CN103542999A - 核电站防浪堤抗波浪冲击性能数值检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种核电站防浪堤抗波浪冲击性能数值检测方法，其包括以下步骤：根据工程防浪堤断面几何参数、轴向空间几何参数，提供防浪堤三维重构几何信息；根据工程防浪堤所用护面结构、堤身结构工程材料，提供防浪堤材料性能信息；根据防浪堤前历年水文记录信息，提供防浪堤抗波浪冲击性能检测的环境信息；利用材料性能参数及防浪堤的几何设计参数建立三维局部防浪堤模型；利用材料性能参数、三维空间几何参数以及步骤三中拟定的计算参数建立三维总体防浪堤模型，分析防浪堤沿水平方向上的表面波压力、结构冲击应力响应分布情况。本发明解决了沿海防浪堤的局部与总体性能检测问题，有效提高了设计效率，减少了试验的随机性与资金的投入。
Description
技术领域
本发明涉及一种海岸工程技术领域的检测方法，特别是涉及一种核电站防浪堤抗波浪冲击性能数值检测方法。
背景技术
防浪堤在沿海核电站、港口等重要设施中有广泛应用，其结构设计研究主要通过波浪模型试验加以完成，在结构的设计试验过程中，发现防浪堤护面结构经常发生倾覆失稳、破损等情况。因此，迫切需要一套针对沿海防浪堤抗波浪冲击性能检测方法，能够指导防浪堤结构设计，同时能够减少试验费用。
经对现有技术的检索发现，国内外对防浪堤简化模型试验，以及在其基础上的数值算法研究较多，很少涉及实际工程防浪堤抗波浪冲击设计。其中，美国乔治·梅森大学的Chi Yang教授等人在《Journal of Hydrodynamics》（水动力学研究与进展）发表了“On the simulation of highly nonlinearwave-breakwater interactions”（高度非线性波与防浪堤相互作用的模拟）文章，该文通过基于流固耦合的数值模型预测了不同护面结构对防浪堤消波和控制越浪性能，证实了这种数值模拟有效的预测了波浪与防浪堤耦合作用情况。然而这些防浪堤抗波浪冲击性能检测方法还存在以下几点不足：一、针对沿海防浪堤抗波浪冲击性能的检测缺少；二、试验对防浪堤局部断面或局部关键区域进行测试；三、不能对空间结构复杂的工程防浪堤进行预演测试；四、此外，该类型的试验费用相当高。在进一步的检索中，尚未发现与本发明主题相同或者类似的文献报道。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种核电站防浪堤抗波浪冲击性能数值检测方法，其解决了沿海防浪堤的局部与总体性能检测问题，有效提高了设计效率，减少了试验的随机性与资金的投入。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种核电站防浪堤抗波浪冲击性能数值检测方法，其特征在于，其包括以下步骤：
步骤一，根据工程防浪堤断面几何参数、轴向空间几何参数，提供防浪堤三维重构几何信息；
步骤二，根据工程防浪堤所用护面结构、堤身结构工程材料，提供防浪堤材料性能信息；
步骤三，根据防浪堤前历年水文记录信息，提供防浪堤抗波浪冲击性能检测的环境信息；
步骤四，利用材料性能参数及防浪堤的几何设计参数建立三维局部防浪堤模型，通过建立的三维防浪堤模型，采用罚函数的方式实现流固耦合，并采用波浪试验的数值再现进行防浪堤波浪冲击的安全性检测，分析防浪堤沿高程方向上的表面波压力、结构冲击应力分布情况，并为总体防浪堤抗波浪冲击性能的检测提供模拟计算参数信息；
步骤五，利用材料性能参数、三维空间几何参数以及步骤三中拟定的计算参数建立三维总体防浪堤模型，通过总体模型进行波浪冲击行为检测，分析防浪堤沿水平方向上的表面波压力、结构冲击应力响应分布情况。
优选地，所述工程防浪堤断面几何参数包括以下参数：前、后挡浪墙高程；堤顶高程；堤顶宽度；防浪堤坡度、各护面结构断面尺寸；轴向空间几何参数是指防浪堤轴向延伸空间曲线参数。
优选地，所述工程防浪堤所用护面结构、堤身结构工程是指防浪堤表面防护层与防浪堤内部堆砌层，包括挡浪墙、四角空心块、预制板、干砌块石、硂预制块、碎石。
优选地，所述防浪堤前历年水文记录信息是指防浪堤前波浪和潮位资料，包括规则波波高、波长、波周期、水深；孤立波波高以及非规则波波谱能量尺度参数、谱峰升高因子、谱峰频率、有效波高。
优选地，所述罚函数的方式实现流固耦合，是指为保证流固耦合中能量守恒所采用的一种耦合方式，流体与结构相互接触时，一般将流体作为主面，结构作为从面，计算时先检查从节点是否穿透主面，如果穿透，则在从节点与主面间、主节点与从面间引入一个较大的界面接触力，大小与穿透深度、接触刚度成正比，相当于在主、从面间放置一系列法向弹簧，限制穿透。
优选地，所述三维局部防浪堤模型是与波浪试验模型一致的重构模型，防浪堤模型中护面及堤身各组件通过接触实现动态连接，边界条件保证与试验一致，同时施加试验水文工况，对数值计算参数以及沿防浪堤高程方向上的波压力、结构应力进行检测。
优选地，所述三维总体防浪堤模型进行波浪冲击性能检测，是指对通过材料性能参数、三维空间几何参数以及计算参数建立三维实际工程防浪堤模型，其中防浪堤护面结构及堤身结构各组件采用接触处理，边界条件与实际相符，同时施加实际工况，对工程防浪堤抗波浪冲击性能进行检测，包括沿防浪堤轴向波压力和结构应力分布情况。
本发明的积极进步效果在于：本发明具有可操作性强、方便、简单等特点，能够较准确的对沿海防浪堤抗波浪冲击性能进行局部与总体的测试，通过局部模型再现波浪试验，使得数值检测与以往的试验检测在定性和定量上有直接对比，保证了计算参数的准确性，利用罚函数方式实现的流固耦合具有保证能量守恒的优点，使得防浪堤抗波浪冲击性能在局部和总体检测的结果更加可信。本发明可以应用在设计过程的多个阶段。在设计前，根据目前水文条件、材料参数、几何参数进行预演，以便为设计人员提供更全面、更准确的设计参数；在设计后，对于防浪堤堤身有沉降、堤前水文条件发生变化的已建防浪堤，可以对防浪堤重新进行性能评估。
附图说明
图1为本发明中局部防浪堤-波浪耦合模型的侧视图。
图2为本发明中罚函数方式开始耦合的示意图。
图3为本发明中罚函数方式耦合后的示意图。
具体实施方式
下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。
本发明核电站防浪堤抗波浪冲击性能数值检测方法包括以下步骤：
步骤一，根据工程防浪堤断面几何参数、轴向空间几何参数，提供防浪堤三维重构几何信息；工程防浪堤断面几何参数包括以下参数：前、后挡浪墙高程；堤顶高程；堤顶宽度；防浪堤坡度、各护面结构断面尺寸；轴向空间几何参数是指防浪堤轴向延伸空间曲线参数。
步骤二，根据工程防浪堤所用护面结构、堤身结构工程材料，提供防浪堤材料性能信息；工程防浪堤所用护面结构、堤身结构工程是指防浪堤表面防护层与防浪堤内部堆砌层，包括挡浪墙、四角空心块、预制板、干砌块石、硂预制块、碎石。
步骤三，根据防浪堤前历年水文记录信息，提供防浪堤抗波浪冲击性能检测的环境信息；所述防浪堤前历年水文记录信息是指防浪堤前波浪和潮位资料，包括规则波波高、波长、波周期、水深；孤立波波高以及非规则波（Jonswap）波谱能量尺度参数、谱峰升高因子、谱峰频率、有效波高。
步骤四，利用材料性能参数及防浪堤的几何设计参数建立三维局部防浪堤模型，通过建立的三维防浪堤模型，采用罚函数的方式实现流固耦合，并采用波浪试验的数值再现进行防浪堤波浪冲击的安全性检测，分析防浪堤沿高程方向上的表面波压力、结构冲击应力分布情况，并为总体防浪堤抗波浪冲击性能的检测提供模拟计算参数信息；罚函数的方式实现流固耦合，是指为保证流固耦合中能量守恒所采用的一种耦合方式，流体与结构相互接触时，一般将流体作为主面，结构作为从面，计算时先检查从节点是否穿透主面，如果穿透，则在从节点与主面间、主节点与从面间引入一个较大的界面接触力，大小与穿透深度、接触刚度成正比，相当于在主、从面间放置一系列法向弹簧，限制穿透。三维局部防浪堤模型是与波浪试验模型一致的重构模型，防浪堤模型中护面及堤身各组件通过接触实现动态连接，边界条件保证与试验一致，同时施加试验水文工况，对数值计算参数以及沿防浪堤高程方向上的波压力、结构应力进行检测。
步骤五，利用材料性能参数、三维空间几何参数以及步骤三中拟定的计算参数建立三维总体防浪堤模型，通过总体模型进行波浪冲击行为检测，分析防浪堤沿水平方向上的表面波压力、结构冲击应力响应分布情况。三维总体防浪堤模型进行波浪冲击性能检测，是指对通过材料性能参数、三维空间几何参数以及计算参数建立三维实际工程防浪堤模型，其中防浪堤护面结构及堤身结构各组件采用接触处理，边界条件与实际相符，同时施加实际工况，对工程防浪堤抗波浪冲击性能进行检测，包括沿防浪堤轴向波压力和结构应力分布情况。
本实施例具体实施步骤如下：
具体例为国内已建的某沿海核电站防浪堤抗波浪冲击性能进行预测，核电站防浪堤是一种针对大风浪冲击及越浪的重要防护设施。堤身采用堆石构成，表面铺设预制混凝土材料的挡浪墙、四脚空心块、干砌块石、硂预制块。
（1）通过防浪堤工程设计图，提取防浪堤断面及轴向几何参数。
（2）按照防浪堤堤身及护面结构使用的材料，提取材料参数。
（3）按照《核电站防浪堤设计基准洪水位专题报告》，提取堤前波浪和潮位参数。
（4）采用罚函数的方式实现流体与结构的耦合，进行防浪堤抗波浪冲击的安全性预测。
根据防浪堤结构几何参数，结构部分采用Lagrangian描述，流体部分采用ALE（ArbitraryLagrange-Eule）描述，通过有限元程序建立局部防浪堤-波浪耦合模型，如图1所示。边界条件与实际相符。
根据波浪理论公式得到数值水槽波浪入射条件，保证数值造波得到的波形与试验造波所得的波形一致。
流体与结构的耦合采用罚函数方式，罚函数方式如图2和图3所示。在求解过程中，先检查结构节点是否穿透流体单元，如果穿透，则在流体节点与结构节点间定义矢量d，该矢量的方向由主、从节点间的相对位置确定，数值大小由穿透深度、接触刚度决定，同时施加与该矢量相反的力矢量实现流体与结构的耦合。
基于局部防浪堤-波浪耦合模型，可得到防浪堤沿高程方向上的表面波压力、结构冲击应力分布情况，并为总体防浪堤抗波浪冲击性能的检测提供模拟计算参数信息。
（5）基于总体防浪堤-波浪耦合模型，可得到防浪堤沿水平方向上表面波压力、结构冲击应力响应分布情况。
根据材料性能参数、三维空间几何参数以及局部模型中拟定的计算参数建立三维总体防浪堤模型，分析防浪堤结构和堤前水文条件对防浪堤抗波浪冲击性能的影响规律。
以上所述步骤实现该类沿海防浪堤抗波浪冲击的数值检测，这种方法为高效率的开发、设计沿海防浪堤结构提供了有力的指导，实现了沿海防浪堤的局部与总体设计。
通过本实施例检测了防浪堤前、后挡浪墙上最大波浪压力分别为5.85Kpa、5.05Kpa，与波浪试验结果误差率为1.2%与3.8%。同时预测防浪堤断面结构应力较大位置于后墙与堤顶连接处，随着防浪堤断面几何参数的变化，防浪堤表面波压力及结构应力发生较大变化，尤其是堤顶宽度的减小，大大增加了波浪冲击下的结构应力响应，防浪堤轴线方向结构应力较大位置于弧段与直段连接处。与现有技术相比，本实施例解决了防浪堤设计过程中抗波浪冲击性能不易测定的问题，且该方法简单、易行，加深沿海防浪堤断面结构布置对其抗波浪冲击性能的影响认识，有效提高设施设计效率，减少了试验的随机性与资金的投入，为更加准确、高效率地优化设计沿海防浪堤提供了有力的理论依据与科学指导。
以上所述的具体实施例，对本发明的解决的技术问题、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种核电站防浪堤抗波浪冲击性能数值检测方法，其特征在于，其包括以下步骤：
步骤一，根据工程防浪堤断面几何参数、轴向空间几何参数，提供防浪堤三维重构几何信息；
步骤二，根据工程防浪堤所用护面结构、堤身结构工程材料，提供防浪堤材料性能信息；
步骤三，根据防浪堤前历年水文记录信息，提供防浪堤抗波浪冲击性能检测的环境信息；
步骤四，利用材料性能参数及防浪堤的几何设计参数建立三维局部防浪堤模型，通过建立的三维防浪堤模型，采用罚函数的方式实现流固耦合，并采用波浪试验的数值再现进行防浪堤波浪冲击的安全性检测，分析防浪堤沿高程方向上的表面波压力、结构冲击应力分布情况，并为总体防浪堤抗波浪冲击性能的检测提供模拟计算参数信息；
步骤五，利用材料性能参数、三维空间几何参数以及步骤三中拟定的计算参数建立三维总体防浪堤模型，通过总体模型进行波浪冲击行为检测，分析防浪堤沿水平方向上的表面波压力、结构冲击应力响应分布情况。
2.如权利要求1所述的核电站防浪堤抗波浪冲击性能数值检测方法，其特征在于，所述工程防浪堤断面几何参数包括以下参数：前、后挡浪墙高程；堤顶高程；堤顶宽度；防浪堤坡度、各护面结构断面尺寸；轴向空间几何参数是指防浪堤轴向延伸空间曲线参数。
3.如权利要求1所述的核电站防浪堤抗波浪冲击性能数值检测方法，其特征在于，所述工程防浪堤所用护面结构、堤身结构工程是指防浪堤表面防护层与防浪堤内部堆砌层，包括挡浪墙、四角空心块、预制板、干砌块石、硂预制块、碎石。
4.如权利要求1所述的核电站防浪堤抗波浪冲击性能数值检测方法，其特征在于，所述防浪堤前历年水文记录信息是指防浪堤前波浪和潮位资料，包括规则波波高、波长、波周期、水深；孤立波波高以及非规则波波谱能量尺度参数、谱峰升高因子、谱峰频率、有效波高。
5.如权利要求1所述的核电站防浪堤抗波浪冲击性能数值检测方法，其特征在于，所述罚函数的方式实现流固耦合，是指为保证流固耦合中能量守恒所采用的一种耦合方式，流体与结构相互接触时，一般将流体作为主面，结构作为从面，计算时先检查从节点是否穿透主面，如果穿透，则在从节点与主面间、主节点与从面间引入一个较大的界面接触力，大小与穿透深度、接触刚度成正比，相当于在主、从面间放置一系列法向弹簧，限制穿透。
6.如权利要求1所述的核电站防浪堤抗波浪冲击性能数值检测方法，其特征在于，所述三维局部防浪堤模型是与波浪试验模型一致的重构模型，防浪堤模型中护面及堤身各组件通过接触实现动态连接，边界条件保证与试验一致，同时施加试验水文工况，对数值计算参数以及沿防浪堤高程方向上的波压力、结构应力进行检测。
7.如权利要求1所述的核电站防浪堤抗波浪冲击性能数值检测方法，其特征在于，所述三维总体防浪堤模型进行波浪冲击性能检测，是指对通过材料性能参数、三维空间几何参数以及计算参数建立三维实际工程防浪堤模型，其中防浪堤护面结构及堤身结构各组件采用接触处理，边界条件与实际相符，同时施加实际工况，对工程防浪堤抗波浪冲击性能进行检测，包括沿防浪堤轴向波压力和结构应力分布情况。
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