波浪和潮波作用下临海深基坑渗流特性研究

近年来随着我国经济的发展，在临海或临江地区高层建筑、地下空间开发，跨海（江）隧道、跨海大桥等重大工程的建设过程中，涌现了大量紧临动水环境施工的深基坑工程，这类工程的安全和施工对周围环境的影响问题十分突出，其中在波浪、潮波循环作用下的深基坑渗流特性及破坏控制是需解决的关键科学问题。 本项目研制了适合波浪水槽内开展试验的基坑渗流试验模型箱，开展了一系列波浪作用下临海粘质粉土基坑周围的孔压响应规律的模型试验研究；研制了潮汐作用下基坑渗流的室内试验模型装置，开展了潮汐作用下临海粘质粉土基坑的孔压响应规律和基坑的渗流规律及渗流破坏试验研究。建立了滨海基坑浅层含水层地下水位波动和临海基坑水位波动两种情况下的基坑渗流分析模型，开展了动水作用下基坑及周围地基的水土压力响应的有限元数值分析。推导了滨海地区基坑坑外地下水位波动引起土体超静孔压响应的简化一维解析解；获得了水位波动情况下基坑周围地基孔压响应的二维近似半解析解。研究发现由潮汐水位波动引起的基坑周围地基的相对超孔压波动幅值沿坑外到坑内的最短渗流路径逐渐衰减，坑外地下水位波动时基坑周围孔压波动滞后现象明显；经受波浪作用的临海基坑若忽视土体超孔压累积效应将偏不安全。 项目深入揭示了波浪、潮波作用下基坑周围的孔压响应和支护结构水土压力变化及渗流破坏机理，丰富和发展了复杂环境下深基坑支护结构的设计计算理论，为临海、临江深基坑支护结构设计提供必要的科学依据，具有较强的科学意义和应用价值。 2100433B

近年来随着我国经济的发展，在临海或临江地区高层建筑、地下空间开发，跨海（江）隧道、跨海大桥等重大工程的建设过程中，涌现了大量紧临动水环境施工的深基坑工程，这类工程的安全和施工对周围环境的影响问题十分突出，其中在波浪、潮波循环作用下的深基坑渗流特性及破坏控制是需解决的关键科学问题。.本项目从临海深基坑渗流机理出发，根据相应的波浪水槽模型试验、非线性数值分析方法和解析理论，建立波浪、潮波作用下基坑的渗流分析模型，在此基础上开展波浪、潮波循环作用下基坑渗流的模型试验、数值分析与解析研究，深入揭示波浪、潮波循环作用下基坑周围的孔压响应和支护结构水土压力变化及渗流破坏机理，并提出相应的基坑支护结构内力、变形和稳定的分析和设计方法。无疑将极大地丰富和发展复杂环境下深基坑支护结构的设计计算理论，为临海、临江深基坑支护结构设计提供必要的科学依据，具有重要的科学意义和应用价值。

近海岸桥梁面临海岸带环境中复杂的动力作用，这些动力作用一般包括风、波浪、潮汐和洋流等。风暴潮与波浪的联合作用往往使得跨海桥梁周围水位升高，波浪越顶，潮流紊乱，产生冲刷等，这些自然条件给桥梁的安全性带来巨大的隐患。我国跨海桥梁的兴建方兴未艾，近海岸桥梁的设计与建造必须考虑到海岸带可能发生的最恶劣情况，否则将会造成严重的灾难性事故。因此开展近海岸桥梁在极端波浪荷载作用下毁坏形式和机理的研究已成为急需解决的关键课题。 该项目采用数值仿真和水槽模型试验相结合的方法，开展近海岸桥梁在极端波浪荷载下毁坏形式和机理的研究。研究中首先引入两相流的概念，建立了基于大涡模拟（LES）和流体体积法（VOF）的三维波浪与结构物相互作用的数学模型,重点将建立高精度自由水面追踪方法与虚拟边界力方法用于准确模拟强非线性破碎波与复杂桥梁结构物的相互作用。通过三维波浪与梁体的相互作用的数值仿真获得梁体所受的瞬时波浪力，结合水槽模型试验结果确定最不利的波浪荷载组合。分析桥梁在波浪荷载作用下的受力特点、最大波浪力随淹没深度变化趋势及梁体周围流场动力特性。在此基础上，通过模拟在极端波浪荷载作用下近海岸桥梁结构失效模式研究桥梁的破坏形式和在海岸灾害中毁坏机理。通过该项目的研究取得如下成果： （1）建立基于大涡模拟和VOF方法的三维波浪与结构物相互作用的数学模型。在结构物边界处理研究中,结合虚拟边界力方法,提出二步边界定位法,实现流体与复杂结构物边界的精确模拟，并进一步针对三维波浪与复杂构形桥梁结构的相互作用进行计算程序的开发和应用研究,分析在三维波浪作用下,桥梁梁体所受的波浪力特点和梁体周围流场分布特性，为近海岸桥梁的抗波浪力和稳定性设计提供重要的理论依据和技术支撑。 （2）进行一系列的水槽模型试验。模型试验将桥梁高程、淹没深度、波高、规则波和不规则波作为变量进行试验对比，确定最不利的波浪荷载组合，分析桥梁在波浪荷载作用下的受力特点、最大波浪力随淹没深度变化趋势，研究极端波浪荷载作用下近岸桥梁结构失效模式和毁坏机理。 （3）通过三维波浪与桥梁相互作用仿真研究获得瞬时的梁体所受波浪荷载，结合水槽模型试验，深入开展近海岸桥梁在极端波浪荷载下毁坏形式和机理的研究，为近海岸桥梁的设计和施工提供必要的理论基础和技术支撑。这对进一步提高近海岸桥梁设计精细化研究，增强结构安全性和可靠性具有重要意义。 2100433B

本项目针对跨海近海岸桥梁在极端波浪荷载作用下灾变毁坏问题，采用数值仿真和宽水槽模型试验相结合的方法，开展近海岸桥梁在极端波浪荷载下毁坏形式和机理研究。研究中首先引入两相流的概念，建立了基于大涡模拟（LES）和流体体积法（VOF）的三维波浪与结构物相互作用的数学模型,重点将建立高精度自由水面追踪方法与虚拟边界力方法用于准确模拟强非线性破碎波与复杂桥梁结构物的相互作用。通过三维波浪与梁体的相互作用的数值仿真获得梁体所受的瞬时波浪力，结合宽水槽模型试验结果确定最不利的波浪荷载组合，分析桥梁在波浪荷载作用下的受力特点、最大波浪力随淹没深度变化趋势及桥梁周围流场动力特性。通过模拟在极端波浪荷载作用下近海岸桥梁结构失效模式研究桥梁的破坏形式和在海岸灾害中毁坏机理。为近海岸桥梁的设计和施工提供必要的理论基础和技术支撑。

兼顾安全稳定和降低工程造价的低反射防波堤设计近年来受到理论和工程界的重视。关于低反射防波堤上的非线性波浪水力特性，目前尚无成熟的理论和计算方法。利用国家重点实验室的设备，实验模拟和分析波浪作用下低反射防波堤的波高和波浪力变化，建立波况和波浪力计算的非线性数值计算模式，在理论上和工程应用上都具有重要的研究意义。 2100433B