CN115906715B - 一种波浪作用下可压缩淤泥质海床土体运动速度计算方法及系统 - Google Patents

一种波浪作用下可压缩淤泥质海床土体运动速度计算方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种波浪作用下可压缩淤泥质海床土体运动速度计算方法，包括采集波浪要素；采集可压缩淤泥质海床土体参数；建立空间和时间坐标系，构造可压缩淤泥质海床运动相关的无因次变量；计算波浪与可压缩海床相互作用过程中的波数；计算影响可压缩淤泥质海床土体运动的相关参数；计算可压缩淤泥质海床土体运动速度。本发明通过全新的波浪作用下可压缩淤泥质海床土体运动速度解析解计算海床土体的运动速度，克服了试验观测方法干扰大，成本高，精度低的技术不足，相比于数值模拟方法，本发明具有计算速度快的优势，计算结果能为实际海岸工程选址和淤泥质海岸泥沙输移研究提供参考。

Description

一种波浪作用下可压缩淤泥质海床土体运动速度计算方法及 系统
技术领域
本发明属于海洋土力学计算技术领域，具体涉及一种波浪作用下可压缩淤泥质海床土体运动速度计算方法及系统。
背景技术
淤泥质海床在我国广泛存在，波浪与淤泥质海床相互作用是港口、海岸及近海工程研究领域的关键科学问题之一。波浪与海床相互作用可能导致海床土体软化，波浪与可压缩的淤泥质海床相互作用可以导致海床土体运动，土体运动对海岸泥沙冲淤演变具有重要影响，也会威胁工程结构物的安全和港口航道的运行。
海床土体内通常含少量空气，这些空气可以显著降低孔隙流体的压缩系数，比如纯水的压缩系数为2×109 Pa，但在10m水深条件下，当海床土体的饱和度由1减小为0.99时，孔隙流体的压缩系数降低为1×107 Pa，降低了两个数量级。而现场观测资料表明，淤泥质海床内土体饱和度较小，甚至可能小于0.9。因此，波浪与淤泥质海床相互作用时需要考虑海床土体压缩性的影响，而前人所提出的土体运动速度计算方法均未考虑压缩性的影响。
目前，波浪作用下淤泥质海床土体运动速度的计算方法大概分成两类，一类是通过数值模拟方法进行计算，另一类是采用前人基于波浪作用下淤泥质海床土体运动速度的解析解进行快速计算。然而，数值评估方法需要进行大量数值计算，评估速度相对较慢。此外，前人提出的解析理论计算方法均未考虑淤泥质海床土体压缩性的影响。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种波浪作用下可压缩淤泥质海床土体运动速度的计算方法及装置，旨在解决现有技术中如下技术问题：
（1）采用数值评估方法计算海床土体运动速度时，需要进行大量数值计算，评估速度相对较慢的问题。
（2）采用常规的海床土体运动模型计算时海床土体运动速度时，没有考虑淤泥质海床土体压缩性的影响，导致海床土体运动速度计算误差较大的问题。
本发明采取以下技术方案实现：
一种波浪作用下可压缩淤泥质海床土体运动速度的计算方法，包括如下步骤：
采集波浪要素，所述波浪要素包括水深h′，波高A、波浪频率ω和海水密度ρ w ；
采集可压缩淤泥质海床土体参数，所述土体参数包括海床厚度d′、土颗粒密度
Figure SMS_1
、泊松比/>
Figure SMS_2
、土体粘度μ、剪切模量G、饱和度Sr和孔隙率n；
建立空间坐标系和时间坐标系，构造可压缩淤泥质海床运动相关的无因次变量，所述无因次变量包括海床土体运动水平速度、海床土体运动垂直速度、水深、海床厚度、空间坐标和时间；
计算波浪与可压缩淤泥质海床相互作用过程中的波数k；
计算影响可压缩淤泥质海床土体运动的相关参数；
结合土体参数、波浪要素和相关参数，建立可压缩淤泥质海床土体运动模型，计算海床土体运动速度。
为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
进一步地，构造波浪作用下海床土体运动速度相关的无因次变量，具体构造如下：
Figure SMS_3
（1）
其中：x′表示波浪的传播距离，x表示波浪传播距离的无因次变量，Z′表示土体所在位置离海床表面距离的相反数，Z表示土体所在位置离海床表面距离的相反数的无因次变量，h′表示海水深度，h表示海水深度的无因次变量，t′表示波浪传播时间，t表示波浪传播时间的无因次变量，d′表示海床厚度，d表示海床厚度的无因次变量，u′表示海床土体运动的水平速度，u表示海床土体运动水平速度的无因次变量，w′表示海床土体运动的垂直速度，w表示海床土体运动垂直速度的无因次变量，g为重力加速度，A为波浪的波幅，ω为波浪频率。
进一步地，计算波浪与可压缩淤泥质海床相互作用过程中的波数k，具体为：
Figure SMS_4
（2）
Figure SMS_5
（3）
Figure SMS_6
（4）
Figure SMS_7
（5）
Figure SMS_8
（6）
Figure SMS_9
（7）
其中：i为虚数单位，μ 1，μ 2，Ma、Ca、K和λ均表示常数，Ks表示孔隙流体的体积压缩模量，Kw表示水的体积压缩模量，
Figure SMS_10
表示土体泊松比，G表示海床土体剪切模量，μ表示海床土体粘度，n表示海床土体孔隙率，ω表示波浪频率，Sr表示海床土体饱和度，h表示海水深度的无因次变量，ρ w 为海水密度，ρ s 为土颗粒密度，q表示相对水深，Q和/>
Figure SMS_11
为中间变量。
进一步地，所述第一参数C1、第二参数C2和第三参数C3的计算过程如下，
Figure SMS_12
（8）/>
Figure SMS_13
（9）
Figure SMS_14
（10）
Figure SMS_15
（11）
其中：p b 表示海床表面动水压强的无因次变量。
进一步地，结合土体参数、波浪要素和相关参数，建立可压缩淤泥质海床土体运动模型，计算海床土体运动速度，具体为：
建立可压缩淤泥质海床土体水平运动模型，计算水平速度u；
建立可压缩淤泥质海床土体垂直运动模型，计算垂直速度w；
根据水平速度u和垂直速度w构建不同时刻下土体运动速度的垂向分布图和空间等值线图，分析海床土体的运动状况。
进一步地，建立可压缩淤泥质海床土体水平运动模型，计算水平速度u，具体为：
Figure SMS_16
（12）。
进一步地，建立可压缩淤泥质海床土体垂直运动模型，计算垂直速度u，具体为：
Figure SMS_17
（13）。
一种波浪作用下可压缩淤泥质海床土体运动速度计算系统，包括，
信息收集模块一，用于采集波浪的波浪要素，发送给构造模块；
信息收集模块二，用于采集可压缩淤泥质海床的土体参数，发送给构造模块；
构造模块，用于根据波浪的波浪要素、海床的土体参数，构造波浪作用下可压缩淤泥质海床土体运动速度相关的无因次变量；
处理模块，建立可压缩淤泥质海床土体运动模型，用于计算波浪作用下可压缩淤泥质海床土体运动速度；
存储模块，用于存储波浪作用下可压缩淤泥质海床土体运动速度计算结果。
本发明的有益效果：
相比现有技术而言，本发明的一种波浪作用下可压缩淤泥质海床土体运动速度计算方法，相比于数值模拟方法，本发明通过波浪作用下可压缩淤泥质海床土体运动速度全新解析解快速计算海床土体运动速度，相比与数值模拟方法具有计算速度快、节省资源的优势。同时本发明解决了传统解析解计算方法无法考虑海床压缩性影响的缺陷，具有计算精度高、适用范围广、更符合工程实际的优势。本发明能为实际海岸工程选址和淤泥质海岸泥沙输移研究提供参考。
附图说明
图1是本发明第一实施方式提供的一种波浪作用下可压缩淤泥质海床土体运动速度计算方法的流程结构图。
图2是本发明波浪作用下可压缩淤泥质海床土体运动速度不同时刻垂向分布图。
图3是本发明波浪作用下可压缩淤泥质海床土体运动速度空间等值线图。
图4 是本发明第二实施方式提供的一种波浪作用下可压缩淤泥质海床土体运动速度计算模型的流程图。
图5是本发明第三实施方式提供的一种网络侧服务端的结构示意图。
实施方式
为了阐明本发明的技术方案和工作原理，下面结合附图与具体实施例对本发明作进一步详细描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。
第一实施方式：
本发明提供了如图1-3所示的一种波浪作用下可压缩淤泥质海床土体运动速度计算方法，包括如下步骤：
步骤S1：采集波浪要素，所述波浪要素包括水深h′，波高A、波浪频率ω和海水密度ρ w 。
具体而言：波浪的波浪要素可以通过波浪观测仪器进行采集，例如资料浮标、水压式波浪计、重力测波仪、遥感测波仪以及声学式测波仪等。
步骤S2：采集可压缩淤泥质海床土体参数，所述土体参数包括海床厚度d′、土颗粒密度
Figure SMS_18
、泊松比/>
Figure SMS_19
、土体粘度μ、剪切模量G、饱和度Sr和孔隙率n。
具体而言：海床的土体特征通过现场勘探与取样测量获得。
步骤S3：建立空间坐标系和时间坐标系，构造可压缩淤泥质海床运动相关的无因次变量，所述无因次变量包括海床土体运动水平速度、海床土体运动垂直速度、水深、海床厚度、空间坐标和时间。
具体而言：波浪作用下可压缩淤泥质海床土体运动速度相关的无因次变量用于分析波浪在不同空间坐标位置和不同时间状态下所引起的可压缩淤泥质海床土体运动速度的对应关系，其中空间坐标、时间、水深、海床厚度、海床土体运动水平速度和垂直速度均为带有物理单位的量纲值，为了普适性，需要对空间坐标、时间、水深、海床厚度、海床土体运动水平速度和垂直速度进行无量纲标准化，
Figure SMS_20
（1）
其中：x′表示波浪的传播距离，x表示波浪传播距离的无因次变量，Z′表示土体所在位置离海床表面距离的相反数，Z表示土体所在位置离海床表面距离的相反数的无因次变量，h′表示海水深度，h表示海水深度的无因次变量，t′表示波浪传播时间，t表示波浪传播时间的无因次变量，d′表示海床厚度，d表示海床厚度的无因次变量，u′表示海床土体运动的水平速度，u表示海床土体运动水平速度的无因次变量，w′表示海床土体运动的垂直速度，w表示海床土体运动垂直速度的无因次变量，g为重力加速度，A为波浪的波幅，ω为波浪频率。
步骤S4：计算波浪与可压缩淤泥质海床相互作用过程中的波数k。
具体而言：波浪在海床上的运动由波浪的频散关系决定，通过波浪频散关系可以计算波浪的波数k，在波数的计算过程中，需要考虑海床的压缩，海床的压缩主要是因为波浪作用下孔隙流体体积被压缩，压缩体积可以通过无量纲参数Ma表征。而海床土体的压缩对波浪的运动会产生重要影响，本发明在波浪与可压缩性淤泥质海床相互作用的频散关系中考虑了海床土体压缩性的影响，合理地增加了含Ma的作用项，通过新的频散关系可以更加准确地计算波浪与可压缩淤泥质海床相互作用过程中的波数k。
Figure SMS_21
（2）
Figure SMS_22
（3）
Figure SMS_23
（4）
Figure SMS_24
（5）
Figure SMS_25
（6）
Figure SMS_26
（7）
其中：i为虚数单位，μ 1，μ 2，Ma、Ca、K和λ均表示常数，Ks表示孔隙流体的体积压缩模量，Kw表示水的体积压缩模量，
Figure SMS_27
表示土体泊松比，G表示海床土体剪切模量，μ表示海床土体粘度，n表示海床土体孔隙率，ω表示波浪频率，Sr表示海床土体饱和度，h表示海水深度的无因次变量，ρ w 为海水密度，ρ s 为土颗粒密度，q表示相对水深，Q和/>
Figure SMS_28
为中间变量。
步骤S5：计算影响可压缩淤泥质海床土体运动的相关参数，所述相关参数包括第一参数C1、第二参数C2和第三参数C3。
具体而言：在计算可压缩淤泥质海床土体运动速度时，需要计算一些相关参数，包括C1、C2、C3，上述相关参数主要由波浪要素和海床土体参数确定，与时间和空间变量无关。
S51：计算第一参数C1，
Figure SMS_29
（8）/>
S52：计算第二参数C2，
Figure SMS_30
（9）
S53：计算第三参数C3，
Figure SMS_31
（10）
Figure SMS_32
（11）
其中：p b 表示海床表面动水压强的无因次变量。
步骤S6：结合土体参数、波浪要素和相关参数，建立可压缩淤泥质海床土体运动模型，计算海床土体运动速度。
具体而言：首先，在波浪的冲击下，海床土体的运动是复杂的，包括水平方向和垂直方向，因此需要分别根据水平方向和垂直方向的运动模型进行计算，最终才能得到海床土体的实际运动速度。其次，在进行海床土体运动速度分析时，为了更加直观的表现海床土体运动情况，根据海床土体的实际运动速度获得垂向分布图和空间等值线图。
建立海床土体运动模型，包括水平运动模型和垂直运动模型，然后将波浪与可压缩淤泥质海床相互作用过程中的波数k、波浪作用下可压缩淤泥质海床土体运动过程中的相关参数C1、C2、C3代入海床土体运动的水平运动模型和垂直运动模型，得到波浪作用下可压缩淤泥质海床土体运动速度、以及不同时刻下土体运动速度的垂向分布图和空间等值线图。
S61：建立可压缩淤泥质海床土体水平运动模型，计算波浪作用下可压缩淤泥质海床土体运动的水平速度u，
Figure SMS_33
（12）
S62：建立可压缩淤泥质海床土体垂直运动模型，计算波浪作用下可压缩淤泥质海床土体运动的垂直速度w，
Figure SMS_34
（13）
S63：根据海床土体运动的水平速度u和垂直速度w，建立不同时刻海床土体运动速度的垂向分布图和空间等值线图，分析海床土体的运动状况。
图2为t=0.0π、t=0.5π、t=1.0π和t=1.5π四个不同时刻土体运动速度的垂向分布图，图中水平轴分别为土体运动速度u和w，纵轴为海床厚度相反数的无因次变量。图3展示了波浪作用下淤泥质海床土体内运动速率的等值线图，图中横轴为波浪传播距离的无因次变量，纵轴为为海床厚度相反数的无因次变量。
上面方法的各种步骤划分，只是为了描述清楚，实现时可以合并为一个步骤或者对某些步骤进行拆分，分解为多个步骤，只要包括相同的逻辑关系，都在本专利的保护范围内；对算法中或者流程中添加无关紧要的修改或者引入无关紧要的设计，但不改变其算法和流程的核心设计都在该专利的保护范围内。
实施例
（1）采集波浪的波浪要素，选定海域的水深为30米和特征波幅3米，对应的波浪频率为0.5 rad/s，海水密度为1.02×103kg/m3，即
Figure SMS_35
（2）根据现场勘测结果获得可压缩淤泥质海床土体参数，本例中采用以下参数进行计算：
Figure SMS_36
（3）建立时间坐标系和空间坐标系，构造构造可压缩淤泥质海床运动相关的无因次变量，所述无因次变量包括海床土体运动水平速度、海床土体运动垂直速度、水深、海床厚度、空间坐标和时间；
Figure SMS_37
（4）计算波浪与可压缩淤泥质海床相互作用过程中的波数k；
Figure SMS_38
Figure SMS_39
计算得到波数k为1.28 + i0.025，k的虚部为波浪波幅的衰减系数。
（5）计算影响可压缩淤泥质海床土体运动的相关参数；
Figure SMS_40
计算得到的相关参数C1、C2、C3的值分别为-0.44 - i0.02、0.74 + i0.46、0.0189-i 0.037。
（6）计算可压缩淤泥质海床土体运动速度，
Figure SMS_41
将k和相关参数C1、C2、C3的值代入海床土体运动的水平速度和垂直速度计算公式，得到波浪作用下可压缩海床土体的运动速度，如图2-图3所示，进而得到不同时刻海床土体运动速度的垂向分布曲线和空间等值线图。
第二实施方式：
如图4所示，本发明的第二实施方式提供了一种波浪作用下可压缩淤泥质海床土体运动速度计算系统，包括：
信息收集模块一，用于采集波浪的波浪要素，发送给构造模块；
信息收集模块二，用于采集可压缩淤泥质海床的土体参数，发送给构造模块；
构造模块，用于根据波浪的波浪要素、海床的土体参数，构造波浪作用下可压缩淤泥质海床土体运动速度相关的无因次变量；
处理模块，建立可压缩淤泥质海床土体运动模型，计算波浪作用下可压缩淤泥质海床土体运动速度；
输出模块，用于输出波浪作用下可压缩淤泥质海床土体运动速度计算结果。
不难发现，本实施方式为与第一实施方式相对应的系统实施例，本实施方式可与第一实施方式互相配合实施。第一实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在第一实施方式中。
值得一提的是，本实施方式中所涉及到的各模块均为逻辑模块，在实际应用中，一个逻辑单元可以是一个物理单元，也可以是一个物理单元的一部分，还可以以多个物理单元的组合实现。此外，为了突出本发明的创新部分，本实施方式中并没有将与解决本发明所提出的技术问题关系不太密切的单元引入，但这并不表明本实施方式中不存在其它的单元。
第三实施方式：
如图5所示，本发明的第三实施方式提供一种网络侧服务端，包括：至少一个处理器301；以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器302；其中，所述存储器302存储有可被所述至少一个处理器301执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器301执行，以使所述至少一个处理器301能够执行上述一种波浪作用下可压缩淤泥质海床土体运动速度计算方法。
其中，存储器302和处理器301采用总线方式连接，总线可以包括任意数量的互联的总线和桥，总线将一个或多个处理器301和存储器302的各种电路连接在一起。总线还可以将诸如外围设备、稳压器和功率管理电路等之类的各种其他电路连接在一起，这些都是本领域所公知的，因此，本文不再对其进行进一步描述。总线接口在总线和收发机之间提供接口。收发机可以是一个元件，也可以是多个元件，比如多个接收器和发送器，提供用于在传输介质上与各种其他装置通信的单元。经处理器301处理的数据通过天线在无线介质上进行传输，进一步，天线还接收数据并将数据传送给处理器301。
处理器301负责管理总线和通常的处理，还可以提供各种功能，包括定时，外围接口，电压调节、电源管理以及其他控制功能。而存储器302可以被用于存储处理器301在执行操作时所使用的数据。
以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (3)

1.一种波浪作用下可压缩淤泥质海床土体运动速度计算方法，其特征在于：包括，
采集波浪要素，所述波浪要素包括水深
Figure QLYQS_1
，波高A、波浪频率/>
Figure QLYQS_2
和海水密度ρ w ；
采集可压缩淤泥质海床土体参数，所述土体参数包括海床厚度
Figure QLYQS_3
、土颗粒密度/>
Figure QLYQS_4
、泊松比/>
Figure QLYQS_5
、土体粘度μ、剪切模量G、饱和度Sr和孔隙率n；
建立空间坐标系和时间坐标系，构造可压缩淤泥质海床运动相关的无因次变量，所述无因次变量包括海床土体运动水平速度、海床土体运动垂直速度、水深、海床厚度、空间坐标和时间；
计算波浪与可压缩淤泥质海床相互作用过程中的波数k；
Figure QLYQS_6
其中：
Figure QLYQS_7
表示海水深度，h表示海水深度的无因次变量， d表示海床厚度的无因次变量，
Figure QLYQS_8
表示海床土体运动垂直速度的无因次变量，/>
Figure QLYQS_9
为重力加速度，i为虚数单位，μ 1，μ 2，Ma、Ca、 K和λ均表示常数，Ks表示孔隙流体的体积压缩模量，Kw表示水的体积压缩模量，/>
Figure QLYQS_10
表示土体泊松比，G表示海床土体剪切模量，μ表示海床土体粘度，n表示海床土体孔隙率，/>
Figure QLYQS_11
表示波浪频率，Sr表示海床土体饱和度，h表示海水深度的无因次变量，ρ w 为海水密度，ρ s 为土颗粒密度，q表示相对水深，Q和/>
Figure QLYQS_12
为中间变量；
计算影响可压缩淤泥质海床土体运动的相关参数，所述相关参数包括第一参数C1、第二参数C2和第三参数C3；
所述第一参数C1、第二参数C2和第三参数C3的计算过程如下，
Figure QLYQS_13
其中：p b 表示海床表面动水压强的无因次变量；
结合土体参数、波浪要素和相关参数，建立可压缩淤泥质海床土体运动模型，计算海床土体运动速度；
建立可压缩淤泥质海床土体水平运动模型，计算水平速度u；
Figure QLYQS_14
建立可压缩淤泥质海床土体垂直运动模型，计算垂直速度
Figure QLYQS_15
；
Figure QLYQS_16
其中：Z表示土体所在位置离海床表面距离的相反数的无因次变量，/>
Figure QLYQS_17
表示波浪传播时间的无因次变量；
根据水平速度
Figure QLYQS_18
和垂直速度/>
Figure QLYQS_19
构建不同时刻下土体运动速度的垂向分布图和空间等值线图，分析海床土体的运动状况。
2.根据权利要求1所述的一种波浪作用下可压缩淤泥质海床土体运动速度计算方法，其特征在于，构造可压缩淤泥质海床运动相关的无因次变量，具体构造如下：
Figure QLYQS_21
其中：/>
Figure QLYQS_26
表示波浪的传播距离，/>
Figure QLYQS_30
表示波浪传播距离的无因次变量，/>
Figure QLYQS_20
表示土体所在位置离海床表面距离的相反数，/>
Figure QLYQS_24
表示海水深度，/>
Figure QLYQS_27
表示波浪传播时间，/>
Figure QLYQS_28
表示海床厚度，/>
Figure QLYQS_23
表示海床厚度的无因次变量，/>
Figure QLYQS_25
表示海床土体运动的水平速度，/>
Figure QLYQS_29
表示海床土体运动水平速度的无因次变量，/>
Figure QLYQS_31
表示海床土体运动的垂直速度，/>
Figure QLYQS_22
表示海床土体运动垂直速度的无因次变量。
3.根据权利要求1所述一种波浪作用下可压缩淤泥质海床土体运动速度计算方法的系统，其特征在于：包括，
信息收集模块一，用于采集波浪的波浪要素，发送给构造模块；
信息收集模块二，用于采集可压缩淤泥质海床的土体参数，发送给构造模块；
构造模块，用于根据波浪的波浪要素、海床的土体参数，构造波浪作用下可压缩淤泥质海床土体运动速度相关的无因次变量；
处理模块，建立可压缩淤泥质海床土体运动模型，计算波浪作用下可压缩淤泥质海床土体运动速度；
输出模块，用于输出波浪作用下可压缩淤泥质海床土体运动速度计算结果。
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