波浪作用下斜坡堤护面块体失稳和破坏过程的精细模拟

波浪与斜坡式防波堤的相互作用涉及到多种复杂的水动力过程（波浪破碎、越浪、非线性渗流）和多种介质（离散块体结构和连续多孔介质）的耦合作用，数值模拟流体与相互之间有接触作用的复杂形状离散介质的耦合作用是流固耦合力学中的很有挑战性的难题。本项目基于SPH水动力模型结合有限离散单元法（FEM/DEM）以及流固耦合算法精细模拟了波浪与复杂形式离散结构的耦合作用及连续多孔介质内的渗流过程。 建立了基于SPH方法的多孔介质渗流模型：（一）推导了多孔介质内的体积平均的湍流运动控制方程VAFANS，采用亚粒子（SPS）紊流模式封闭控制方程，在VAFANS方程中引入了非线性渗流阻力项以反映介质骨架对孔隙内流体的阻力作用。（二）通过在计算域的背景网格里定义孔隙率信息和引入表征物理量，将不同孔隙率的介质内流动的控制方程形式统一，避免了在同一计算域内使用不同形式的控制方程，实现了对不同介质内流动的统一描述。（三）提出了不同介质边界处的过渡区边界条件，流体粒子的拉格朗日特性和过渡区内孔隙率的连续变化保证了介质内外流场和压力场的连续。 建立了基于SPH-FEM/DEM的三维流固耦合模型：（一）采用multi-sphere DEM方法描述离散结构的复杂形状及相互勾连的不同个体间的接触判断，通过判断和限制离散个体间的接触叠合量，依据使计算尽快稳定的原则计算相邻离散结构间的接触力。（二）提出了适合SPH法和DEM方法的流固交界面处的边界力条件，流体粒子需满足不可穿透物面边界条件，固体粒子作为可动固边界满足其运动边界条件。（三）为反映出离散结构在外荷载作用下的变形和应力分布情况，引入FEM/DEM算法，显式求解FEM程序得到块体内部的应力分布特征。（四）结合所建立的SPH渗流模型，实现了波浪与由不同介质组成的复杂结构耦合作用的精细模拟，可确定作用于复杂形状离散结构附近的流体压力、粘性力和相邻离散个体间接触力的变化特性、离散个体的运动特性和内部应力场的分布特征以及连续多孔介质内的渗流特征。 上述耦合数学模型为研究复杂流固耦合力学问题提供了新的计算方法和基础计算程序，在研究流体与复杂离散结构的强非线性耦合作用方面取得了实质性的进展。研究成果发表于海岸工程有影响力的国际学术期刊如Coastal Engineering等。 2100433B

在恶劣海况下，斜坡式防波堤的混凝土护面块体在波浪作用下会出现晃动和移位的水力失稳现象以及应力破坏的结构失稳现象。由于波浪与斜坡堤护面层的相互作用是一个涉及多种介质、多物理场和多尺度效应的复杂问题，目前国内外研究成果对复杂离散结构体系内的流场变化特性、波能衰减规律以及块体内应力分布和断裂机理等知之甚少。本课题旨在通过建立一个精细模拟波浪作用下斜坡堤护面块体失稳和破坏过程的三维流固耦合数值模型，开展斜坡堤离散护面块体周围的复杂三维流场变化特性、波能衰减规律以及块体失稳和断裂机理的基础研究，得到复杂形状护面块体空隙内的流速、压力以及块体内部应力随时间和空间的变化规律，研究成果将改变目前斜坡式防波堤主要设计参数的确定依赖物理模型试验的现状，解决无法定量评估斜坡式防波堤护面块体稳定性的难题，为斜坡式防波堤的设计、施工和修复提供一个新的技术手段。

为了防止堤心块石被冲毁，需要给予充分的覆盖和保护，需要使用大量的人工块体，同时任意堆放，块体容易发生移动和沉实，还需要一层良好的垫层予以支承，于是就产生对护面块体的稳定重量和护面层厚度进行计算以及如何安放的问题。护面范围，在波浪作用下，斜坡堤堤身在计算水位上、下一倍设计波高值之间需进行护面。但一般均根据经验和水力模型试验确定。

人工护面块体可以分为双层安放和一层安放的两种。目前我国经常使用的一层安放的块体有：四脚空心方块、扭王字块等；双层安放的块体有四脚锥体和扭工字块等。护面块体的底层块体应与其下的抛石棱体紧密接触。四脚空心方块的垫层的块石宜铺砌。双层安放的护面块体在安放后应使其相应间具为了防止堤心块石被冲毁，有一定的联锁能力。扭工字块当随机安放时，其上层应尽量能有60%的块体保持垂直杆在堤坡下方和水平杆在堤坡上方；当规则安放时，全部块体应保持垂直杆在堤坡下方，水平杆在堤波上方。人工护面块体一般都是在拼装式钢模板中制作，其顶部表面易产生气泡，应在混凝土初凝前用原浆抹压。2100433B