考虑结构安全的桩基码头清淤施工方案优化

中国沿海粉砂质海岸桩基码头下方普遍存在的严重泥沙回淤问题,导致码头桩基受损和高昂泥沙清淤成本。将桩基受力的有限元分析方法与港口运营管理的运筹学方法相结合,以大型沿海桩基码头泥沙清淤工程为原型,开展桩基码头的清淤施工方案优化研究,分别建立码头桩基-岸坡土体结构体系的有限元数值模型,以及综合考虑清淤成本、安全、效率的港口清淤施工方案优化数学模型,并应用基于强化学习改进的遗传算法求解得到最优清淤方案。方案在充分考虑结构安全的前提下,有效降低了清淤成本,可为港口清淤提供依据。

基于Copula理论的高桩码头岸坡可靠性分析

高桩码头岸坡稳定性对整体码头结构安全至关重要。为进一步探究高桩码头岸坡土体强度参数相关性及空间变异性对高桩码头岸坡可靠性的影响规律,基于Copula理论考虑岸坡土体参数的联合概率分布特性,采用PLAXIS计算平台建立高桩码头-岸坡体系数值计算模型,进一步通过Python API接口,编译完成了可自动数据交互与求解的外挂子程序SAPW,并实现了高桩码头岸坡体系参数化前处理、样本工况计算和可靠性求解的一体化、全链条可靠性分析框架流程,并在此基础之上结合蒙特卡罗模拟方法,开展了相关数值计算与参数化分析,探讨了黏聚力、内摩擦角变异系数以及二者相关系数对高桩码头岸坡可靠性的影响规律。结果表明:在高桩码头设计与分析中,忽略土体参数相关性和空间变异性会高估岸坡失效概率,进而导致相关可靠度分析偏于保守,在高桩码头岸坡可靠度分析中宜采用多种Copula函数进行综合考虑。

考虑清淤策略的桩基时变可靠度分析

为发展淤积岸坡-高桩码头相互作用体系结构可靠性分析方法,基于Fick第二定律推导了能考虑氯离子侵蚀效应的二维扩散模型,并采用时间离散法提出了一种综合考虑结构抗力衰减、淤积作用量化和预测,以及桩基受力变形分析的高桩码头桩基时变可靠度数值计算方法。并结合以目标可靠度为导向的清淤策略,编写了淤积岸坡-高桩码头体系时变可靠度外挂求解程序DPRP。在此基础上,开展了多工况计算分析,探讨了高桩码头桩基时变可靠度的演化规律。计算分析结果表明:码头近海侧桩基可靠度更易低于目标可靠度,在实际工程中需重点养护与修复;泥沙淤积作用会降低多数桩基时变可靠度,而对于近海侧及近岸侧且向岸倾斜的斜桩,其时变可靠度则会因泥沙淤积作用而增大。该高桩码头桩基时变可靠度数值求解流程框架及对应外挂子程序DPRP,可为高桩码头-岸坡相互作用体系的相关工程设计与可靠性评价提供参考。

考虑参数空间变异性的高桩码头-岸坡体系可靠性分析

为进一步发展高桩码头-岸坡体系结构可靠性分析方法,基于KL-Copula互相关随机场模拟方法,综合考虑了岸坡土体参数空间变异性与其相关结构及大小的影响,提出一种岸坡-高桩码头体系互相关随机场模拟与可靠性求解数值实施流程,并基于PLAXIS计算程序平台,编写了高桩码头-岸坡体系互相关随机场模拟与可靠性分析外挂求解程序KLCPRP。在此基础上,进一步结合非侵入式随机分析方法进行相关算例分析,探讨不同岸坡强度参数Copula函数结构对互相关随机场模拟和高桩码头结构可靠性求解的影响规律。计算分析结果表明:不同Copula函数结构所对应模拟样本的线性相关系数、秩相关系数均存在一定差异性;对于有限实验数据情况,Gaussian Copula函数结构会导致随机场计算结果偏于保守;所提出的KL-Copula模拟随机场数值实施流程及对应外挂求解程序KLCPRP具有良好的精度和有效性,可为高桩码头-岸坡相互作用体系的相关工程设计及安全评价提供理论参考。

楮岛沙滩不同时间尺度变化特征与波能流密度相关性探讨

在波浪和水流的作用下,泥沙在不同时间尺度下的运动会引起沙滩的冲淤演变,对海岸资源有重要的影响。因此,了解沙滩季节性演变规律,并采取针对性的防护措施,是近岸沙滩亟须解决的问题。目前,现场观测是研究沙滩剖面冲淤演变的重要方法,通过沉积物组成、岸滩坡度及波浪动力的时空变化,了解沙滩剖面的变化特性,对于沙滩管理和海岸保护具有十分重要的意义。基于2017年9月—2019年11月在荣成楮岛南岸沙滩每个月采集一次的剖面数据,以及波浪动力数据,分别探究了沙滩在不同时间尺度下的变化特征,并对沙滩变化特征与波浪动力因素的相关性进行了探讨。研究发现:楮岛南岸沙滩形态变化具有较强的季节性特征,春季沙滩比较稳定;夏季沙滩受台风影响侵蚀严重,但在风暴过后的短时间内,沙滩泥沙恢复较快;冬季沙滩恢复速度逐渐减缓并趋于稳定。在夏季和冬季期间,波能流密度的向岸分量对楮岛南沙滩的演变产生重要作用,而且波能流密度向岸分量的均值(选取数据采集前15d的波浪条件参与计算)与沙滩体积的相关性最好,并给出了两者的线性拟合公式。

圆柱绕流的三大类型湍流模型及稳定性数值模拟研究

海港桩基码头下方桩柱周围的绕流特性对港口水动力与泥沙输运具有重大影响。为探究湍流数值模拟方法对三维桩柱绕流精度的影响,基于CFD方法建立OpenFOAM湍流模型,在雷诺数Re=3900条件下,研究不同近壁取值范围y+=0.95~5.00内的大涡模拟LES、原始雷诺时均法(RANS)湍流模型和增加涡流黏度限制公式的RANS湍流模型的阻力系数、斯特劳哈尔数、平均压力系数、平均速度和涡流结构。研究结果表明,与前人RANS各湍流模型及试验计算结果比较,RNGκ-ε湍流模型对阻力系数和斯特劳哈尔数模拟较准确,对涡捕捉精细程度最好;κ-ω、κ-ωSST湍流模型对斯特劳哈尔数模拟较准确,在y+=0.95~2.00时对平均压力系数模拟较准确;各RANS湍流模型对平均速度的模拟均存在回流区内速度偏差较大的问题;大涡模拟LES湍流模型在近壁网格精度较高时,所有水动力模拟结果相对准确。研究还发现增加涡流黏度限制后的RANS湍流模型,对涡结构捕捉的精细程度更高,更符合真实流动。通过对不同湍流模型下单桩水动力特性的分析研究,可为海港码头下圆形桩群的水动力计算提供参考。

山东半岛海滩动力地貌特征分类

划分海岸应从海洋地貌学视角考虑,根据形状、成因、物质构造和发育演化等阶段,提供具体的划分方法,从而了解海岸的地形动力特性,这对海岸工程技术研究和防护、旅游发展等方面有重要意义。本文对山东半岛砂质海滩进行海洋动力地貌分类界定,根据地貌背景、海滨地貌形态、海滨沉积物类型和海洋动力要素等,选取了六个特征作为系统聚类因子。运用海滩相对潮差分类模型(Ω-RTR模型),结合聚类分析,确定了山东半岛43个海滩的地貌动态特征,并对这43个海滩的类型进行了讨论,结果表明:①可将山东半岛海滩归为六种不同的海滩状况,分别为:低潮沙坝/裂流海滩/超消散组、中间状态组/消散组(无沙坝)、超消散组、消散组(沙坝-槽谷)、低潮阶地和反射组。②聚类分析方式和Ω-RTR模式的结论基本相同,在部分沙滩的分类结论上略有不同。但总体上仍能够合理划分海滩种类,有助于理解海滩的动力地貌系统。

渗透潜堤对沙滩剖面演化影响的物理模型试验研究

由于对海岸景观和生态环境影响较小,渗透潜堤被广泛用于沙滩整治修复和侵蚀防护。在波浪水槽中开展物理模型实验,研究潜堤对沙滩剖面演化的影响。采用浪高仪阵列和激光扫描仪采集了水面高程变化和沙滩剖面高程,分析了波浪传播的相关水动力特征,包括波高沿程分布、透射系数、波浪能谱以及非线性指标(偏度和斜度),不同入射波浪和潜堤设置情况时沙滩剖面的变形特征,统计了沙滩侵蚀关键因子(岸线蚀退距离、单宽侵蚀量等),探讨了沙滩侵蚀与波浪条件、渗透潜堤特征参数之间关系,提出了沙滩侵蚀量与渗透潜堤无量纲特征参数的估算公式。研究表明:在堤顶破碎、大孔隙介质阻力和堤前反射综合作用下,入射至近岸沙滩的波浪能量降低,潜堤具有消浪和沙滩侵蚀防护作用;泥沙整体离岸输运,潜堤向岸侧淤积;对于实验考虑的工况,潜堤位置变化对沙滩防护效果的影响较小,堤顶宽度增加更利于消浪和滩面防护,潜堤对于较强的波浪表现出更好的沙滩防侵蚀效果。

风暴浪作用下沙质岸滩稳定机制物理模型试验研究

近年来风暴潮等海洋灾害日趋频发,沙质海岸侵蚀问题也愈发突出,沙滩稳定防护显得日益重要。为研究风暴浪作用下沙质岸滩稳定机制问题,设计了一系列的水槽试验,对风暴浪作用下沙质岸滩的稳定机制和演变过程进行了录像观察和研究分析。试验中采用图像处理技术,根据水和岸滩床面的像素值差异,对岸滩整体剖面进行实时动态提取;对比和分析了不同入射波高、波周期、水深、岸滩初始坡度以及波高连续变化下沙质岸滩演变过程。试验结果表明,岸滩稳定与岸滩初始坡度和沙坝的发育直接相关,而波参数主要影响岸滩扰动幅度和沙坝以及前滩侵蚀边界的位置变化。当入射波高连续变化时,沙坝迅速响应并向离岸迁移。岸滩变化幅值与入射波能流存在明显正相关关系,波能流越大对岸滩稳定性的危害越大。而水位升高会增强前滩向岸侵蚀风险。此外,在本试验尺度下,前滩以侵蚀为主。当岸滩初始坡度小于稳定坡度且波陡较小时,即Dean参数Ω′较小时,岸滩才发生明显的前滩淤积,这对于试验尺度下岸滩恢复工况研究至关重要。具体来说,当岸滩整体坡度为1:10且前滩坡度达到1:5~1:2.5时,岸滩稳定性最好,岸滩形态最接近最终平衡剖面,岸滩趋于稳定的时间最短。

基于ERA5再分析数据的中国邻近海域极端波高特征分析

极端波浪对沿海地区基础设施有着深远的影响,了解它们的变化规律是进行海岸带风险分析和灾害预防的基础。文章基于欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasting,ECMWF)第五代再分析数据集(ECMWFreanalysisv5,ERA5),对中国邻近海域1979~2018年间极端波高展开时空特征分析,并统计了40a厄尔尼诺系数,利用广义极值分布(generalized extreme value,GEV)函数探究了近40 a厄尔尼诺现象对我国海域极端波高的影响,结果显示:统计1979~2018年整个研究区域前2%极端波浪年均值在6~10 m间浮动,且整体趋势递增,在四季趋势变化中,春夏极端波高增长趋势较秋冬高,且波动明显,在年际极端波高变化趋势中有较大波动时大多伴随着厄尔尼诺或是拉尼娜现象的发生,结合厄尔尼诺现象对GEV分布中位置参数的影响分布图和极端波高年、季节际趋势变化分布图,厄尔尼诺现象影响大的地区极端波高大多呈现增长趋势,表明厄尔尼诺现象对极端波高有较高影响。

丁坝附近交叉波浪场引起的裂流系统实验研究

裂流是狭窄而集中的离岸方向水流,对海岸水底变形、物质输移和游泳者安全有重要影响。波浪在垂直海岸建筑物(如丁坝、航道挡沙堤等)上产生的反射会导致沿岸驻波,在驻波节点区域由于波高很小会产生裂流,这是海岸出现裂流原因之一。本研究通过物理模型实验给出了沙坝海岸上建筑物附近裂流系统不同于开敞水域交叉波裂流系统的特征,讨论了波高沿岸变化对裂流系统的各裂流单元流量平衡的影响。结果表明:建筑物的存在引起了沙坝和海岸之间背离建筑物方向的沿岸流动,这导致了裂流系统中各裂流单元之间存在着流量的交换,对各单元裂流流量大小和分布产生了直接影响;各单元侧向流流量对裂流的贡献依赖于单元距建筑物的距离。

基于砂质海岸剖面形态数值模拟的参数敏感度分析

为了探究XBeach模型中系统的参数调试对模拟剖面演变的影响,该文基于波浪水槽实验通过广义似然不确定性估计法(GLUE)对XBeach模型中的波浪非线性(facua)、沙滩湿崩塌临界坡度(wetslp)、波能耗散(alpha)等调试参数进行敏感性分析,阐述所选参数的物理意义及控制方程,选取不同的参数值观察岸滩剖面演变过程,并通过Brier Skill Score评价方法对模拟效果进行评价。结果表明改变参数值大小会得到不同的岸滩剖面模拟形态。其中参数facua控制波形,波浪由于非线性作用于岸滩会使剖面发生不同趋势的演变,改变facua参数值能够改变模拟剖面演化的趋势,使得模拟地形剖面演变产生较大的变化;参数wetslp作为湿崩塌临界斜率,改变其数值大小模拟地形改变的首要特征为剖面坡度;参数alpha作为波能耗散系数,改变其值会影响破波所释放的能量,从而影响剖面的侵淤程度。最终选取三者值分别为0.65、0.2、1.3,与水槽实验结果拟合最好。该结果对于XBeach的研究及应用具有一定的参考意义。