三维水沙模型在航道减淤措施中的应用

季则舟1，任腾飞2，张金凤2，张俊健1

(1. 中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津 300222； 2. 天津大学 水利工程智能建设与运维全国重点实验室，天津 300350)

摘要: 山东滨州港港区于2015年11月经历一次大风骤淤过程，造成原有3万t级航道严重淤积，建设和发展滨州港，航道的骤淤治理是关键。基于三维潮流泥沙模型FVCOM及波浪模型SWAN，考虑水动力和泥沙间的相互作用，建立了基于新型三维辐射应力的三维水沙模型，依据2014年全潮水文观测资料对此三维水沙模型进行潮流场、波浪场及悬沙场的模拟和分析，验证了模型的可靠性，并计算了大风条件下现状航道淤积量和延长出水堤堤头位置至7.5 m方案和9.0 m方案的淤积量，分析了导致航道淤积的原因。模拟结果的对比论证表明，出水堤延伸越远，航道减淤量越大，但出水堤继续延伸后单宽减淤量会逐渐降低。本研究可为航道淤积治理及减淤措施设计等提供参考。

关键词：潮流泥沙； 骤淤； FVCOM； SWAN； 滨州港

考虑结构安全的桩基码头清淤施工方案优化

赵 煜，蔡忠志，尤再进，隋 意

(大连海事大学 港口与航运安全协同创新中心，辽宁 大连 116026)

摘要: 中国沿海粉砂质海岸桩基码头下方普遍存在的严重泥沙回淤问题，导致码头桩基受损和高昂泥沙清淤成本。将桩基受力的有限元分析方法与港口运营管理的运筹学方法相结合，以大型沿海桩基码头泥沙清淤工程为原型，开展桩基码头的清淤施工方案优化研究，分别建立码头桩基-岸坡土体结构体系的有限元数值模型，以及综合考虑清淤成本、安全、效率的港口清淤施工方案优化数学模型，并应用基于强化学习改进的遗传算法求解得到最优清淤方案。方案在充分考虑结构安全的前提下，有效降低了清淤成本，可为港口清淤提供依据。

关键词：码头泥沙回淤； 清淤施工方案； 约束优化； DDQN-GA 算法

考虑清淤策略的桩基时变可靠度分析

韩清宇1，崔春义1, 2，熊 琦1，赵 敏3，刘海龙1，尤再进1, 2，季则舟4

(1. 大连海事大学 交通运输工程学院，辽宁 大连 116026； 2. 大连海事大学 港口与航运安全协同创新中心，辽宁大连 116026； 3. 中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海 200032； 4. 中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津 300222)

摘要: 为发展淤积岸坡-高桩码头相互作用体系结构可靠性分析方法，基于Fick第二定律推导了能考虑氯离子侵蚀效应的二维扩散模型，并采用时间离散法提出了一种综合考虑结构抗力衰减、淤积作用量化和预测，以及桩基受力变形分析的高桩码头桩基时变可靠度数值计算方法。并结合以目标可靠度为导向的清淤策略，编写了淤积岸坡-高桩码头体系时变可靠度外挂求解程序DPRP。在此基础上，开展了多工况计算分析，探讨了高桩码头桩基时变可靠度的演化规律。计算分析结果表明：码头近海侧桩基可靠度更易低于目标可靠度，在实际工程中需重点养护与修复；泥沙淤积作用会降低多数桩基时变可靠度，而对于近海侧及近岸侧且向岸倾斜的斜桩，其时变可靠度则会因泥沙淤积作用而增大。该高桩码头桩基时变可靠度数值求解流程框架及对应外挂子程序DPRP，可为高桩码头-岸坡相互作用体系的相关工程设计与可靠性评价提供参考。

关键词：高桩码头； 淤积； 氯离子侵蚀； 时间离散法； 可靠性分析； 清淤策略

岸坡淤积对高桩码头结构受力的影响及清淤防治措施

李文静1，别社安1，武哲宇2，赵晟挚1，刘滟鑫1

(1. 天津大学 建筑工程学院，天津 300350； 2. 交通运输部规划研究院，北京 100000)

摘要: 利用有限元方法分析了岸坡淤积对高桩码头结构受力的影响，提出了码头下方局部清淤联合码头后方开挖以减小淤积影响的防治措施。通过构建高桩码头排架结构的实体单元模型，探讨了岸坡淤积和使用荷载的耦合作用对码头结构内力及水平位移的影响；通过比较岸坡淤积过程中的桩基受力及变形，揭示了桩基损伤机理，即岸坡淤积使桩土相互作用面积增大，桩基受到的附加淤积土压力作用增大，导致受横梁约束桩基的桩顶弯矩增大。岸坡淤积对码头结构存在显著影响，随着淤积高度的增加，桩基的内力及水平位移、横梁的水平位移显著增大；码头岸坡淤积、码头后方超淤及船舶撞击力的联合作用，对淤积岸坡的坡顶处和后侧的向岸斜桩的内力影响最大，桩基最易受损；对码头下方的淤积坡肩进行局部清淤，联合在码头后方挖槽的清淤措施，可有效降低危险桩基的桩顶弯矩，减小淤积对码头结构的影响。

关键词：高桩码头； 岸坡淤积； 结构受力； 清淤防治措施

水流作用下桩基局部水沙动力特征数值模拟

伍志元1, 2，李 昂1，蒋昌波1, 2, 3，高 凯1，陈 杰1, 2，邓 斌1, 2

(1. 长沙理工大学 水利与环境工程学院，湖南 长沙 410114； 2. 水沙科学与水灾害防治湖南省重点实验室，湖南长沙 410114； 3. 湖南工业大学 土木工程学院，湖南 株洲 412007)

摘要: 基于VOF方法追踪水气界面，利用不可压缩流体连续方程和运动方程对流体进行描述，通过嵌套网格技术建立三维数值水槽，湍流采用RNG k–ε模型，泥沙运动基于Van Rijn方法。基于验证后的数值水槽模型，开展水流作用下高桩承台结构局部水动力和冲刷规律研究，讨论不同来流条件下桩基桩周流场分布、泥沙输运和床面局部冲刷特征。结果表明，桩基冲刷特征受冲刷时间、流速、水位、水流攻角等来流条件的影响，同时也受桩间距的影响。当流速较小时，高桩承台桩基各桩之间相互作用较小，泥沙冲淤形态彼此独立，与单桩冲刷特征相似。流速较大时，前桩对后桩出现较为明显的遮蔽作用，前桩水流涡旋影响后桩，后桩周围流速明显降低，此时泥沙冲刷坑彼此相连构成群桩整体冲刷坑，且在最后排桩桩间形成条状冲刷坑，冲刷深度最大。

关键词：桩基结构； 高桩承台； 局部冲刷； 水沙动力

水流作用下的群桩流场特性PIV试验研究

潘新颖，郭云辉，梁丙臣，吴政杰，杨 博

(中国海洋大学 工程学院，山东 青岛 266000)

摘要: 基于粒子图像测速技术（PIV）开展物理模型试验，对雷诺数Re分别为2 400、6 000、12 000条件下，流向桩心距比为5、横向桩心距比为4时，3×3矩形排列圆桩群桩的局部流场特性开展研究。结果表明，中下游桩间与上中游桩间的流场特性存在显著差异，雷诺数对桩间流场变化影响明显。当Re 为2 400和6 000时，上游中间桩后的尾流涡漩生成长度及回流区长度明显大于两侧边桩，Re 为6 000时现象更明显，而当Re增大至12 000时此现象消失。受上游桩遮蔽作用，中游桩桩后的尾涡强度明显弱于前排桩，回流区面积随之减小。随着雷诺数增大，上游桩桩后尾涡生成长度、回流区尺度逐渐减小。此外，还分析了紊动强度与雷诺切应力在群桩内部平面上的分布变化。本研究以高桩码头桩基础为原型，分析群桩内部流场特性变化，研究结论有助于推进高桩码头泥沙冲淤变化机理的研究，提高高桩码头的安全评估能力。

关键词：恒定流； 群桩流场； 粒子图像测速技术

考虑参数空间变异性的高桩码头-岸坡体系可靠性分析

陈明强1，崔春义1, 2，熊 琦1，赵 敏3，尤再进2，季则舟4

(1. 大连海事大学 交通运输工程学院，辽宁 大连 116026； 2. 大连海事大学 港口与航运安全协同创新中心，辽宁大连 116026； 3. 中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海 200000； 4. 中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津 300222)

摘要: 为进一步发展高桩码头-岸坡体系结构可靠性分析方法，基于KL-Copula互相关随机场模拟方法，综合考虑了岸坡土体参数空间变异性与其相关结构及大小的影响，提出一种岸坡-高桩码头体系互相关随机场模拟与可靠性求解数值实施流程，并基于PLAXIS计算程序平台，编写了高桩码头-岸坡体系互相关随机场模拟与可靠性分析外挂求解程序KLCPRP。在此基础上，进一步结合非侵入式随机分析方法进行相关算例分析，探讨不同岸坡强度参数Copula函数结构对互相关随机场模拟和高桩码头结构可靠性求解的影响规律。计算分析结果表明：不同Copula函数结构所对应模拟样本的线性相关系数、秩相关系数均存在一定差异性；对于有限实验数据情况，Gaussian Copula函数结构会导致随机场计算结果偏于保守；所提出的KL-Copula模拟随机场数值实施流程及对应外挂求解程序KLCPRP具有良好的精度和有效性，可为高桩码头-岸坡相互作用体系的相关工程设计及安全评价提供理论参考。

关键词：高桩码头-岸坡体系； 空间变异性； KL-Copula 理论； 互相关随机场； 可靠性分析

基于知识图谱和熵值优化的高桩码头模糊评估

张 鹏1，周一恒1，崔春义1，季则舟2，周 扬3，刘志新4

(1. 大连海事大学 交通运输工程学院，辽宁 大连 116026； 2. 中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津300222； 3. 大连理工大学 水利工程学院，辽宁 大连 116024； 4. 中国建筑一局（集团）有限公司，北京 100161)

摘要: 高桩码头应用广泛，在其服役期内可能受到超载、淤积、环境腐蚀等因素影响，出现结构性能退化，对其进行服役性态评估具有重要价值。基于已有行业规范与工程案例整理了中国常见码头结构形式的服役性态评估指标体系，采用Top-down方式创建指标体系的知识图谱，并利用visNetwork工具包编写指标体系内核代码与BS架构交互界面。结合AHP-FCE法与评估指标进行码头服役性态评估：建立评语集与评估等级集进而得到模糊评估向量；采用熵值法（EM）对层次分析（AHP）中的权值进行修正，从而实现客观赋权。最后，以中国东南沿海某海港高桩码头结构为例进行流程演示，结合该工程特点从知识图谱中抽取安全评估指标并建立该工程分级评估系统，分层计算模糊评估向量并得到码头整体安全等级为A级。该结果与工程检测机构评估结果一致，验证了所建知识图谱的适用性与修正的AHP-FCE法的正确性，说明该方法可推广应用于其他各类码头结构的运维评估。

关键词：指标体系； 知识图谱； 层次分析法； 熵值法； 模糊综合评估； 服役性态

圆柱绕流的三大类型湍流模型及稳定性数值模拟研究

夏 曦1，尤再进1，王召伟2

(1. 大连海事大学 港口与航运安全协同创新中心，辽宁 大连 116026； 2. 大连海事大学 环境科学与工程学院，辽宁 大连 116026)

摘要: 海港桩基码头下方桩柱周围的绕流特性对港口水动力与泥沙输运具有重大影响。为探究湍流数值模拟方法对三维桩柱绕流精度的影响，基于CFD方法建立OpenFOAM湍流模型，在雷诺数Re=3 900条件下，研究不同近壁取值范围y+=0.95~5.00内的大涡模拟LES、原始雷诺时均法（RANS）湍流模型和增加涡流黏度限制公式的RANS 湍流模型的阻力系数、斯特劳哈尔数、平均压力系数、平均速度和涡流结构。研究结果表明，与前人RANS各湍流模型及试验计算结果比较，RNG κ-ε湍流模型对阻力系数和斯特劳哈尔数模拟较准确，对涡捕捉精细程度最好；κ-ω、κ-ω SST湍流模型对斯特劳哈尔数模拟较准确，在y+=0.95~2.00时对平均压力系数模拟较准确；各RANS湍流模型对平均速度的模拟均存在回流区内速度偏差较大的问题；大涡模拟LES 湍流模型在近壁网格精度较高时，所有水动力模拟结果相对准确。研究还发现增加涡流黏度限制后的RANS湍流模型，对涡结构捕捉的精细程度更高，更符合真实流动。通过对不同湍流模型下单桩水动力特性的分析研究，可为海港码头下圆形桩群的水动力计算提供参考。

关键词：涡流黏度； RANS湍流模型； 涡结构； 湍流结构

高桩码头桩群对水动力参数影响的数值模拟

薛玉娆1，张金凤1, 2，张庆河1，尤再进3，季则舟4

(1. 天津大学 水利工程智能建设与运维全国重点实验室，天津 300350； 2. 天津大学 地震工程模拟与抗震恢复中国地震局重点实验室，天津 300350； 3. 大连海事大学 交通运输工程学院，辽宁 大连 116026； 4. 中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津 300222)

摘要: 桩基码头是常用的码头结构形式，应用广泛。高桩码头桩群基础改变了周围水动力场，引起泥沙冲淤规律的变化，从而对码头结构稳定性产生影响，研究圆柱桩群阻力特性，对水流和底床冲淤变化研究具有重要意义。基于FVCOM的三维水动力模型，将桩柱绕流阻力等效为水流阻力，提出一种桩群阻水效果的概化方法，通过增加桩群阻力项来研究桩群对水动力环境参数的影响，构建了群桩下方和后方水动力规律的三维水动力改进模型。该模型应用于舟山某高桩码头附近流场的模拟计算，结果与实测值吻合良好，证明了模型的有效性；计算结果表明，桩群影响使得码头后方的流速减小，比码头前方减小约67%。所构建的模型可进一步研究高桩码头下方和后方冲淤演变规律，为码头建设和运维提供技术支撑。

关键词：水流阻力； 桩群概化； FVCOM三维模型； 水动力； 高桩码头

规则波作用下桩基透空型防波堤的冲刷研究

黄姗姗1，王振鲁1, 2，潘新颖1, 2，梁丙臣1, 2，杨 博1

(1. 中国海洋大学 工程学院，山东 青岛 266100； 2. 山东省海洋工程重点实验室，山东 青岛 266100)

摘要: 基于FLOW-3D软件，开展了3组波高、3组波周期、5种挡板形式条件下的冲刷模拟试验，分析了不同工况下防波堤结构流场变化、海床冲刷地形变化。研究结果表明：在规则波作用下，波高变化对防波堤结构流场变化及海床冲刷地形变化影响程度较小。波周期则与防波堤结构周围的泥沙冲刷效率呈正相关，且影响程度较大。不同的波周期会导致挡板开孔方式对海床冲刷地形的变化呈现不同的规律，当波周期为1.5 s时，随着挡浪板开孔率的增加、挡板下部面积的增大，冲刷坑面积及体积逐渐减小，且呈线性分布；当波周期为2.0、2.5 s时，冲刷面积及体积呈二次曲线分布。

关键词：桩基透空式防波堤； 挡浪板； 群桩冲刷

淤积条件下码头桩基-岸坡体系受力变形分析

任婧毓1，王坤鹏1，崔春义1，刘海龙1，赵 敏2

(1. 大连海事大学 交通运输工程学院，辽宁 大连 116026； 2. 中交第三航务工程勘察设计院有限公司 上海200000)

摘要: 沿海港口码头常受淤积影响，导致岸坡土体发生位移，进而威胁码头结构安全。结合具体工程建立了码头桩基-淤积岸坡相互作用有限元模型，以内力组合值判定桩基塑性变形状态，与码头桩基开裂轴线实际位置基本相符，验证了建模合理性。在此基础上，建立了桩-土相互作用简化模型，研究了淤积过程中桩基内力变化及桩-土体系位移演化趋势，分析了工程地质和码头结构方面因素对桩-土体系受力变形特征的影响规律。结果表明，岸坡淤积条件下，码头下方坡体水平位移及后方坡体竖向沉降较为明显；随着淤积土层厚度持续增加，岸坡稳定系数逐渐降低，而水平位移与竖向沉降逐渐增大，且变形量与淤积厚度呈线性关系。淤积过程中，各轴桩基水平位移沿纵向呈现相同变化趋势，而桩身弯矩分布则表现为3 种不同模式；土体压缩模量对桩体位移和岸坡变形的影响最为显著，不同位置下影响桩顶弯矩变化的主导因素各异（或为压缩模量或为桩径），而淤积速度对桩-土体系受力变形状态的影响最小。本研究有助于完善岸坡淤积条件下桩-土相互作用理论体系，为工程实践中淤积码头的结构设计和日常维护提供理论支持。

关键词：高桩码头； 淤积岸坡； 码头桩基； 桩-土相互作用

钢圆筒防护装置周围海床冲淤试验研究

李 伟1，沈晓鹏1，李书兆1，何榛林1，高 扬1，张金凤2

(1. 中海油研究总院有限责任公司，北京 100010； 2. 天津大学 水利工程智能建设与运维全国重点实验室，天津300072)

摘要: 通航区内水下油气生产系统需安装在海床下的钢圆筒防护装置内，以避免往来船舶抛锚、渔业活动等对油气开发设备产生破坏。为揭示海床下钢圆筒防护装置局部冲淤特性，同时验证工程设计方案的可靠性，基于通航区海床下水下生产系统钢圆筒防护装置，对周围土体冲淤特性开展试验研究。根据工程区域现场土样的级配资料配制现场土样，并对不同回填土质的水动力特性进行敏感性分析，得到不同回填土质临界起动流速，为工程回填材料选择提供参考。同时针对平整海床、凸出式和齐平式防护装置类型，开展模型试验研究。结果表明，基于工程场址土壤条件，在安装钢圆筒防护装置、设置回填材料等各种情况下冲淤量很小，均不会发生明显的冲淤现象。现场实测验证了设计方案冲淤试验结果的可靠性。研究结果可为海床下防护结构的设计提供参考。

关键词：钢圆筒防护装置； 模型试验； 水流； 海床冲淤

淤积与船舶撞击对高桩码头桩基受力的影响分析

徐众和，陈同庆，张庆河，张金凤

(天津大学 水利工程智能建设与运维全国重点实验室，天津 300072)

摘要: 中国部分高桩码头下方存在较大的泥沙淤积，且初始设计时并未考虑淤积的影响，较大淤积时淤积土体及船舶撞击会对码头桩基受力产生耦合影响。建立了船舶撞击-上部结构-桩基-土体相互作用的三维有限元数值模型，模拟分析回淤土体和船舶撞击作用对高桩码头桩基受力的影响。结果表明，土体淤积严重位置处的桩顶局部最大主应力、剪力、弯矩相较回淤前均增幅较大，淤积土体对桩基受力的影响十分显著。当法向船舶撞击速度为0.1和0.2 m/s时，船舶撞击力对桩基的影响小于回淤土体的影响。码头不同排架之间的桩基受力存在一定差异。码头后方桩基顶部最为危险，桩基顶部弯矩接近混凝土开裂弯矩，导致桩基容易出现开裂损伤。

关键词：淤积； 高桩码头； 船舶撞击； 桩基

回淤环境高桩码头桩基淤积荷载影响因素及简化计算

赵 敏，蒋腊梅，陆 敏，吴志良

(中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海 200032)

摘要: 目前高含沙水域高桩码头受淤积影响导致码头位移或桩基受损情况较为普遍，工程设计中考虑淤积荷载影响主要以数值有限元分析为主，计算精度与土体参数及土体本构模型选取有关，工程应用较为不便。通过调研高桩码头淤积现状和受损情况，分析了桩土作用及影响因子，结果表明桩基淤积荷载主要与淤积土体参数、淤积高度、淤积岸坡坡度及桩基的倾斜角度有关；提出了桩基淤积荷载简化计算方法并应用于典型码头实例分析中，计算分析结果与检测实际情况基本吻合，揭示了码头桩基受损原因。该简化计算方法相比于数值有限元分析方法，所用参数均为常规工程参数，计算简单，能较好反映主要影响因素对淤积荷载的影响，可为回淤环境下高桩码头桩基设计提供参考。

关键词：回淤； 高桩码头； 桩基； 淤积荷载； 桩土作用

多模型融合监控重力式航道防护堤变形

陈水兵1，郭 辉1，黄圯平1，王明光2，吴震宇2

(1. 四川岷江港航电开发有限责任公司，四川 犍为 614400； 2. 四川大学 水利水电学院，四川 成都 610065)

摘要: 航道防护堤变形受多种不确定性因素的影响，单一数学模型不能充分挖掘和利用监测数据包含的有效信息，无法准确描述和监控结构变形行为，因此存在预测精度较低和监控误警率较高等缺陷。采用序贯蒙特卡洛（SMC）近似贝叶斯方法对8种常用的水工结构变形监控模型进行参数概率分布估计和模型后验概率计算，以模型后验概率作为融合权重建立充分利用各单一模型优势的集成监控模型。某航电工程混凝土防护堤实例分析表明，该方法所建立的航道防护堤变形多模型融合在线监控模型能更准确描述其变形规律和趋势，预测精度相比各单一模型明显提升，监控误警率显著降低。多模型融合监控技术通过概率权重合理融合多种不同形式的数学模型，能有效弥补各单一模型的性能缺陷，降低变形监控的不确定性，提高安全预警准确性，为航道防护堤变形监控提供了新思路和新方法。

关键词：变形监控； 模型融合； 序贯蒙特卡洛法； 航道防护堤