卷破波冲击新型桩板桥梁结构水动力特性试验研究

依托福建省滨海国道涉海浅滩段新型桩板桥梁结构工程,通过波浪水槽开展卷破波冲击桩板桥梁结构水动力特性试验,研究了三个阶段卷破波冲击作用下波浪爬高和桩板桥梁结构所受波浪力水动力特征,并与规则波冲击作用试验结果进行对比,分析了入射波高、波浪周期、水深对波浪爬高和波浪力的影响规律。结果表明:三个阶段卷破波冲击新型桩板桥梁结构的水动力特性显著不同,破碎前阶段和破碎中阶段卷破波会出现明显的波浪爬高现象,破碎前阶段卷破波爬高后的波面高程可达规则波的1.99倍;破碎前阶段的水平波浪力最强,是同阶段竖向波浪力幅值的4.48倍,可达规则波水平波浪力的3.08倍。波浪特征参数和水深对三个阶段卷破波冲击水动力特性影响显著,入射波高和水深的增加会使破碎中阶段卷破波的波面高程和竖向波浪力超过其他阶段;波浪周期的增加会使破碎后阶段卷破波冲击前波面高程和破碎前阶段的竖向波浪力超过破碎中阶段卷破波。

卷破波斜向作用下方形桥墩砰击荷载研究

沿海桥梁常受到破碎波浪作用,其中卷破波砰击严重威胁结构安全。该文通过理论和试验相结合的方法研究了方形桥墩受到的卷破波砰击荷载。以结构破波荷载经验计算公式和MLM理论模型为基础,建立了方形截面桥墩卷破波砰击荷载理论计算模型。通过卷破波水槽试验探究砰击角度与砰击荷载的关系;对比不同砰击角度理论和试验下方形桥墩截面砰击压强时程,验证了理论模型的有效性,结合试验与理论模型确定了不同砰击角度下方形桥墩卷曲因子的取值范围。研究表明:卷破波砰击方向与方形桥墩迎水轴向夹角越小,砰击荷载越大;该文提出的理论模型能很好地描述方形截面砰击压强时程随砰击角度的变化情况;根据试验结果拟合得出了方形截面卷曲因子随砰击角度的变化公式。

卷破波冲击下透空式面板受力特性数值模拟

卷破波是近海环境中常见的破碎波浪,对近海结构物具有较大的破坏性。基于CFD软件FLOW-3D建立二维波浪水槽,对比5种形态的卷破波冲击下透空式面板的受力特性和波浪爬高情况,并讨论了面板相对净空高度、相对水深和迎浪面倾角的影响。研究表明:5个形态的卷破波中,P2形态卷破波的水平波浪力最大,P3形态卷破波的爬高最显著,P1至P3形态卷破波的竖向波浪力趋于相等;面板相对净空高度、相对水深和迎浪面倾角对卷破波冲击作用力和爬高有较大影响,相对净空高度的增大能有效削减卷破波冲击力和爬高,而相对水深的增加将导致透空式面板受到的卷破波水平、竖向波浪力和波浪爬高增大;随着迎浪面倾角从0°增大到60°,波浪爬高逐渐减小,卷破波作用力先增大后减小,P1形态卷破波的水平、竖向波浪力的变化幅度最大,P4形态卷破波的竖向波浪力减小幅度最大,P3形态卷破波的爬高减小最显著。

孤立卷破波传播演化特征分析

卷破波是海洋中极具破坏性的波浪,传播演化过程复杂。本文采用物理试验方法对孤立卷破波演化特性进行研究。在二维水槽通过浅水作用生成孤立卷破波,且选取不同水深和入射波高,采用高速摄像机对波面进行捕捉,进而基于采用开源计算机视觉库OpenCV进行图像处理及分析。结果表明:卷破波卷舌形成后,卷舌内侧波面部分区域逐渐不稳定,并出现褶皱和轮廓弯曲,随后发展成水体全部脱落形成水滴或者部分脱落形成水线;OpenCV能够提取卷破波波面轮廓,且发现孤立卷破波尚未卷曲的前部波面轮廓能够保持较好的形态不变性;另外,当入射波陡增加,卷舌冲击自由液面的卷曲角度越大,卷舌演化距离越长,卷入水中气体也越多。

卷破波对直立圆柱冲击的实验研究

提出卷破波冲直立圆柱的压力特性。尽管峰值压力变化很大，但站击压力时间历程在垂直方向和圆柱表面前部附近的空间分布，在圆柱所在卷破波范围内是有规律的变化的。通过入射波运动学和冲击压力的相关性，阐明了冲击过程的机理。

波浪在陡坡上传播演化破碎特性试验研究

文中选取不同波浪入射参数和水深,分析了波浪在陡坡上传播破碎规律,采用高速摄像机对卷破破碎组次进行拍摄,结合频谱分析对陡坡上波浪破碎形态、破碎位置、波能演化特性进行研究.结果表明:对于卷破破碎波,影响最大的因素是水深,其次是波高和周期.卷破波破碎的过程是水团和卷舌不断演化扩大最后消失的过程,是波能从低频向高频转换的过程,高倍频向主频及次频转移最终趋于稳定标志着卷破破碎的结束.

强浪海域埋入式护底对防波堤稳定性的影响分析

海南岛东南海岸台风频繁,近岸波浪极限波高可达10 m,建港条件恶劣。防波堤的结构安全成为在该海域建港的关键难题。基于南海应急抢险打捞保障基地工程对斜坡式防波堤稳定性进行研究,通过建立三维波浪整体物理模型对防波堤不同形式的护面及护底块体进行稳定性试验。结果表明:在该强浪海域,防波堤护底的稳定直接影响护面的稳定。通过加大护底块石质量以达到稳定的效果不佳,而通过采用埋入式护底的结构形式可有效提高稳定的同时有利于减小护底块石的质量,进而达到防波堤护面结构稳定的要求,一定程度上节省了工程投资。

斜向浪作用下防波堤护面块体稳定性研究

海南岛东南海岸建港条件恶劣,防波堤稳定性是建港难题,如何在强浪海域确保防波堤结构安全是工程成败的关键。依托海南万宁抢险打捞综合基地项目,采用规范公式、波浪断面模型试验、波浪整体物理模型试验3种方法确定斜坡式防波堤扭王字块稳定质量,验证防波堤稳定性。研究结果表明,规范公式和波浪断面模型试验确定的扭王字块稳定质量远小于波浪整体模型试验确定的稳定质量,主要原因在于波浪整体物理模型试验可有效反演沿堤局部发生波能集中效应,局部波高变大致使防波堤护面扭王字块稳定质量需增大79%。因此,对发生斜向浪作用的强浪海域,开展波浪整体物理模型试验验证防波堤稳定性对确保设计安全有着重要意义。研究成果可为受斜向强浪作用下的防波堤工程设计提供参考。

热膜式剪应力传感器在破碎波作用下的应用初探

破波区床面剪应力的正确认知对于揭示海岸泥沙输运以及地貌演变的机理具有重要意义。波浪破碎以后带来的紊动和涡旋会对床面剪应力产生显著的影响。采用MEMS柔性热膜式壁面剪应力传感器在波浪水槽中开展了破碎波作用下的床面剪应力测量应用测试。实验结果表明该壁面剪应力传感器可以应用于破碎波作用下的床面剪应力测量。在破波点之前可以根据近底流速辅助该传感器判断床面剪应力的方向。床面剪应力在波浪破碎之前变化较为平缓,在波浪破碎之后床面剪应力的波动和极值都会增大。斜坡上沿程最大床面剪应力均值的极值出现于卷破水舌入射点之后。

考虑波浪破碎冲击力的钢管桩水平承载力的数值研究

钢管桩广泛应用于码头等海岸工程结构中,其水平承载力因海洋荷载动力环境复杂而难以确定。特别是极端天气情况下的海浪易发生破碎,可对钢管桩产生巨大的冲击力。文章结合工程资料和波浪破碎理论,基于ABAQUS有限元分析软件,建立了卷破波作用下的钢管桩-地基相互作用模型,并应用此模型进行了破碎波产生的冲击力作用下直立桩的破坏分析,研究了工程区域百年一遇极端波浪对钢管桩Mises应力和泥面处位移的影响。分析结果表明,当考虑波浪破碎时,桩身的Mises应力远大于未考虑波浪破碎时的Mises应力,故工程设计时有必要考虑波浪破碎的影响。并进一步分析了钢管桩壁厚和桩径对水平承载特性差异的影响,发现当考虑波浪破碎时,随着壁厚和桩径的增加,水平位移减小的程度大于未考虑波浪破碎时水平位移减小的程度。

不同破碎波气液混合区发展特征及其运动特性研究

了解波浪破碎速度场的分布特性对于波浪破碎物理机制的研究极为重要,同时,对比研究不同类型破碎产生的气液混合区的演化特征有利于波浪白冠覆盖率模型的完善。在实验室水槽,生成了深水临界波、单次崩破波和单次卷破波,采用图像测速技术获取了波浪破碎图像、波面下水体和气液混合区速度场。结果表明,崩破波的水平向速度u和垂直向速度v在波峰前和波峰后的分布极为不对称,其水平向最大速度u_(max)并不位于峰顶,而是在主导波峰前0.7η_(max)处;卷破波的u_(max)出现在波峰峰顶前端极小的区域内,且该区域与周围区域的速度梯度极大。崩破波和卷破波生成的气液混合区发展特征也存在差异:崩破波的u_(max)值大、影响区域长、混合区厚度较小、各区域影响时间短;而卷破波的各项特征参数与崩破波形成对比。

不同滩形对卷波破碎引起的紊动能量与能损分析

卷破波对海岸具有强烈的侵蚀作用,其破波能量变化是评估岸线侵蚀的重要参照。本文基于FLOW-3D软件,对平直滩形和沙纹滩形上卷破波的破碎进行了模拟,在验证模拟可靠性的基础上,获得破浪破碎造成的紊动能量与波高、坡度和地形的关系。通过快速傅里叶变换和波能计算公式求得各工况破碎前后波能和破波能损率,发现平直滩形破波能损与坡度和波高有关,沙纹滩形破波能损率变化较为复杂,并从破波区域内沙坝影响波浪破碎的角度对沙纹滩形破波能损率的变化进行了解释。