本發(fā)明屬于水運(yùn)交通科技領(lǐng)域，涉及預(yù)測(cè)海床沖淤的動(dòng)力數(shù)值計(jì)算方法。

背景技術(shù)：

1、工程實(shí)施前后的海床沖淤預(yù)測(cè)問題一直是海床演變學(xué)和海岸工程學(xué)的關(guān)鍵技術(shù)問題，也是港口航道工程師關(guān)注的焦點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者通過野外觀測(cè)和模型研究等手段，圍繞海床沖淤預(yù)測(cè)開展了大量的研究工作，主要的研究方法可分為三類：基于實(shí)測(cè)資料的經(jīng)驗(yàn)判斷、半經(jīng)驗(yàn)半理論公式預(yù)測(cè)、泥沙數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè)。由于基于實(shí)測(cè)資料的經(jīng)驗(yàn)判斷法尚未達(dá)到定量標(biāo)準(zhǔn)，半經(jīng)驗(yàn)半理論公式預(yù)測(cè)方法的相關(guān)參數(shù)率定隨機(jī)性較大，研究成果具有一定的不確定性，泥沙數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè)方法耗時(shí)長(zhǎng)、投入較大，因此，客觀上需要研發(fā)一種簡(jiǎn)便高效的海床沖淤預(yù)測(cè)方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：克服以往海床沖淤預(yù)測(cè)方法不能定量分析、計(jì)算耗時(shí)長(zhǎng)、投入大等不足，提供一種預(yù)測(cè)海床沖淤的動(dòng)力數(shù)值計(jì)算方法，計(jì)算效率和精度能滿足海床演變分析和海岸工程研究的需要。

2、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

3、一種預(yù)測(cè)海床沖淤的動(dòng)力數(shù)值計(jì)算方法，包括以下步驟：

4、步驟1，確定影響海床沖淤演變的主導(dǎo)動(dòng)力因素：根據(jù)研究區(qū)域的水深條件、水動(dòng)力條件、泥沙特性等，確定影響海床沖淤演變的主導(dǎo)動(dòng)力因素，一般可分為潮流、波浪、波流共同作用等三種情況；

5、步驟2，通過泥沙水力特性試驗(yàn)或文獻(xiàn)梳理，確定泥沙的臨界起動(dòng)切應(yīng)力、臨界淤積切應(yīng)力；

6、步驟3，根據(jù)步驟1確定的主導(dǎo)動(dòng)力因素，建立潮流和(或)波浪數(shù)學(xué)模型，采用實(shí)測(cè)資料對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果達(dá)到《水運(yùn)工程模擬試驗(yàn)技術(shù)規(guī)范》

7、(jts/t?231-2021)要求后，開展水動(dòng)力要素?cái)?shù)值模擬，給出研究區(qū)域的流場(chǎng)和(或)波浪場(chǎng)；

8、步驟4，將步驟3計(jì)算的水動(dòng)力結(jié)果代入切應(yīng)力計(jì)算公式，計(jì)算研究區(qū)域的床面切應(yīng)力；

9、步驟5，對(duì)比步驟2確定的泥沙臨界起動(dòng)切應(yīng)力、臨界淤積切應(yīng)力與步驟4計(jì)算的床面切應(yīng)力，判斷床面泥沙的起動(dòng)、落淤狀況及范圍；通常：床面切應(yīng)力大于泥沙臨界起動(dòng)切應(yīng)力，泥沙發(fā)生起動(dòng)；床面切應(yīng)力小于泥沙臨界淤積切應(yīng)力，泥沙發(fā)生淤積；

10、步驟6，采用沖淤計(jì)算公式計(jì)算海床沖淤幅度，分析床面沖淤趨勢(shì)：根據(jù)步驟5確定的海床沖淤趨勢(shì)，計(jì)算海床沖淤，分析床面沖淤趨勢(shì)。

11、所述步驟1的具體過程為：根據(jù)研究區(qū)域的水深條件、水動(dòng)力條件、泥沙特性等，確定影響海床沖淤演變的主導(dǎo)動(dòng)力因素，一般可分為潮流、波浪、波流共同作用等三種情況。

12、所述步驟2的具體過程為：根據(jù)研究區(qū)域泥沙水動(dòng)力特性試驗(yàn)成果或文獻(xiàn)整理等手段，確定研究區(qū)域泥沙的臨界起動(dòng)切應(yīng)力、臨界淤積切應(yīng)力；

13、所述步驟3的具體過程為：根據(jù)步驟1確定影響海床沖淤演變的主導(dǎo)動(dòng)力因素，分別建立潮流和(或)波浪數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過率定和驗(yàn)證后進(jìn)行前述水動(dòng)力要素的模擬計(jì)算。

14、(1)以潮流作用為主的區(qū)域，建立水流數(shù)學(xué)模型；

15、(2)以波浪作用為主的區(qū)域，建立波浪數(shù)學(xué)模型；

16、(3)波流共同作用為主的區(qū)域，需分別建立水流數(shù)學(xué)模型和波浪數(shù)學(xué)模型。

17、所述數(shù)學(xué)模型及波浪數(shù)學(xué)模型的控制方程及其求解方法，可選用現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范(《水運(yùn)工程模擬試驗(yàn)技術(shù)規(guī)范》(jts/t?231-2021))中推薦的方程與求解方法。

18、所述步驟4的具體過程為：將步驟3計(jì)算的水動(dòng)力結(jié)果代入切應(yīng)力計(jì)算公式，計(jì)算研究區(qū)域的床面切應(yīng)力。床面切應(yīng)力τb可采用《水力學(xué)》教科書或公開發(fā)表文獻(xiàn)中的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，也可根據(jù)研究海域的主導(dǎo)動(dòng)力因素選用以下計(jì)算公式。

19、1)僅潮流作用，床面切應(yīng)力τb可采用以下公式計(jì)算：

20、τb＝τc＝ρu*c???????????????????????????????????????????????(1)

21、式中：τc為水流作用下的床面切應(yīng)力，ρ為水的密度，u*c為水流作用下床面摩阻流速，h為水深，δ為床面粗糙高度，當(dāng)床面泥沙的中值粒徑d50≤0.5mm時(shí)，δ＝1mm，當(dāng)d50>0.5mm時(shí)，δ＝2d50，為垂線平均流速，由步驟3所述的水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型計(jì)算。

22、2)僅波浪作用，床面切應(yīng)力τb可采用以下公式計(jì)算：

23、

24、式中：τwm為波浪作用下的床面切應(yīng)力，fw為波浪摩阻系數(shù)，一般的取值范圍為0.005～0.02，對(duì)于淤泥質(zhì)海床，一般取0.01，uwm為波浪作用下水底處水質(zhì)點(diǎn)的速度幅值，其中h為波高，t為波周期，k為波數(shù)，k＝2π/l，l為波長(zhǎng)；h、t與l由步驟3中的波浪數(shù)學(xué)模型計(jì)算。

25、3)波流共同作用，床面切應(yīng)力τb可采用以下公式計(jì)算：

26、

27、式中：為波流共同作用下，一個(gè)波浪周期內(nèi)床面切應(yīng)力的平均值。

28、所述步驟5的具體過程為：比較步驟2確定的泥沙臨界起動(dòng)切應(yīng)力τe、臨界淤積切應(yīng)力τd與步驟4計(jì)算的床面切應(yīng)力τb，判斷床面泥沙的起動(dòng)、落淤狀況及范圍。通常：床面切應(yīng)力大于泥沙臨界起動(dòng)切應(yīng)力，泥沙發(fā)生起動(dòng)；床面切應(yīng)力小于泥沙臨界淤積切應(yīng)力，泥沙發(fā)生淤積。

29、(1)若τb＞τe，床面泥沙起動(dòng)進(jìn)入水體；

30、(2)若τb＜τd，水體中泥沙落淤于床面；

31、(3)若τd＜τb＜τc，床面與水體不發(fā)生泥沙交換。

32、以或作為海床泥沙發(fā)生明顯起動(dòng)或落淤的判斷標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行海床沖刷或淤積厚度計(jì)算，若并且則判斷研究區(qū)域的海床沖淤相對(duì)平衡。

33、所述步驟6的具體過程為：采用沖淤計(jì)算公式計(jì)算海床沖淤幅度，分析海床沖淤趨勢(shì)。

34、海床沖淤厚度可采用《海床演變學(xué)》教科書或公開發(fā)表文獻(xiàn)中的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，也可根據(jù)泥沙運(yùn)動(dòng)形式選用以下計(jì)算公式：

35、1)泥沙以懸移質(zhì)運(yùn)動(dòng)形式為主的區(qū)域

36、(1)床面發(fā)生淤積時(shí)，淤積厚度按照以下公式計(jì)算：

37、

38、式中：ηd為淤積厚度，δtd為淤積時(shí)間，k為泥沙落淤概率，cb為底部含沙量，ω為泥沙沉速，τb為床面切應(yīng)力，τd為泥沙的臨界淤積切應(yīng)力。式(4)中的泥沙落淤概率k可采用以下公式計(jì)算：

39、

40、為概率積分函數(shù)，可由表2查得；ω為泥沙的沉降速度，σ為脈動(dòng)流速的均方根，v為斷面平均流速，g為重力加速度，c為研究海域的謝才系數(shù)。

41、表2概率積分函數(shù)取值表

42、

43、(2)床面發(fā)生沖刷時(shí)，沖刷厚度根據(jù)床面性質(zhì)采用以下公式計(jì)算：

44、①若容重為垂向均勻分布的底床，

45、②若容重為自上而下逐漸變大的自然密實(shí)底床，

46、式中：ηe為沖刷厚度，δtd為沖刷時(shí)間，m為床面泥沙沖刷系數(shù)，與泥沙性質(zhì)有關(guān)，α與β為隨沉積泥沙結(jié)構(gòu)、密實(shí)度等而變的參數(shù)，τe為泥沙的臨界起動(dòng)切應(yīng)力。

47、(3)當(dāng)τd＜τb＜τc，床面不發(fā)生淤積或沖刷，即δηd＝δηe＝0。

48、(4)床面沖淤變化δηb＝δηd+δηe。

49、2)泥沙以推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)形式為主的區(qū)域

50、(1)床面發(fā)生淤積時(shí)，淤積厚度按照以下公式計(jì)算：

51、δηd＝δtd·ωcb??????????????????????????????????????????????(8)

52、(2)床面發(fā)生沖刷時(shí)，沖刷厚度按照以下公式計(jì)算：

53、

54、式中：s為泥沙比重，g為重力加速度，d50為泥沙中值粒徑，ψ、ψc分別為水動(dòng)力作用下的希爾茲數(shù)和泥沙的臨界起動(dòng)希爾茲數(shù)，ν為水體粘滯系數(shù)。

55、若床面淤積厚度δηd≤0.2m或淤積厚度δηe≤0.2m，判斷研究區(qū)域的海床是相對(duì)穩(wěn)定的，反之若δηd＞0.2m或δηe＞0.2m，判斷研究區(qū)域的海床活動(dòng)性較強(qiáng)，并根據(jù)步驟5確定的海床沖淤趨勢(shì)對(duì)步驟6的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行復(fù)核。

56、由此，完成預(yù)測(cè)海床沖淤的動(dòng)力數(shù)值計(jì)算的全過程。

57、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)為：

58、本發(fā)明公開的一種預(yù)測(cè)海床沖淤的動(dòng)力數(shù)值計(jì)算方法，采用實(shí)測(cè)的泥沙臨界起動(dòng)切應(yīng)力、臨界淤積切應(yīng)力與數(shù)學(xué)模型計(jì)算的床面切應(yīng)力對(duì)比分析，預(yù)測(cè)海床沖淤，本發(fā)明公開的計(jì)算方法簡(jiǎn)潔高效，克服了以往海床演變預(yù)測(cè)不能定量分析、泥沙數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè)岸灘沖淤耗時(shí)長(zhǎng)、精度有限等缺陷，豐富了海床演變的研究方法。