多孔介質(zhì)）的耦合作用，數(shù)值模擬流體與相互之間有接觸作用的復(fù)雜形狀離散介質(zhì)的耦合作用是流固耦合力學中的很有挑戰(zhàn)性的難題。本項目基于SPH水動力模型結(jié)合有限離散單元法（FEM/DEM）以及流固耦合算法精細模擬了波浪與復(fù)雜形式離散結(jié)構(gòu)的耦合作用及連續(xù)多孔介質(zhì)內(nèi)的滲流過程。 建立了基于SPH方法的多孔介質(zhì)滲流模型：（一）推導了多孔介質(zhì)內(nèi)的體積平均的湍流運動控制方程VAFANS，采用亞粒子（SPS）紊流模式封閉控制方程，在VAFANS方程中引入了非線性滲流阻力項以反映介質(zhì)骨架對孔隙內(nèi)流體的阻力作用。（二）通過在計算域的背景網(wǎng)格里定義孔隙率信息和引入表征物理量，將不同孔隙率的介質(zhì)內(nèi)流動的控制方程形式統(tǒng)一，避免了在同一計算域內(nèi)使用不同形式的控制方程，實現(xiàn)了對不同介質(zhì)內(nèi)流動的統(tǒng)一描述。（三）提出了不同介質(zhì)邊界處的過渡區(qū)邊界條件，流體粒子的拉格朗日特性和過渡區(qū)內(nèi)孔隙率的連續(xù)變化保證了介質(zhì)內(nèi)外流場和壓力場的連續(xù)。 建立了基于SPH-FEM/DEM的三維流固耦合模型：（一）采用multi-sphere DEM方法描述離散結(jié)構(gòu)的復(fù)雜形狀及相互勾連的不同個體間的接觸判斷，通過判斷和限制離散個體間的接觸疊合量，依據(jù)使計算盡快穩(wěn)定的原則計算相鄰離散結(jié)構(gòu)間的接觸力。（二）提出了適合SPH法和DEM方法的流固交界面處的邊界力條件，流體粒子需滿足不可穿透物面邊界條件，固體粒子作為可動固邊界滿足其運動邊界條件。（三）為反映出離散結(jié)構(gòu)在外荷載作用下的變形和應(yīng)力分布情況，引入FEM/DEM算法，顯式求解FEM程序得到塊體內(nèi)部的應(yīng)力分布特征。（四）結(jié)合所建立的SPH滲流模型，實現(xiàn)了波浪與由不同介質(zhì)組成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)耦合作用的精細模擬，可確定作用于復(fù)雜形狀離散結(jié)構(gòu)附近的流體壓力、粘性力和相鄰離散個體間接觸力的變化特性、離散個體的運動特性和內(nèi)部應(yīng)力場的分布特征以及連續(xù)多孔介質(zhì)內(nèi)的滲流特征。 上述耦合數(shù)學模型為研究復(fù)雜流固耦合力學問題提供了新的計算方法和基礎(chǔ)計算程序，在研究流體與復(fù)雜離散結(jié)構(gòu)的強非線性耦合作用方面取得了實質(zhì)性的進展。研究成果發(fā)表于海岸工程有影響力的國際學術(shù)期刊如Coastal Engineering等。 2100433B