新型反弧式海塘挡墙结构越浪效果数值模拟研究

摘 要：传统直立和斜坡式海塘挡墙结构在强降雨或极端风暴潮条件下难以有效阻止潮水快速爬升，对岸线建筑物及人群产生一定安全隐患。该文通过数值模拟设置不同水位高度，研究不同冲击水流流速对新型反弧式海塘挡墙结构越浪效果的影响，以评价新型海塘挡墙的越浪效果。研究结果表明，新型反弧式海塘挡墙结构在不同水流流速下的越浪效果均优于传统海塘挡墙结构，新型反弧式海塘结构具有明显导流、减能的作用。

关键词：新型反弧式海塘挡墙；越浪效果；数值模拟；压强特征；水流流速

中图分类号：TV139.2 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2024）29-0015-06

Abstract： Under the condition of heavy rainfall or extreme storm tide， the traditional vertical and sloping seawall structure fail to effectively prevent the tide from climbing rapidly， resulting in certain safety risks to shoreline buildings and people. In this paper， different water level heights are set by numerical simulation to study the influence of different impact flow velocity on the wave-crossing effect of the new anti-arc seawall structure， in order to evaluate the wave-crossing effect of the new seawall. The results show that the wave surging effect of the new anti-arc seawall structure is better than that of the traditional seawall structure under different flow velocity， and the new anti-arc seawall structure has obvious effect of diversion and energy reduction.

Keywords： new anti-arc seawall; wave surging effect; numerical simulation; pressure characteristics; flow velocity

海塘是防御风暴潮（洪水）和波浪对保护区的危害而修筑的堤防工程。目前我国已建成海堤总长度约14 500万km，超过全国大陆岸线总长度的80%，修建海塘能有效提高沿海城市的防灾减灾能力。在台风期间，风暴潮导致水面上升，使得传统海塘堤顶高度减小，转变为低顶结构，无法有效阻止越浪[1]。传统的海塘护面结构多为直立式或斜坡式，护面结构光滑，很难在强潮涌或强浪冲击等复杂环境中保持结构稳定，据数据统计显示，近年来已有100多人因潮水失去生命[2]，但同时由于潮涌具有潮流强劲、潮线独特等特点，又为旅游经济发展带来巨大效益[3]。因此，结合国内潮涌特点及海塘挡墙结构安全需求，研发新型海塘护面结构形式，对经济发展，人民生命安全具有重要意义。

基于海塘结构性能重要性，众多学者针对新型海塘护坡结构性能的研发开展了广泛的研究，郭科等[4]和谢世楞[5]通过模型试验和实际工程设计，研究了半圆形海塘挡墙结构特性以及物理参数对其消浪特性的影响；李健等[6]通过物理模型动床试验观察新型生态护坡结构防护效果；匡义等[7]基于Flow-3D对新型生态护坡进行了模型模拟研究；王远明等[8]通过室内大型水槽试验研究了石笼网垫护坡结构的抗冲刷性能。尽管大多数学者对新型护坡结构的研发研究都考虑了生态要求[9-10]，但是较少同时考虑观潮、经济和安全的需求对新型护面结构进行研究。本文基于浙江省海塘安澜实际工程，对新型反弧式海塘挡墙结构开展数值模拟研究，并对护面压强分布特征进行分析，以期为海塘挡墙工程应用提供新思考。

1 工程应用背景及数值模型

1.1 工程背景

本文基于浙江省海塘安澜某标段提标加固工程，工程包括原有海塘加固、新式海塘建设等。新建海塘结构形式为反弧式，如图1所示。新型反弧式海塘护面结构在传统斜坡式海塘结构基础上，将原直线型护面改成反弧式曲面，其中迎潮面坡度比为1∶0.35，背潮面为半径0.2 m的反弧曲面，新型反弧式护面结构如图1（b）所示。

1.2 数值模拟基本方程

数值模型建立前首先要确定其控制方程，三维水动力模型是水体流动的完整过程，紊流模型采用k-ε模型，连续方程如式（1）所示，水动力方程如式（2）—（4）所示。

式中：u、v、w分别为x、y、z方向流速；vh、vt分别为水平方向和垂向紊动黏性系数；ρ为密度；p为压强；fx、fy、fz分别为x、y、z方向的体积力分量；k为紊动动能；ε为紊动动能耗散率。

图2为新型反弧式海塘挡墙结构模型示意图。新型反弧式海堤护面结构工作时，迎潮面反弧曲面结构可以引导波浪改变运动方向，一方面可以有效消减水流冲击力，起到一定消浪作用；另一方面使水流由向上向外流动变为向上向内流动，冲击波浪由反弧曲面向上抛回河流中。这样既能减少波浪越浪量，防止潮水对观潮者造成生命财产损失，同时又增强了潮水观赏性。

1.3 FLOW-3D可靠性验证

FLOW-3D可靠性验证使用Rajaratnam和Chamani（1995）试验数据，如图3所示，结构块高0.62 m，长0.7 m，结构块上来流0.24 m，渠道长2.0 m，对比分析下游水流特性。

水流密度1 000 kg/m3，不可压缩，自由表面，网格尺寸0.02 m，紊流模型采用k-ε模型，模拟结果如图4所示。

能量计算断面及能量计算断面如图5所示。

通过表1可知，绝对平均相对误差6.7%，说明FLOW-3D计算结果可靠。

2 海塘护面结构越浪效果数值模拟

使用Flow-3D软件[11-12]按工程实际尺寸对新型反弧式海塘挡墙的越浪效果进行建模分析，构建的海塘挡墙结构数值计算模型长3.26 m，宽6.2 m，高3.2 m，计算区域尺寸为长22 m，宽6.2 m，高8.5 m，设定y方向为水流流动方向，z=0 m是水槽地面。为保证计算准确性，将数值水槽划分为5个部分，海塘挡墙结构模拟部分采用边长为0.3 m的细密网格划分，计算时间为8 s，计算步长为1e-07 s。

根据数值模拟情况，通过控制上游水位高度，产生不同冲击浪流速对新型海塘挡墙结构越浪效果进行模拟研究。选取6、7、8 m为3个上游数值水槽水位高度下泄产生的冲击浪模拟海塘挡墙在低流速、中流速、高流速状态下的消浪效果，流量监测设置在挡墙顶部中间位置，并与传统斜坡式挡墙在相同模型尺度及相同模拟设置下进行对比研究。

2.1 低流速下不同海塘挡墙结构越浪效果对比

通过设置水槽数值为6 m的上游水位产生1.555 m/s的较低流速冲击水流，冲击水流在海塘挡墙上的水流形态及湍流动能如图6所示。其中，图6（a）为新型海塘挡墙结构的水流冲击形态，可以看出由于反弧式护面将水流冲击方向改变，使得水流抛回，经海堤断面流量监测在较低流速情况下反弧式海塘越浪量为0。从图6（b）可以看出，传统海塘挡墙结构的低流速水流冲击时的水流形态，传统直线形挡墙在面对上游来水时未能有效遏制水流的快速爬升，导致冲击波浪在堤顶溢出，通过在堤顶位置设置的监测断面测量得到的越浪量为89.23 m3。与传统直线型海塘挡墙相比之下，在低速水流条件下，采用新型反弧式海塘挡墙结构形式的防浪效果明显优于传统直线型海塘挡墙结构。

2.2 中等流速下不同海塘挡墙结构越浪效果对比

通过设置水槽数值为7 m的上游水位产生2.534 m/s的中等流速的冲击水流，其冲击水流在海塘挡墙上瞬时水流形态特征如图7所示。从图7（a）中可以看出，在中等流速水流冲击下，反弧式海塘挡墙结构由于曲面将大部分水流引回来水方向，经过挡墙顶点断面水流通量监测，新型反弧式海塘挡墙堤顶出现少量越浪，越浪量为21.34 m3。从图7（b）中可以看出，在中等流速状态下，传统海塘挡墙波浪爬高以及越浪量进一步增加，断面流量监测得到传统海塘挡墙越浪量为281.34 m3。对比两者消浪效果，在中等流速状态下，新型反弧式挡墙结构的防浪效果相对于传统海塘挡墙结构进一步增强，新型反弧式海塘挡墙结构在中等流速状态由于越浪量较小，因此游客可以在保证安全的情况下观赏到更宏伟的潮涌波浪。

2.3 高流速下不同海塘挡墙结构越浪效果对比

通过设置水槽数值为8 m的上游水位产生3.906 m/s的较高流速的冲击水流，其冲击水流在海塘挡墙结构的瞬时水流形态特征如图8所示。从图8（a）中可以看出，当冲击水流较高时，新型反弧式海塘挡墙结构能够有效将水流流向改变，将部分冲击水流抛回，但是由于流速较高，此时堤顶会出现部分越浪，通过断面流量监测越浪量为98.56 m3。从图8（b）中可以看出，在较高冲击水流作用下，传统海塘挡墙上出现较大越浪，通过断面流量监测越浪量为1 102.74 m3，此时极易出现漫堤甚至溃堤，安全风险较高。在较高水流冲击下传统海塘挡墙与新型反弧式海塘挡墙越浪效果相比，可以看出新型反弧式海塘越浪效果明显，新型反弧式海塘挡墙在高流速水流冲击下由于越浪量不高，只需要设置好安全观景距离，即可在保证安全的情况下观潮，而传统海塘此时风险程度较高，需要做好相应应急措施。

不同海塘结构的越浪量汇总见表2。通过比较冲击水流在低、中、高流速时不同挡墙结构的水流形态可以看出，与传统海塘挡墙结构相比，新型反弧式海塘挡墙由于其弧面结构通过引导涌浪返回来水方向，有效减小越浪量，达到更高的防浪效果，而且冲击水流流速越大，新型反弧式海塘结构的防浪效果越显著。

3 海塘挡墙结构压强分布特征

3.1 水平方向压强分布特征及水流特征

高速水流冲击状态下传统海塘挡墙结构和新型海塘挡墙结构在z=2.6 m高度处x-y断面典型压强分布如图9所示，从图中可以看出在高流速冲击下，无论是传统海塘挡墙还是新型海塘挡墙具有较强的压强分布。从图9（a）中可以看出，在高流速水流冲击下，新型海塘挡墙结构水流特征由于反弧型挡墙护面将水流有效导回，与传统海塘挡墙相比，弧形护面内压强显著增加，起到了消减水流能量的作用。从图9（b）中可以看出，高流速水流冲击下，传统海塘挡墙上压强分布较为均匀，无法有效消减护面上的水流能量。同时由于传统海塘挡墙结构坡面光滑平整，无法有效将冲击水流导回，水流特征也无明显变化。

3.2 垂直方向压强分布特征

通过选择研究高水流冲击状态下传统海塘和新型海塘护面结构在y-z断面上的压强分布，来分析新型海塘挡墙结构垂直方向上的压强分布特征。如图10所示，为进一步了解不同冲击水流流速对海塘挡墙的影响，选取海塘护面堤脚、海塘护面中间以及海塘堤顶处为垂直压强监测点，冲击浪流速为低（1.555 m/s）、中（2.534 m/s）、高流速（3.906 m/s）在海塘挡墙不同位置的压强见表3。

由图10与表3综合可知，位置1（海塘护面堤脚），在高流速水流冲击条件下，传统与新型反弧式曲面的海塘护面结构受到的水流冲刷强度相近。在中、低流速水流冲击条件下，传统海塘护面结构在海塘堤脚处压强略高于新型海塘护面结构。位置2（海塘护面中部），在中、低水流流速冲击作用下，新型反弧式海塘护面结构受压压强明显高于传统海塘护面结构，这是由于新型反弧式海塘的曲弧结构引起冲击水流方向改变，从而导致涌浪在护面上相互碰撞，导致对新型海塘结构护面产生更大的作用力。在高流速水流冲击条件时，新型反弧式海塘护面结构所受压强反而明显小于传统海塘护面，这是因为水流流速较快，新型海塘护面结构由于其反弧曲面结构快速将冲击水流导回来水方向，减小了冲击水流对护面的冲击强度，而传统海塘由于护面结构光滑导致在高流速水流冲击下无法削减水流冲击强度。位置3（海塘堤顶），在高、中、低流速水流冲击条件下，新型海塘护面结构所受的压强均小于传统海塘护面结构，说明其弧面及上部垂直结构能够有效引导、改变冲击水流流向，起到较为明显的导流、减压作用，同时水流流速越高，新型反弧式海塘护面消能效果越明显。

4 结论

本文基于浙江省海塘安澜工程，对新型海塘护面结构进行数值模拟。按实际工程海塘结构比例构建数值模型，通过设置不同上游蓄水水位，制造低、中及高流水水流冲击海塘模型，与传统海塘结构护面对比分析二者消浪效果以及冲击水流对海塘护面结构的压强分布特征，得到以下结论：低、中、高水流流速冲击下海塘挡墙数值模拟消浪效果对比表明新型反弧式海塘具有更明显的消浪效果；较高水流流速冲击下海塘护面结构水平压强分布特征对比分析表明，新型反弧式海塘护面结构具有明显改变水流流向，削减水流冲击强度的优势；低、中、高水流流速冲击下的海塘护面结构垂直压强分布特征对比分析表明，中、低流速下，新型反弧式海塘护面结构中部所受压强高于传统海塘护面结构中部，高流速水流冲击时，新型反弧式海塘结构具有明显导流、减能作用。模拟成果初步验证了新型反弧式海塘结构的可行性和优势，后期还需进行水力试验、结构优化等方面研究。

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