格栅笼在海岸波浪侵蚀防护中的应用_王丽艳.pdf

DOI:10.12170/20211230004王丽艳，李广祥，张斌，等.格栅笼在海岸波浪侵蚀防护中的应用 J.水利水运工程学报，2023（2）：16-23.（WANG Liyan,LIGuangxiang,ZHANG Bin,et al.Analysis of the effect of geogrid cages in protecting coastal soils from wave erosionJ.Hydro-Science and Engineering,2023（2）:16-23.（in Chinese）格栅笼在海岸波浪侵蚀防护中的应用王丽艳1,2，李广祥1，张 斌3，竺明星1，李小娟1，唐 琰1(1.江苏科技大学 土木工程与建筑学院，江苏 镇江 212003；2.河北省地震灾害防御与风险评价重点实验室，河北 三河 065201；3.江苏省水利勘测设计研究院有限公司，江苏 扬州 225127)摘要:鉴于现有海岸侵蚀防护设施存在造价高、维护成本高、施工难度大、施工工期长、自重大和防护范围有限等问题，提出采用价格低廉、施工方便、自重小、耐腐蚀性强和维护成本低的格栅笼防护海岸侵蚀。格栅笼形状会影响防护海岸侵蚀的效果，针对方形截面、圆形截面和波浪形截面等 3 种形状格栅笼，基于显式动力学数值分析方法，采用推板造波的方式模拟波浪荷载和 SPH 光滑粒子的流体动力学方法模拟水体。采用全局属性指派的通用接触模拟水体与格栅笼之间及水体与土体之间的接触，使用罚函数确定格栅笼与海岸土体间的切向接触力，分析波浪荷载下有、无格栅笼及 3 种形状下的格栅笼及海岸土体的受力与位移随波浪时程的变化特征和峰值特征。结果表明：格栅笼整体受力最大的区域在海平面附近，使用格栅笼可以降低波浪对垂直崖面作用中底部涡流的影响，其中波浪形格栅笼防护海岸侵蚀效果显著。关键词：海岸；波浪荷载；格栅笼；侵蚀防护；光滑粒子流体动力学中图分类号：TV139.2 文献标志码：A 文章编号：1009-640X(2023)02-0016-08 海岸侵蚀的日益加剧已给沿岸人民的生产和生活带来严重影响，造成道路中断、沿岸村镇和工厂坍塌、海水浴场环境恶化等。岩质海崖当海蚀槽发育到较大深度时才会出现滑塌，而粉砂淤泥质海岸和砂砾海岸在某些岸段遭到侵蚀而后退的现象更为严重，而且这部分海岸的侵蚀后退使我国受到的损失也最大1。Lim 等2利用地面摄影测量和激光扫描对接近垂直的海崖变化过程进行了量化以研究其侵蚀过程；Gnaydn 等3在实验室水槽中进行了规则波和不规则波作用下海岸侵蚀的试验研究。现有的防护海岸侵蚀技术如海堤、护岸、丁坝和离岸堤等，存在造价高、维护成本高、施工难度大、施工工期长、自重大和防护海岸侵蚀范围有限等问题。童朝锋等4分析了防波堤工程建设前后海南岛八所新港及附近沿岸输沙率特征；陈雅望等5分析了近 40 年来的海底冲淤和相应的沉积物粒度变化特征，结果表明在来沙量持续减少的背景下，未来长江口区域可能遭受更加严重的侵蚀危害。因此，研究造价低且施工方便的海岸侵蚀防护方法具有重要意义。土工格栅是一种土工合成材料，广泛应用于岩土工程中，如加筋路堤6、加筋挡墙7、加筋边坡8等。基于土工格栅较高的强度和良好的水土交互性，本文提出采用价格低廉、施工方便、耐腐蚀性强、维护成本低的格栅笼进行海岸侵蚀防护。格栅笼的形状会影响防护效果，本文针对方形、圆形和波浪形 3 种截面形状格栅笼，通过 ABAQUS 数值模拟，分析对比有无格栅笼及 3 种截面形状的格栅笼对海岸侵蚀的防护效果。收稿日期：2021-12-30基金项目：国家自然科学基金面上项目（52278355）；河北省地震灾害防御与风险评价重点实验室开放基金资助项目（FZ223103）；江苏省自然科学基金面上项目（BK20201454）；河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室开放基金项目（2020013）作者简介：王丽艳（1980），女，江苏建湖人，教授，博士，主要从事海洋岩土与地震工程研究。E-mail：wly_ 第 2 期水利水运工程学报No.22023 年 4 月HYDRO-SCIENCE AND ENGINEERINGApr.2023 1 计算模型多数受侵蚀海岸边壁近似垂直，因此，基本模型采用海岸边土体和海底土体组成垂直形状的海岸线。计算采用三维模型，模拟尺寸见图 1。模型整体网格划分（以波浪形格栅笼为例）如图 2 所示。3 种形状的格栅笼截面如图 3 所示。方形格栅笼由多个完全相同的矩形合并而成，利用 python 脚本中的网格卷曲方法建立圆形格栅笼模型和波浪形格栅笼模型，海岸边土体、海底土体和水体均采用八节点线性六面体单元 C3D8R，土工格栅和土工布采用四结点曲面壳单元 S4R。土体节点总数为 1 584 个，单元总数为 1 050 个，水体单元总数为 2 400 个。方形格栅笼的节点总数为 101 928 个，单元总数为102 500 个；圆形截面格栅笼的节点总数为 104 805个，单元总数为 104 550 个；波浪形格栅笼的节点总数为 112 614 个，单元总数为 112 340 个。在素土状态下，仅施加重力荷载，计算土体初始地应力，保留结果文件，在显式动力计算中通过预定义场导入初始地应力。在格栅笼防护海岸侵蚀稳定性的数值分析中，土工格栅单元和土工布单元的基础本构模型采用Elastic 模型，海岸边土体和海底土体采用易于测定参数的 Mohr-Coulomb 本构模型，水体采用 SPH 方法（光滑粒子流体动力学方法）模拟。模型中水的密度为 1 000 kg/m3，动力黏度为 0.001 Pas，海岸边土体采用砂性土和黏性土的混合体，根据工程地质手册确定土体密度、弹性模量 E、泊松比、黏聚力 c 和内摩擦角，格栅笼和土体材料参数如表 1 所示。对于海岸边土体和海底土体，由于模型深度已经考虑边界的影响，近似认为荷载对底部不产生位移，故约束模型底部 z 方向的位移，模型侧边界约束其对应面的法向位移（如 xz 面约束 y 向位移）。由于本模型中的接触类型相对较少，主要为水体-格栅笼之间的接触及水体-土体之间的接触，故采用全局属性指派的通用接触，面与面之间的法向力学性质定义为硬接触，切向力学性质定义为无摩擦，而由于格栅笼与海岸边土体之间存在切向摩擦，故单独定义格栅笼与海岸边土体之间的接触模型使用罚函数来确定表面之间的切向力学性质，取摩擦系数为 0.4。考虑到本模型涉及大量波浪传播的问题，而显式中心差分法更适合研究波的传播，因此本模型采用显式动力学（Explicit）分析。15.0010.0010.0010.0012.002.002.001.15海岸边土体海底土体造波板海水格栅笼 图 1 计算模型示意（以波浪形格栅笼为例）（单位：m）Fig.1 Calculation model size diagram(take the wavy geogridcage as an example)(unit:m)图 2 模型网格划分（以波浪形格栅笼为例）Fig.2 Model meshing diagram(take the wavy geogrid cage asan example)2.25 m0.75 m0.75 m0.75 m0.75 m(a)方形截面(b)圆形截面0.80 m0.80 m0.80 m(c)波浪形截面r=0.2 m,=270r=0.2 m,=120r=0.2 m,=120R=0.7 m,=150r=0.2 m,=2702.38 m 图 3 3 种形状的格栅笼截面示意Fig.3 Schematic diagram of the cross-sections of the threeshapes of geogrid cages 第 2 期王丽艳，等：格栅笼在海岸波浪侵蚀防护中的应用17本模型的造波方法为推板造波9，定义一块刚性的板在水体最边缘，约束刚性板沿着 y 轴的位移 s=Acost+A，速度 =Asint，其中 A 为推板运动的幅值，为推板运动的频率，t 为分析步时间，并限制刚性板其他方向的自由度为 0。改变推板运动的幅值A 及频率 来改变波浪强度，对比有无格栅笼情况下土体单元和节点所受的应力及位移，从而研究格栅笼防护海岸侵蚀的稳定性。本文将研究总时程为10 s、推板运动幅值 A=0.6 m、频率=2 的条件下的格栅笼防护海岸侵蚀的稳定性。为便于显示波面状态，选取近岸格栅处的波面绘制竖向位移，如图 4 所示。2 研究内容格栅笼防护海岸侵蚀稳定性的研究包括：海岸顶部、中上部、中下部和底部共 4 个关键点的位移，以及 4 个关键单元的应力在 3 种不同形状格栅笼防护下与初始状态下的位移及应力对比，海岸边土体和格栅笼关键点和关键单元见图 5。格栅笼由土工格栅和土工布组成，土工布上点的位移在波浪作用下波动较大，并不能很好地反映整个格栅笼的变形，且土工布单元承受的应力大小相对土工格栅单元而言可以忽略不计，因此格栅笼的 4 个关键点和关键单元全部在土工格栅单元上选取。3 防护效果分析 3.13.1海岸土体位移反应特征在幅值 A=0.6 m，频率=2，总时程为 10 s 的推板造波作用下，4 个关键点在有无格栅笼防护情况下的y 向位移如图 6 所示。由图 6 可见：持续波浪作用下海岸土体表现出明显的位移波动。波峰时土体均产生了较大位移，波谷处的位移较小。方形格栅笼在波浪作用下反而增加了大部分土体的 y 向位移，特别是中间部分，在 3.2 s处波峰时最大位移达到了 78 mm，相比于无防护的土体位移增加了 34 mm，这是由于方形格栅笼与海岸边土体贴合较为充分，会将波浪作用导致的土体位移分散到方形格栅笼与土体的接触面上。圆形格栅笼防护的岸边土体位移也在波峰处达到最大，相比无防护时减少了 0.41.3 mm，整体减少 5%20%。波浪形格 表 1 土体和格栅笼材料参数Tab.1 Material parameters of soils and geogrid cage材料类型密度/(kgm3)厚度/m弹性模量/MPa泊松比黏聚力/kPa摩擦角/海底土层1 96010200.39.315.3岸边土体2 00020800.328.035.0土工布1 1000.0061 0000.4钢塑土工格栅7 8000.006210 0000.3 0123456789100.40.200.20.40.60.81.0近岸波面竖向位移/m时间/s 图 4 近岸波面竖向位移Fig.4 Vertical displacement of nearshore wave surface 关键点 1关键单元 1关键点 2关键单元 2关键点 3关键单元 3关键点 4关键单元 4ZYX 图 5 分析的关键点和关键单元示意Fig.5 Schematic diagram of key points and key elements ofcoastal soil 18水 利 水 运 工 程 学 报2023 年 4 月栅笼减小位移的效果更优于圆形格栅笼，相比无防护的土体减少 1.64.3 mm，整体减少 15%45%。由于这两种格栅笼都是拱形结构，可以将水平方向的波浪力向四周分散，波浪形格栅笼效果更好是因为增大了拱形结构的中间部分，提供了更多缓冲距离。相比于由多个单独圆形连接的格栅笼，波浪形格栅笼的连续拱形结构可以使水平向的波浪力分散更均匀。对于本文所研究的软质海崖，波浪和潮流垂直作用于崖面时，会在底部形成涡流而导致海蚀槽的产生，而海蚀槽的发育代表着海崖蚀退的开始，海蚀槽会使上部土体失去支撑而发生滑塌，因此土体底部的保护显得尤为重要。3.23.2海岸土体受力反应特征在有无格栅笼防护的情况下，4 个关键单元在波浪作用下的应力对比如图 7 所示。(a)关键点 1(b)关键点 2(c)关键点 3(d)关键点40123456789108642024y 向位移/mm时间/s无格栅笼圆形格栅笼方形格栅笼波浪形格栅笼无格栅笼圆形格栅笼方形格栅笼波浪形格栅笼无格栅笼圆形格栅笼