吹填岛礁护岸防波堤的波浪动力响应及稳定性计算分析

作     者：郭盟 

作者单位：中国地质大学(北京) 

学位级别：硕士

导师姓名：郑秀华;叶剑红

授予年度：2020年

学科分类：081505[工学-港口、海岸及近海工程] 08[工学] 0815[工学-水利工程] 0824[工学-船舶与海洋工程] 0814[工学-土木工程] 082401[工学-船舶与海洋结构物设计制造] 

主      题：FSSI-CAS-2D 护岸防波堤稳定性 波浪-海床-结构物相互作用 

摘      要：海岸地区是我国进出口贸易的主要途径,是支撑我国经济发展的重要支柱。近些年来,我国海岸附近建立了越来越多的防波堤、海底管线、海上风机和油气平台等沿海结构物。为了抵御波浪的入侵、保护海岸及近海结构物,往往会在重要的港口或海岸边设置防波堤来消减波浪的冲击侵蚀。对于吹填岛礁来说,吹填钙质土松散不均匀,所以护岸防波堤的稳定性就决定了吹填土体的稳定性,进而增强了岛礁的稳定性,那么岛礁护岸防波堤能否在极端的波浪冲击环境中依然维持稳定呢?研究岛礁护岸防波堤在极端天气下的稳定性是十分有意义的。本文采用了耦合数值模型FSSI-CAS-2D与OpenFoam联合计算对岛礁护岸防波堤进行真实尺寸建模计算,研究了设防波浪荷载(波高7m,周期10s)作用下海床和护岸防波堤之间的动态响应,并从海床地基的变形和强度稳定性等方面对防波堤稳定性进行了评价。计算结果表明:(1)防波堤胸墙受到的波浪冲击力峰值为327kPa,波浪冲击多发生于胸墙中下方,胸墙受到的延米水平推力峰值可达262kN/m,护坡受到的延米水平推力峰值达200kN/m。(2)在计算的t=171.8s时刻,胸墙受到单次极端波浪冲击力发生永久性顺时针旋转位移,最大旋转角度为2.3°。胸墙的变形过程为:冲击瞬时胸墙整体向右位移,随后胸墙发生旋转,压迫墙背土体,同时胸墙底发生向左的位移,这种旋转变形导致了地基土体的应力重分布。(3)吹填地基的动态位移震荡随着深度增大而减小,防波堤下方地基沉降较均匀,防波堤后方地基土体存在略微向上隆起变形。由于地基土体和防波堤位移变形均较小,可以认为防波堤在设防波浪要素下可以基本保持稳定。本文首次采用FSSI-CAS-2D模型进行复杂真实地形建模模拟,为了实现复杂边界建模以及模型推广的目的开发了基于C++的用户操作界面(GUI),为后续开展防波堤的波浪及地震作用下的动态分析、稳定性评价奠定了基础。