[01491513]波流共同作用下海岸演变过程与海工动力响应的创新研究及其应用

波浪和水流是海岸地区最重要的水动力要素,随机波浪与潮流、径流以及波生流等不同类型的水流之间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,是影响港口航道与海岸工程选址、设计、施工及维护的主要因素。然而,目前国内外学术界对多元随机非线性的波流相互作用机制尚不完全清楚,国内外标准规范中复杂动力作用下海工结构物载荷的计算方法有待完善,国内海岸动力地貌演变数值模拟软件为国外商业软件所垄断。 针对这些学科前沿和应用基础难题,本项目通过10余年的深入研究,取得了以下四个方面的创新突破。 1、丰富了随机非线性波流共同作用下海岸水沙运动基础理论。揭示了随机非线性波流边界层动力结构及余流发育机制,阐明了破波带波生流三维空间分布特性及其动力成因,揭示了不同季节波浪和波生流共同作用下海岸泥沙运动及沙坝双向迁移机理,为精细刻画海岸水沙动力过程提供了理论基础。 2、提出了复杂环境下海工动力响应的系列计算公式与防护方法。提出了离岸式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等复杂结构受力的计算公式,填补了已有标准规范在这一方面的空白,发明了新型海工结构型式,为离岸港口与海岸防护设计提供了有益补充。 3、自主研发出不同时空尺度多因子耦合的水运工程潮流泥沙波浪环境数值模拟系统。集成了中国海潮波模块、波浪模块、水流泥沙模块和海岸灾害模块,攻克了大尺度长周期海岸地貌演变模拟的关键难点,实现了复杂河口海岸多要素非线性动力地貌耦合演变过程的精细模拟。 4、解决了复杂水沙条件下多种布置型式的港口航道建设关键技术难题。综合应用创新研究成果,系统解决了“离岸人工岛+长栈桥式”、“边滩匡围+长栈桥式”、“边滩挖入式”三种港口航道布置新型式下地形稳定、泥沙回淤、结构受力与导堤设计等关键问题,为粉沙淤泥质海岸建设深水大港提供了科技支撑。 获授权发明专利3项,登记计算机软件著作权3项。出版专著1部,发表论文36篇,其中SCI收录23篇。波浪与波生流相互作用机制及其对海岸沙坝双向迁移的影响机理,因其突出的科学研究水平和工程应用价值,被评为美国土木工程师协会（ASCE）Journal of Waterway, Port, Coastal and Ocean Engineering 2014年度最佳论文,提升了我国港口、海岸及近海工程学科的国际学术影响。 成果被写入《海港水文规范 （JTS145-2-2013）》、《General Rules for Design of Port and Waterway Works （JTS141-2011）》等标准规范,自主研发的数值模拟系统成为全国高校第一家通过中国工程建设标准化协会水运专业委员会鉴定的水运工程水动力泥沙数值计算软件,打破了国外商业软件在国内这一领域的垄断,有力促进了我国港口与海岸工程建设行业的科技进步。 成果直接应用于“江苏沿海开发”等各地重点港口航道与海岸工程建设中,通过优化设计方案和减小泥沙回淤,为项目建设节省投资1.826亿元,在保障工程安全、促进临港经济发展和产业转型等方面发挥了显著的社会经济效益。