澳大利亚格里菲斯大学郑东生团队——关于规则和不规则波浪荷载作用下水下防波堤周围瞬态海床响应的无网格模型 | MDPI JMSE

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近日，澳大利亚格里菲斯大学郑东生 (Dong-Sheng JENG) 教授及其研究团队在Journal of Marine Science and Engineering期刊上发表了名为“Meshless Model for Wave-Induced Oscillatory Seabed Response around a Submerged Breakwater Due to Regular and Irregular Wave Loading” 的论文，对有关水下防波堤方向的研究进行探讨。

研究背景

岸线保护是海岸管理领域的一个重要课题。近年来，水下防波堤由于能部分消除波浪能量和水波对海岸线的影响，成为沿海地区常用的一种防波堤结构形式。对于防波堤的设计而言，波浪、风暴潮、风场、海流和潮汐之间可能存在的相互作用会产生显著的非线性效应。这一复杂问题在过去已有研究 [1–5]。此外，环境荷载对防波堤周围基础可能造成的破坏是结构设计中必须考虑的关键因素之一。除侵蚀、冲刷和施工不足外，波浪引起的防波堤附近海床液化也被认为是导致地基破坏的原因之一 [6,7]。因此，本文着重模拟了多种波浪作用下防波堤周围的土壤响应。

研究方法

与以往研究不同的是，本文采用无网格方法LRBFCM (Local Radial Basis Function Collocation Method) ，建立了一个无网格模型来研究水下防波堤的周围土壤动力响应。无网格方法由于不需要网格，可直接在节点集上构造插值基函数，在处理大变形、高阶连续插值、自适应求解问题上具有优势，因此被用于各种科学和工程问题。本文同时考虑了规则和不规则的波浪载荷作用，并对规则波和非规则波的实验数据和理论模型进行了验证。

研究结果

如图1，对比结果证实了本文模型在模拟波浪作用下海床响应时的准确度。参数研究表明，波浪诱发的液化深度随波周期和波高的增加而增加。在低饱和度和土壤渗透性的情况下，海床更容易液化。数值算例表明，波浪和海床特性对不规则波浪引起的土体响应的影响也有类似的趋势。

(a)

(b)

(c)

(d)

图1. (a)不同波浪周期下的防波堤周围的液化趋势; (b) 不同波高下的防波堤周围的液化趋势; (c) 不同渗透率下的防波堤周围的液化趋势; (d) 不同饱和率下的防波堤周围的液化趋势。

随机波浪荷载作用下的孔隙水压力、有效正应力、剪应力等数值结果如图2所示。实线和虚线分别表示随机波浪载荷作用下和相对应的代表线性波加载下的土壤响应。图中两种波作用下的土壤响应分布趋势相同，竖向有效法向应力随土层深度的增加先增大后减小。但由于随机波的特性，从整体上看，随机波驱动的最大土体响应大于对应的具有代表性的规则波荷载下的土体响应。可以看出，水平有效正应力和剪应力随着土体深度的增加而增大、减小，然后增大，这是由于考虑海床厚度有限和海床底部不透水造成的。

图2. 不规则波与相对应的代表规则波作用下的最大土壤响应。(a) 波压; (b) 水平有效应力; (c) 竖直有效应力; (d) 剪力。

本文首次尝试将无网格方法 (LRBFCM) 应用在波浪作用下的防波堤周围的海床响应问题上。此模型考虑了规则和不规则波浪荷载，将该模型与以前的常规波浪载荷小规模试验数据进行了比较，并与不规则波浪载荷的半解析结果比较。尽管相较于以前的研究模型趋势相似，但也可以观察到他们之间所存在的差异。

通过对规则波浪荷载作用下的土体应力的数值分析，从而得出土壤液化深度会随波浪周期和波浪高度的增加而增加的结论，以及在低饱和和低渗透率的情况下，海床更容易液化。波浪和海床特性对不规则波浪荷载引起的海床响应规律与规则波作用下的趋势相似，不过参数分析显示，各参数对非规则波浪荷载的影响更为显著。在未来的研究中，本模型可以从二维扩展到三维，并应用到残余土壤响应的分析中。

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Jeng, D.-S.; Wang, X.; Tsai, C.-C. Meshless Model for Wave-Induced Oscillatory Seabed Response around a Submerged Breakwater Due to Regular and Irregular Wave Loading. J. Mar. Sci. Eng. 2021, 9, 15.

参考文献

1. Mel, R.; Lionello, P. Storm Surge Ensemble Prediction for the City of Venice. Weather Forecast. 2014, 29, 1044–1057.

2. Heaps, N.S. Storm surges 1967–1982. Geophys. J. Int. 1983, 74, 331–376.

3. Vousdoukas, M.I.; Almeida, L.P.; Ferreira, O. Beach erosion and recovery during consecutive storms at a steep-sloping, meso-tidal beach. Earth Surf. Process. Landf. 2012, 37, 583–593.

4. Vousdouka, M.I. Observations of wave run-up and groundwater seepage line motions on a reflective-tointermediate, meso-tidal beach. Mar. Geol. 2014, 350, 52–70.

5. Ji, T.; Li, G. Contemporary monitoring of storm surge activity. Prog. Phys. Geogr. Earth Environ. 2019, 44, 299–314.

6. Sumer, B.M. Liquefaction around Mainre Structures; World Scientific: Singapore, 2014.

7. Jeng, D.S. Mechanics of Wave-Seabed-Structure Interactions: Modelling, Processes and Applications; Cambridge University Press: Cambridge, UK, 2018.

期刊简介

Journal of Marine Science and Engineering (JMSE, ISSN 2077-1312; IF 2.033)是一个与海洋科学相关的国际型开放获取期刊。期刊范围涵盖海洋科学所有领域，包括海洋工程、沿海工程、物理海洋学、海洋生物、海洋化学、海洋地质等各方面的广泛应用。JMSE采取单盲同行评审，平均处理周期约为33天，文章从接收到发表仅需3.5天。期刊已被Science Citation Index Expanded (Web of Science), Scopus (CiteScore: 1.8), Inspec (IET) 等数据库收录。

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版权声明：

*本文内容由原文作者王笑笑博士和MDPI中国办公室编辑共同翻译编写，一切以英文原文为准。如需转载，请邮件联系：[e-mail]

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