波浪和水流是海岸地区最重要的水动力要素,随机波浪与水流.PDF

项目名称 波流共同作用下海岸演变过程与海工动力响应研究及应用 推荐单位（专家）河海大学 波浪和水流是海岸地区最重要的水动力要素 ，随机波浪与水流的非 线性相互作用驱动多种时空尺度的海岸泥沙运动、塑造形态各异的海岸 地貌、导致纷纭复杂的结构物动力响应 ，是港口航道与海岸工程选址、 设计、施工及维护的关键问题。本项目针对传统理论与方法中波流相互 作用的随机非线性机制尚不明确、复杂海工结构物载荷计算方法不够完 善、多尺度海岸动力地貌耦合演变难以模拟等应用基础难题 ，经10 余年 的深入研究 ，取得以下四个方面的创新突破。 （1 ）突破了波浪-波生流联合输沙理论瓶颈 ，发展了随机非线性波流 共同作用下海岸水沙运动基础理论。通过改进波面剪切应力、近底压强 梯度、悬沙紊动格式、时变涡粘系数等关键物理量的表达式 ，揭示了破 项目简介 波带波生流三维空间分布特性 ，阐明了波流近底边界层动力结构与泥沙 运动规律 ，解决了海岸沙坝季节性双向迁移难以统一描述的理论难题。 （2 ）建立了复杂海况和新型护面的海工结构物载荷计算新公式 ，克 服了离岸高桩码头与防波堤波浪力无法准确计算的难题。通过开展系列 物模试验 ，阐明了新型海工结构在复杂波流条件下的动力响应规律 ，提 出了离岸高桩码头面板底部波浪浮托力和扭王字块护面斜坡堤胸墙波浪 力的计算公式 ，填补了国内标准规范的空白。 （3 ）研发了多尺度多因子耦合的海岸演变数值模拟与物模控制系 统 ，实现了河口海岸多要素非线性动力地貌演变过程的精细模拟。研制 了水运工程潮流泥沙波浪环境数值模拟系统，发展了双向反馈计算和输 入信息约减等大范围长周期模拟方法 ，显著节省计算时间和提高计算精 度 ；开发了多汊河口复杂开边界径潮物模控制方法 ，突破了传统长模型 扭曲水道成本高和不易控制的技术障碍。 （4 ）攻克了动态摆动水道沙洲海域新型布置型式的港航建设关键技 术 ，为辐射沙洲海域建设深水大港提供重要科学依据。通过对辐射沙洲 整体地貌长周期演变趋势和局部工程海域水沙结构动力响应的模拟计 算 ，解决了“离岸人工岛+长栈桥式”、“边滩匡围+长栈桥式”、“边滩挖入 式”三种新型平面布置型式下地形稳定性判别、航道回淤和结构设计等工 程难题。 波浪- 波生流联合输沙理论成果被美国土木工程师协会评为 JWPCOE 2014 年度最佳论文 ，波流作用下海工动力响应计算方法被纳入 2 部交通部标准规范 ，研发了全国高校第一家通过中国工程建设标准化 协会鉴定的水运工程数值模拟软件 ，从而打破了国外商业软件的垄断 ， 有力推动了港口航道与海岸工程建设行业的科技进步。成果成功应用于 长江口、上海港、宁波-舟山港、天津港、青岛港、连云港、福州港等45 个我国沿海重大港航工程和阿联酋Fujairah 港、沙特Gizan 人工岛等 11 个国外工程 ，直接节省工程投资1.826 亿元 ，并已推广到海洋三所、中交 三航院、Myanmar Maritime Univ.、VITEC Eng.等8 家国内外科研机构 ， 取得显著的社会经济效益 ，