CN111950211B - 基于海流设计流速的海床基础局部冲刷深度确定方法及系统 - Google Patents

基于海流设计流速的海床基础局部冲刷深度确定方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于海流设计流速的海床基础局部冲刷深度确定方法和系统，分层采集海流观测数据经调和分析判别各分层的潮流类型，计算各分层潮流可能最大流速矢量及垂线平均流速矢量；根据测得的风速数据和海床地形确定风海流流速矢量；根据确定的设计波要素计算波生流设计流速矢量；根据计算获得的各分层潮流可能最大流速矢量的垂线平均流速矢量、风海流流速矢量与波生流设计流速矢量合成获得海流设计流速；据此最终确定海床基础局部冲刷深度。本发明通过波要素设计重现期来确定海床基础局部冲刷计算的水动力条件取值标准，计算原理与过程与实践情况更加符合，计算成果更加可靠。

Description

基于海流设计流速的海床基础局部冲刷深度确定方法及系统
技术领域
本发明涉及海洋工程勘测技术领域，具体涉及海床基础局部冲刷计算的方法，尤其是一种基于海流设计流速的海床基础局部冲刷深度确定方法和系统。
背景技术
对于冲刷计算选取的海洋环境动力条件的标准鲜有研究和明确规定，目前海上风电场实际工程中海床基础局部冲刷计算的环境动力条件设计标准及其确定方法等，存在如下主要问题：
(1)海上风电工程现行勘测设计标准《风电场工程等级划分及设计安全标准》以及和海油行业设计技术标准等，均无关于海上风电场海上固定平台海床基础局部冲刷计算的海洋动力条件设计标准明确且直接的规定。
(2)因为技术标准缺乏明确规定，在海上风电场实际工程中冲刷计算中动力条件的取值标准并不统一。目前海床基础局部冲刷计算采用的海洋动力条件主要有实测大潮最大流速、海流可能最大流速，也有采用实测大潮最大流速组合极端高水位下各重现期平均波高、潮流可能最大流速矢量组合设计高水位下5年一遇有效波高、潮流可能最大流速矢量组合不同重现期设计风速形成的风海流等等，不一而足。
(3)一些现行海上风电工程文件中，对各类海流只按标量(流速)进行简单相加，未按矢量求和的方法进行流速矢量叠加。
由此可见，目前关于海上风电场工程海床基础局部冲刷计算的动力条件的取值标准不统一，甚至稍显混乱，不利于得出关于海床基础局部冲刷计算方法优劣对比的合理可靠的结论，当然也不利于经济合理地设计海床基础工程。因此需要明确海床基础冲刷深度的确定方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是为从事海床基础局部冲刷深度确定的技术人员提供一种理想的、明确的海床基础局部冲刷深度确定方法和系统，提高设计质量和效率。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一方面，本发明提供基于海流设计流速的海床基础局部冲刷深度确定方法包括以下步骤：
根据预先确定的设计潮位条件下工程海域水深的分层方法，分层采集海流观测数据；采集工程海域现场测风数据以及确定设计波要素；
根据采集到的海流观测数据经调和分析得到潮流椭圆参数；根据获得的潮流椭圆参数判别各分层的潮流类型，计算各分层不同潮流类型的潮流可能最大流速矢量并确定各分层潮流可能最大流速矢量的垂线平均流速矢量；
根据采集的工程海域现场测风数据和海床地形信息确定风海流流速矢量；根据确定的设计波要素计算波生流设计流速矢量；
根据计算获得的各分层潮流可能最大流速矢量的垂线平均流速矢量、风海流流速矢量与波生流设计流速矢量合成获得海流设计流速；根据海流设计流速确定海床基础局部冲刷深度。
进一步地，所述潮流类型包括规则的半日潮流、不规则的半日潮流、规则的全日潮流和不规则的全日潮流；判别潮流类型的具体方法如下：
Figure BDA0002638107570000031
式中，K为潮流类型判别系数；
Figure BDA0002638107570000032
为主太阴日分潮流的椭圆长半轴长度；
Figure BDA0002638107570000033
为太阴太阳赤纬日分潮流的椭圆长半轴长度；
Figure BDA0002638107570000034
为主太阴半日分潮流的椭圆长半轴长度。
K小于等于第一设定值，则判定为规则半日潮流；K大于第一设定值且小于等于第二设定值，则判定为不规则半日潮流；K大于第二设定值且小于等于第三设定值，判定为不规则全日潮流；K大于第三设定值，判定为规则全日潮流；
逐层采用式(1)判断潮流类型。
进一步地，根据不同分层的潮流类型，计算各分层的潮流可能最大流速矢量具体包括：
对规则半日潮流海区，各分层的潮流可能最大流速矢量按下式计算
Figure BDA0002638107570000035
式中，
Figure BDA0002638107570000036
为潮流的可能最大流速，通过潮流的调和分析得到以下参数：
Figure BDA0002638107570000037
为主太阴半日分潮流的椭圆长半轴矢量；
Figure BDA0002638107570000038
为主太阳半日分潮流的椭圆长半轴矢量；
Figure BDA0002638107570000039
为太阴太阳赤纬日分潮流的椭圆长半轴矢量；
Figure BDA00026381075700000310
为主太阴日分潮流的椭圆长半轴矢量；
Figure BDA00026381075700000311
为主太阴四分之一日分潮流的椭圆长半轴矢量；
Figure BDA0002638107570000041
为太阴太阳四分之一日分潮流的椭圆长半轴矢量。
对规则全日潮流海区可按下式计算
Figure BDA0002638107570000042
对不规则半日潮流海区和不规则全日潮流海区，采用式(2)和式(3)中的大值；
对每一层潮流均按式(2)或式(3)等计算各分层潮流可能最大流速矢量。
进一步地，对各分层不同潮流类型的潮流可能最大流速矢量，采用加权平均计算方法确定各分层潮流可能最大流速矢量的垂线平均流速矢量
Figure BDA0002638107570000043
进一步地，根据测得的风速数据确定风海流流速矢量
Figure BDA0002638107570000044
的方法如下：计算风海流流速Vu，计算公式如下：
Vu＝MU (4)
式中，Vu为风海流流速；M为系数，U为平均海面上选定高处的选定时间内的平均风速；根据式(4)计算所得流速与海床等深线方向一起组成风海流流速矢量
Figure BDA0002638107570000045
进一步地，用方向i上的重现期R年累积频率为j的设计波要素计算波生流设计流速矢量
Figure BDA0002638107570000046
按下式计算：
Figure BDA0002638107570000047
式中，Li为方向i上的波长；Ti为方向i上的波周期；d为计算点总水深，HR,j,i为方向i上的重现期R年的累积频率为j的波高，g为当地的重力加速度。
进一步地，根据计算获得的各分层潮流可能最大流速矢量的垂线平均流速矢量、风海流流速矢量与波生流设计流速矢量合成获得海流设计流速的表达式如下：
Figure BDA0002638107570000051
式中，VR,i为重现期为R年流向为i的海流设计流速；VR为重现期为R年的海流设计流速；θR为重现期为R年的海流设计流速相应流向；
Figure BDA0002638107570000052
为综合考虑各种误差和忽略项的安全系数，
Figure BDA0002638107570000053
为潮流可能最大流速矢量的垂线平均流速矢量，
Figure BDA0002638107570000054
为风海流流速矢量，
Figure BDA0002638107570000055
为波生流设计流速矢量。
第二方面，本发明提供基于海流设计流速的海床基础局部冲刷深度确定系统，海洋水文气象条件采集装置、潮流类型分析模块、海流设计流速确定模块和海床基础局部冲刷深度确定模块；
所述海洋水文气象条件采集装置，用于根据预先确定的设计潮位条件下工程海域水深的分层方法，分层采集海流观测数据；采集工程海域现场测风数据、海床地形信息以及确定设计波要素；
所述潮流类型分析模块，用于根据采集到的海流观测数据经调和分析得到潮流椭圆参数；根据获得的潮流椭圆参数判别各分层的潮流类型，
所述海流设计流速确定模块，用于计算各分层不同潮流类型的潮流可能最大流速矢量并确定各分层潮流可能最大流速矢量的垂线平均流速矢量；根据采集的工程海域现场测风数据和海床地形信息确定风海流流速矢量；根据预先确定的设计波要素计算波生流设计流速矢量；
根据计算获得的各分层潮流可能最大流速的垂线平均流速矢量、风海流流速矢量与波生流设计流速矢量合成获得海流设计流速；
所述海床基础局部冲刷深度确定模块，用于根据海流设计流速确定海床基础局部冲刷深度。
本发明还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如以上方案提供的所述方法的步骤。
有益技术效果：
1.本发明提供的方法可填补海上风电场工程海床基础局部冲刷分析计算方面的相关技术空白，还可供确定海洋水下结构海流荷载计算条件时参考。由于造成海水流动的因素比较多，海流流速与潮位未必正相关，即两者非同频率事件，不宜通过设计高潮位重现期来间接规定海床基础局部冲刷计算标准；
2.另一方面，受海流实测资料条件限制客观上也难以通过历年实测海流资料经频率分析推求设计重现期的海流设计流速。本发明提供的海流设计流速计算方法简便可行，很好的解决了上述问题。
3、在海洋水文动力因素中，以流速对冲刷最为敏感；水深/潮位和波高、波周期对冲刷的直接影响并不显著，但因波浪可能会产生波生流，而设计波浪往往与水深相关，亦即它们可能通过海流对冲刷产生间接影响。因此，本发明选取海流设计流速作为海床基础局部冲刷的最直接最显著的海洋动力因素，水深/潮位、设计波要素则作为海流设计流速计算的间接因素或边界条件。计算原理与过程与实践情况更加符合，计算成果更加可靠。
4、本发明提供了计算系统，不仅可以直接对接数据采集成果，还可以直接计算获得冲刷成果，避免了数据传递、人为操作造成的计算错误。高效、准确的进行多方法的冲刷成果比较，为工程实践提供有力支撑。
附图说明
图1所示是本发明具体实施例的某海上风电场桩基局部冲刷计算流程图；
图2所示是本发明具体实施例的系统模块示意图；
图3所示是本发明具体实施例的某海上风电场海床地形图与海流观测测点位置图；
图4所示是本发明具体实施例的潮流、风海流与波生流的流速矢量合成示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例一、基于海流设计流速的海床基础局部冲刷深度确定方法，本实施例以某海上风电场桩基局部冲刷计算为例，计算流程如图1所示，包括以下步骤：根据预先确定的设计潮位条件下工程海域水深的分层方法，分层采集海流观测数据；采集工程海域现场测风数据、海床地形信息以及确定设计波要素；
根据采集到的海流观测数据经调和分析得到潮流椭圆参数；根据获得的潮流椭圆参数判别各分层的潮流类型，计算各分层不同潮流类型的潮流可能最大流速矢量并确定各分层潮流可能最大流速矢量的垂线平均流速矢量；根据测得的工程海域现场测风数据确定风海流流速矢量；根据确定的设计波要素计算波生流设计流速矢量；根据计算获得的各分层潮流可能最大流速矢量的垂线平均流速矢量、风海流流速矢量与波生流设计流速矢量合成获得海流设计流速；
根据海流设计流速确定海床基础局部冲刷深度。
本发明中潮流椭圆参数是在各个分层上的实测潮流资料经调和分析得来的，各个层上的潮流椭圆参数不同。分层只涉及潮流流速的计算。调和分析得到潮流椭圆参数是领域内的公知常识，在本申请中不过多解释。风海流、波生流计算结果为垂线平均值，不涉及分层计算。最终通过各分层的潮流可能最大流速矢量加权计算得到垂向上的平均流速矢量(也就是垂线平均流速矢量)，然后再与波生流设计流速矢量、风海流流速矢量进行矢量叠加获得海流设计流速。冲刷是基于叠加后的流速计算，不涉及分层概念。
本实施例中某海上风电场设计高潮位下，相应水深为26.3m，按照《海上风电场海洋水文观测规范》采用六点法进行观测分层。可选地当水深大于6米采用六点法进行观测分层，否则采用3点法进行观测分层。工程海域实施冬季全潮海洋水文测验，测站C1位于场址海域中央(图3)。用准调和分析方法进行海流观测数据资料整理分析，各分层主要分潮流椭圆要素列于表1。
表1 C1测站各分层主要分潮流椭圆要素表
Figure BDA0002638107570000091
注：流向i为从N向起按顺时针旋转的角度。
根据工程海域一整年现场测风，中央测风塔10m高度各月平均风速列于表2。
表2某风电场海域中央测风塔10m高度各月平均风速
Figure BDA0002638107570000092
另据统计，1949～2017年间共有106个热带气旋经过工程海域，在全年5～12月均有出现，大部分热带气旋集中于7月～9月出现，并在8月达到活动的最高峰，占比24.6％，7月为次高峰，占比25.5％。因此确定工程海域热带气旋影响期为7月～9月，上述3个月相应平均风速为5.0m/s，盛行风风向在ENE～NE之间，约60°。强浪季与热带气旋引起的大风发生时间一致，因此选取强浪季的平均风速按5.0m/s，风向按60°取值。
根据本工程波浪专题研究，工程海域设计高潮位(累积频率10％的高潮位)下，C1测站100年一遇、50年一遇设计波要素分别列于下表：
表3 C1测站100年一遇、50年一遇设计波要素成果表(潮位：设计高潮位；相应水深26.3m)
Figure BDA0002638107570000101
采用表1数据代入式(1)计算，各分层潮流类型判别系数列于
表4：
Figure BDA0002638107570000111
式中，K为潮流类型判别系数；
Figure BDA0002638107570000112
为主太阴日分潮流的椭圆长半轴长度；
Figure BDA0002638107570000113
为太阴太阳赤纬日分潮流的椭圆长半轴长度；
Figure BDA0002638107570000114
为主太阴半日分潮流的椭圆长半轴长度。
本实施例设定：K≤0.5，判定为规则半日潮流；0.5<K≤2.0，判定为不规则半日潮流；2.0<K≤4.0，判定为不规则全日潮流；4.0<K，判定为规则全日潮流。
潮流流速的计算前提是判断潮流的类型，本发明中不同的类型计算方法不同。调和分析是判断潮流类型的基础，基于调和分析的结果，采用以上公式计算成果判断潮流类型。
表4各分层潮流类型判别系数K值
Figure BDA0002638107570000115
K值在0.10～0.27之间，由此判定属于规则半日潮流型。
本风电场海域潮流类型按上文判定为规则半日潮流型，另根据本海域三个潮位站的主要分潮潮位振幅计算的潮汐类型判别系数K＝1.06～1.95，判定本海域潮汐属于不规则半日潮汐型。可见本海域潮流和潮汐的类型不一致。
计算各分层不同潮流类型的潮流可能最大流速矢量，本例中各分层次潮流可能最大流速矢量计算采用正交分解法：分别以流向N和流向E作为纵、横坐标，建立平面直角坐标系；分层次对各主要分潮潮流的椭圆长半轴矢量进行分解，分别计算其投影在N方向和E方向的分量；乘以各项系数后按N方向和E方向分别求和；最后进行矢量合成，利用反函数并基于分量象限判断推算合成流的流向。
本例所在海域属于规则半日潮流，采用式(2)分层计算第k层潮流可能最大流速矢量，公式(2)如下所示：
Figure BDA0002638107570000121
若各分层的潮流类型一致，则计算潮流可能最大流速矢量的公式也一样。
以0.6d层为例，潮流可能最大流速矢量列表计算如下：
表5 C1测站潮流可能最大流速矢量计算表(0.6d层)
Figure BDA0002638107570000122
表5备注：本表各分潮流的椭圆长半轴的长度与其方向的数值，一起组成该分潮流的椭圆长半轴矢量，例如
Figure BDA0002638107570000131
的椭圆长半轴的长度为3.9cm/s、方向为225°。
其余层次的潮流可能最大流速矢量计算表与此一致，故略去。
按上文方法逐层计算潮流可能最大流速矢量，进而采用六点法公式计算垂线平均流速矢量，也就是按照前文所述的分层方法(三点法、六点法)对各分层可能最大流速矢量加权平均，计算潮流可能最大垂线平均流速矢量。将陆地河流垂线平均流速矢量计算六点法公式改用矢量表达，即式(7)。各分层潮流可能最大流速矢量及其垂线平均流速矢量计算过程一并列于下表。
六点法计算公式：
Figure BDA0002638107570000132
式中，
Figure BDA0002638107570000133
—水深为0(即海面)处的可能最大流速矢量，
Figure BDA0002638107570000134
—水深为自海面往下0.2倍水深处的可能最大流速矢量，其余符号含义类推。
如果采用三点法，则潮流垂线平均流速矢量计算按照如下公式如下：
三点法计算公式：
Figure BDA0002638107570000135
表6 C1测站潮流可能最大垂线流速矢量计算表
Figure BDA0002638107570000141
由上表计算成果可见，本海域潮流可能最大垂线平均流速矢量与0.8d层非常接近。
工程海域热带气旋影响期为7月～9月，相应海面10m高度平均风速为5.0m/s，盛行风风向在ENE～NE之间，约60.0°。据此计算强浪季节风海流流速，其中风流转换系数K本例取0.030，则风海流的流速值如下。
Vu＝MU＝0.03×5.0＝0.15m/s
根据上式计算所得流速与海床等深线方向一起组成风海流流速矢量
Figure BDA0002638107570000142
风海流流向按近似与等深线方向一致，根据图2，本例风海流流向约60.0°，也与本海域盛行ENE～NE的风向基本一致。
根据式(5)计算100年一遇、50年一遇各波向波生流设计流速矢量。
根据现行《港口与航道水文规范》JTS 145-2015第6.2.4条和现行《海堤工程设计规范》GB/T 51015-2014第6.1.2条的规定，对海上直墙式和墩柱式的基床、基础垫层和护底块石的稳定性波高累积频率j取5％。JTS 145-2015第6.2.4条相应条文说明为“直墙式和墩柱式建筑物基床的护面块石或人工块体的设计波高采用H5％，主要是考虑它的损坏将影响整个建筑物的安全。
海上风电基础一般为墩柱式，冲刷影响基础的稳定性，因此本实施例采用累积频率5％，所以式(5)为下式形式，成果分列于表7，其中波生流流向与来波方向一致。
Figure BDA0002638107570000151
表7 C1测站波生流各主要波向设计流速矢量成果表
Figure BDA0002638107570000161
对比可见，本算例以式
Figure BDA0002638107570000162
计算的波生流设计流速大于式
Figure BDA0002638107570000163
计算成果，取其中大值。
按下式(本实施例中累积频率5％)将风电场海域C1测站波生流100年一遇、50年一遇各主要来波方向(E～S～WSW)的设计流速按上文所示的正交分解、分量求和再合成的过程分别与潮流可能最大垂线平均流速矢量、风海流流速矢量进行矢量合成，选择流速值最大的流速值作为海流设计流速，按下式计算，结果列于表8。
Figure BDA0002638107570000171
VR,i为重现期为R年流向为i的海流设计流速模；VR为重现期为R年的海流设计流速；θR为重现期为R年的海流设计流速相应流向；
Figure BDA0002638107570000172
为综合考虑各种误差和忽略项的安全系数，
Figure BDA0002638107570000173
为潮流可能最大流速矢量的垂线平均流速矢量，
Figure BDA0002638107570000174
为风海流流速矢量，
Figure BDA0002638107570000175
为波生流设计流速矢量。
表8 C1测站潮流、风海流与波生流的矢量合成结果
Figure BDA0002638107570000176
以重现期100年为例，矢量叠加过程参见图4(本例只显示了三个合成流速较大的方向)。
由图表成果可知，潮流、风海流与波生流的矢量合成后，工程海域C1测站100年一遇、50年一遇海流设计最大流速分别为181.42cm/s和172.91cm/s，合成流流向均在20°附近。合成流流速大于C1测站冬季实测大潮最大垂线平均流速(77cm/s)。
本组合方法忽略了潮余流和密度流，并考虑如波生流流向概化误差等，安全放大系数
Figure BDA0002638107570000181
取1.10，则根据式(6)计算，工程海域C1测站100年一遇、50年一遇海流设计最大流速分别为2.00m/s和1.90m/s，相应流向均在20°(即θR＝20°)附近，用于海上风电场海床基础局部冲刷计算。
下文以100年一遇基础冲刷为例说明局部冲刷计算过程，基础形式为直桩，桩径2.3m。由案例可知，风电场海域设计高潮位下水深为26.3m(表3)，100年一遇海流设计最大流速为2.00m/s，相应流向为20°(接近NNE，22.5°)，则来波方向对应为SSW(202.5°)，对应的设计波要素在表3中选取，具体输入参数如下表所示。
表9海床基础局部冲刷计算的输入参数
参数 取值 参数 取值
水深(m) 26.3 中值粒径mm 0.09
波高(m) 5.46 密度kg/m<sup>3</sup> 2650
周期(s) 9.8 海水密度(kg/m<sup>3</sup>) 1025
海流流速(m/s) 2 海水粘滞系数(m<sup>2</sup>/s) 1.00E-06
本例中基础局部冲刷深度的经验方法选取了以下三种：①65-2式、②65-1修正式、③韩海骞公式。
我国《公路工程水文勘测设计规范》(JTG C30—200)中推荐使用的非黏土河床桥墩局部冲刷计算公式为65-2式和65-1修正式。65-2式表示为：
Figure BDA0002638107570000191
式中，hb为桥墩局部冲刷深度；V为一般冲刷后墩前行近流速，实施例中V＝VR；Kε为墩形系数；Kη2＝0.0023d50 -2.2+0.375d50 0.24，为河床颗粒影响系数，d50为河床泥沙中值粒径；B1为桥墩计算宽度；hp为一般冲刷后的最大水深；V0＝0.28(d50+0.7)0.5，为河床泥沙起动流速；V′0＝0.12(d50+0.5)0.55，为墩前泥沙起冲流速；
Figure BDA0002638107570000192
为指数。
65-1修正式可以表示为：
Figure BDA0002638107570000193
式中，Kη1＝0.8(d50 -0.45+d50 -0.15)，为河床颗粒影响系数；
Figure BDA0002638107570000194
V′0＝0.462(d50/B1)0.06V0；
Figure BDA0002638107570000195
韩海骞通过实测数据和水槽物理模型试验，采用因次分析法获得了潮流作用下的基础局部冲刷公式，在实际工程中也得到了广泛应用，其表达式为：
Figure BDA0002638107570000196
式中，hb—潮流作用下基础冲刷深度(m)；d—全潮最大水深(m)；B—全潮最大水深条件下平均阻水宽度，即墩宽或桩径(m)；d50—泥沙颗粒中值粒径(m)；Fr—水流Froude数，
Figure BDA0002638107570000201
V为一般冲刷后墩前行近流速(m/s)，实施例中V＝VR；g—重力加速度(m/s2)；k1—基础桩平面布置系数，条带型取1.0，梅花型取0.862；k2—基础桩垂直布置系数，直桩取1.0，斜桩取1.176，VR为重现期为R年的海流设计流速。
采用65-2式计算，河床泥沙起动流速V0＝0.28×(0.09+0.7)0.5＝0.249m/s，墩前泥沙起冲流速V′0＝0.12×(0.09+0.5)0.5＝0.092m/s，墩前行近流速V按100年一遇海流设计最大流速2.00m/s取值。河床颗粒影响系数Kη2＝0.0023×0.09-2.2+0.375×0.090.24＝0.67，hp按26.3m取值，圆柱体桩基的墩形系数Kε按1.0取值，指数n＝(0.249/2.00)^(0.23+0.19lg0.09)＝0.937。按照式(10)，计算得到基础局部冲刷深度为12.15m。
采用65-1修正式计算，河床泥沙起动流速V0＝0.0246×(26.3/0.09)0.14×(332×0.09+(10+26.3)/0.09)^0.5＝1.138m/s，墩前泥沙起冲流速V′0＝0.462×(0.09/2.3)0.06×1.138＝0.433m/s，墩前行近流速V按100年一遇海流设计最大流速2.00m/s取值。河床颗粒影响系数Kη2＝0.8×(0.09-0.45+0.09-0.15)＝3.512，hp按26.3m取值，圆柱体桩基的墩形系数Kε按1.0取值，指数n＝(1.138/2.00)^(0.25×0.090.19)＝0.915。按照式(11)，计算得到基础局部冲刷深度为18.84m。
采用韩海骞公式计算，k1、k2均取1.0，水流Froude数Fr＝2/(9.81×26.3)＝0.125，H按26.3m取值。按照式(12)，计算得到局部冲刷深度为6.84m。
综上罗列上述方法的海床基础局部冲刷成果，如下表所示。
表10海床基础局部冲刷计算成果
方法 冲刷成果(m)
65-2式 12.15
65-1修正式 18.84
韩海骞方法 6.84
实施例二、与实施例一对应的，本实施例提供了基于海流设计流速的海床基础局部冲刷深度确定系统，如图2所示，包括：海洋水文气象条件采集装置、潮流类型分析模块、海流设计流速确定模块和基础局部冲刷深度确定模块；
所述海洋水文气象条件采集装置，用于根据预先确定的设计潮位条件下工程海域水深的分层方法，分层采集海流观测数据；采集工程海域现场测风数据、海床地形信息以及确定设计波要素；
所述潮流类型分析模块，用于根据采集到的海流观测数据经调和分析得到潮流椭圆参数；根据获得的潮流椭圆参数判别各分层的潮流类型；
所述海流设计流速确定模块，用于计算各分层不同潮流类型的潮流可能最大流速矢量并确定各分层潮流可能最大流速矢量的垂线平均流速矢量；根据采集的工程海域现场测风数据和海床地形信息确定风海流流速矢量；根据确定的设计波要素计算波生流设计流速矢量；根据计算获得的各分层潮流可能最大流速的垂线平均流速矢量、风海流流速矢量与波生流设计流速矢量合成获得海流设计流速；
所述海床基础局部冲刷深度确定模块，用于根据海流设计流速模及流向确定海床基础局部冲刷深度。
在具体实施例中，所述海洋水文气象条件采集装置，包括：海流水文测验成果采集子模块、强浪季节平均风速采集子模块、设计波要素采集子模块。
海流水文测验成果采集子模块根据工程海域的水深条件，采用不同的分层方法采集潮流椭圆要素。当水深d≤5m时，采用三点法分层采集数据，观测层次分别为0.2d、0.6d、0.8d；当水深d＞5m且≤50m时，采用六点法分层采集数据，观测层次分别为表层、0.2d、0.4d、0.6d、0.8d、底层。需要说明的是表层指水面以下0.5m处的水层；底层指离海底0～1.0m处的水层；0.2d、0.4d、0.6d、0.8d分别指水面以下0.2d、0.4d、0.6d、0.8d深度处的水层，d指总水深；观测底层时，应保证仪器不触底。采集夏、冬两季各连续观测1个完整的大、中、小潮潮期的全潮数据(包括水深、水温、盐度、含沙量、海流、风速、风向等要素)。
强浪季节平均风速采集子模块，采集工程海域一整年现场的测风数据，包括风速、风向，测风高度均为海平面以上10m高度处。根据波浪的统计成果或热带气旋等发生的频次确定强浪季，同时进行统计各个月份的平均风速值，加权平均计算强浪季对应月份的平均风速及风向(来风方向)。
设计波要素采集子模块，根据工程海域波浪专题研究成果，采集工程海域设计高潮位(累积频率10％的高潮位)下，波浪测站不同重现期的设计波要素。设计波要素包括来波方向、平均波高、有效波高、累积频率5％波高、累积频率1％波高、平均周期、波长。根据采集成果，按照风、波方向一致的选择，挑选对应的设计波要素。
潮流类型分析模块主要对各分层上的全潮测验成果进行调和分析，并判断潮流的类型。根据采集到的全潮数据进行潮流的调和分析计算，得出不同分层上各个分潮流的椭圆要素，即分潮(O1、K1、M2、S2、M4、MS4)的流速、流向。计算各分层潮流类型的判别系数K值，根据K值判断潮流的类型(潮流类型有：规则半日潮流、规则全金日潮流、不规则半日潮流、不规则全日潮流)。
所述海流设计流速模及流向确定模块包括海流设计最大流速计算模块、潮流可能最大垂线平均流速计算子模块、风海流流速矢量计算子模块、波生流设计流速矢量计算子模块以及潮流、风海流与波生流的矢量合成子模块。
海流设计最大流速计算模块包括：潮流可能最大垂线平均流速计算子模块；风海流流速矢量计算子模块；波生流设计流速矢量计算子模块；潮流、风海流与波生流的矢量合成子模块。
潮流可能最大垂线平均流速计算子模块，根据潮流类型分析模块判断的潮流不同类型，选取不同的各分层可能最大流速计算方法，再按照前文所述的分层方法(三点法、六点法)对各分层可能最大流速加权平均，计算潮流可能最大垂线平均流速。
风海流流速矢量计算子模块根据海流强浪季平均风速采集子模块挑选的海流强浪季的平均风速、风向，进行风海流流速矢量的计算。
波生流设计流速矢量计算子模块根据设计波要素采集子模块挑选的设计波要素进行波生流设计流速的计算。
潮流、风海流与波生流的矢量合成子模块按照潮流可能最大垂线平均流速计算子模块、风海流流速矢量计算子模块、波生流设计流速矢量计算子模块计算得到的流速进行矢量计算，并选择流速值最大的流速作为海流设计流速。
海床基础局部冲刷深度确定模块提供多种基础局部冲刷的计算方法，按照各个模块的计算成果作为该模块的输入条件，进行多方法的基础局部冲刷计算成果的输出，供工程师或生产实践使用。
本实施例中各个模块的具体实现方法与实施例一中的方法一一对应，在本实施例中不再介绍。
发明为从事海床基础局部冲刷计算的技术人员提供一种理想的、明确的计算手段与方法，提高设计质量和效率。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (10)

1.基于海流设计流速的海床基础局部冲刷深度确定方法，其特征在于，包括以下步骤：
根据预先确定的设计潮位条件下工程海域水深的分层方法，分层采集海流观测数据；采集工程海域现场测风数据、海床地形信息以及确定设计波要素；
根据采集到的海流观测数据经调和分析得到潮流椭圆参数；根据获得的潮流椭圆参数判别各分层的潮流类型，计算各分层不同潮流类型的潮流可能最大流速矢量并确定各分层潮流可能最大流速矢量的垂线平均流速矢量；根据采集的工程海域现场测风数据和海床地形信息确定风海流流速矢量；根据确定的设计波要素计算波生流设计流速矢量；
根据计算获得的各分层潮流可能最大流速矢量的垂线平均流速矢量、风海流流速矢量与波生流设计流速矢量合成获得海流设计流速；根据海流设计流速确定海床基础局部冲刷深度。
2.根据权利要求1所述的基于海流设计流速的海床基础局部冲刷深度确定方法，其特征在于，所述潮流类型包括规则的半日潮流、不规则的半日潮流、规则的全日潮流和不规则的全日潮流；判别潮流类型的具体方法如下：
Figure FDA0002638107560000011
式中，K为潮流类型判别系数；
Figure FDA0002638107560000012
为主太阴日分潮流的椭圆长半轴长度；
Figure FDA0002638107560000021
为太阴太阳赤纬日分潮流的椭圆长半轴长度；
Figure FDA0002638107560000022
为主太阴半日分潮流的椭圆长半轴长度；
K小于等于第一设定值，则判定为规则半日潮流；K大于第一设定值且小于等于第二设定值，则判定为不规则半日潮流；K大于第二设定值且小于等于第三设定值，判定为不规则全日潮流；K大于第三设定值，判定为规则全日潮流。
3.根据权利要求1所述的基于海流设计流速的海床基础局部冲刷深度确定方法，其特征在于，根据不同分层的潮流类型，计算各分层的潮流可能最大流速矢量具体包括：
对规则半日潮流海区，各分层的潮流可能最大流速矢量按下式计算
Figure FDA0002638107560000023
式中，
Figure FDA0002638107560000024
为潮流可能最大流速矢量；通过潮流的调和分析得到以下参数：
Figure FDA0002638107560000025
为主太阴半日分潮流的椭圆长半轴矢量；
Figure FDA0002638107560000026
为主太阳半日分潮流的椭圆长半轴矢量；
Figure FDA0002638107560000027
为太阴太阳赤纬日分潮流的椭圆长半轴矢量；
Figure FDA0002638107560000028
为主太阴日分潮流的椭圆长半轴矢量；
Figure FDA0002638107560000029
为主太阴四分之一日分潮流的椭圆长半轴矢量；
Figure FDA00026381075600000210
为太阴太阳四分之一日分潮流的椭圆长半轴矢量；
对规则全日潮流海区可按下式计算
Figure FDA00026381075600000211
对不规则半日潮流海区和不规则全日潮流海区，采用式(2)和式(3)中的大值；
对每一层潮流均按式(2)或式(3)等计算各分层潮流可能最大流速矢量。
4.根据权利要求1所述的基于海流设计流速的海床基础局部冲刷深度确定方法，其特征在于，对各分层不同潮流类型的潮流可能最大流速矢量，采用加权平均计算方法确定各分层潮流可能最大流速矢量的垂线平均流速矢量
Figure FDA0002638107560000031
5.根据权利要求1所述的基于海流设计流速的海床基础局部冲刷深度确定方法，其特征在于，根据测得的风速数据确定风海流流速矢量
Figure FDA0002638107560000032
的方法如下：
计算风海流流速Vu，计算公式如下：
Vu＝MU (4)
式中，Vu为风海流流速；M为系数，U为平均海面上选定高处的选定时间内的平均风速；
根据式(4)计算所得流速与海床等深线方向一起组成风海流流速矢量
Figure FDA0002638107560000033
6.根据权利要求1所述的基于海流设计流速的海床基础局部冲刷深度确定方法，其特征在于，用方向i上的重现期R年累积频率j的设计波要素计算波生流设计流速矢量
Figure FDA0002638107560000034
按下式计算：
Figure FDA0002638107560000035
式中，Li为方向i上的波长；Ti为方向i上的波周期；g为当地的重力加速度；d为计算点总水深，HR,j,i为方向i上的重现期R年累积频率为j的波高。
7.根据权利要求1所述的基于海流设计流速的海床基础局部冲刷深度确定方法，其特征在于，根据计算获得的各分层潮流可能最大流速矢量的垂线平均流速矢量、风海流流速矢量与波生流设计流速矢量合成获得海流设计流速的表达式如下：
Figure FDA0002638107560000041
式中，VR,i为重现期为R年流向为i的海流设计流速模；VR为重现期为R年的海流设计流速；θR为重现期为R年的海流设计流速相应流向；
Figure FDA0002638107560000042
为综合考虑各种误差和忽略项的安全系数，
Figure FDA0002638107560000043
为潮流可能最大流速矢量的垂线平均流速矢量，
Figure FDA0002638107560000044
为风海流流速矢量，
Figure FDA0002638107560000045
为波生流设计流速矢量。
8.根据权利要求1所述的基于海流设计流速的海床基础局部冲刷深度确定方法，其特征在于，所述设计波要素包括来波方向上的波浪重现期、平均波高、有效波高、累积频率的波高、平均周期和波长。
9.基于海流设计流速的海床基础局部冲刷深度确定系统，其特征在于，包括：海洋水文气象条件采集装置、潮流类型分析模块、海流设计流速确定模块和海床基础局部冲刷深度确定模块；
所述海洋水文气象条件采集装置，用于根据预先确定的设计潮位条件下工程海域水深的分层方法，分层采集海流观测数据；采集工程海域现场测风数据、海床地形信息以及确定设计波要素；
所述潮流类型分析模块，用于根据采集到的海流观测数据经调和分析得到潮流椭圆参数；根据获得的潮流椭圆参数判别各分层的潮流类型；
所述海流设计流速确定模块，用于计算各分层不同潮流类型的潮流可能最大流速矢量并确定各分层潮流可能最大流速矢量的垂线平均流速矢量；根据采集的工程海域现场测风数据和海床地形信息确定风海流流速矢量；根据确定的设计波要素计算波生流设计流速矢量；根据计算获得的各分层潮流可能最大流速矢量的垂线平均流速矢量、风海流流速矢量与波生流设计流速矢量合成获得海流设计流速；
所述海床基础局部冲刷深度确定模块，用于根据海流设计流速确定海床基础局部冲刷深度。
10.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1～8任意一项权利要求所述方法的步骤。
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