CN117150816B - 一种包含地形效应的多桩型海岸防护结构设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种包含地形效应的多桩型海岸防护结构设计方法，涉及海岸工程技术领域。步骤包括：收集多桩型海岸防护结构布局区域的波浪、地形输入条件；确定多桩型海岸防护结构的单元形状、每个单元周期的长度与单元周期数；确定每个单元周期内多桩型海岸防护结构的列距、排距。在一定的水深、波况与海底地形下，考虑地形效应的有效波数与不考虑海底地形有效的入射波数相差两倍，因此在利用多重光栅设计多桩型海岸防护结构布局的过程中，若拟掩护海域的地形坡度或者曲率较大，那必须使用改进后的多重光栅理论才能避免多桩型海岸防护结构的尺寸误差，提高多桩型海岸防护结构对波浪的调制作用精确度。
Description
技术领域
本发明涉及海岸工程技术领域，更具体的说是涉及一种包含地形效应的多桩型海岸防护结构设计方法。
背景技术
人们通常建造防波堤来保护海岸或海岸沿线的活动(如港口、船舶码头)免受海浪的侵蚀破坏。除了考虑防波堤建造对于港口、码头的经济与社会效益以外，其环保价值在海洋工程中也日益受到重视。传统不透水式离岸堤的水沙交换能力有限，封闭海域容易造成水体污染。而近岸环流对港口、码头生态系统健康至关重要，将自然水体循环引入日益恶化的港口，有助于改善港内水质。因此透水式离岸堤是一种应用广泛且有效的海岸保护结构，它不仅可以允许拟掩护区域与外海进行水体交换，作为一种环保的海上结构，而且能够吸收和消散波浪能量。允许一定程度波浪运动的港口或码头布置防波堤时，应考虑采用无后墙桩式开孔/开槽式防波堤、开槽式防波堤、潜堤等形式，也可以是一排或多排无后墙的紧密间隔的圆桩，以防止港口内的水体滞留污染物这类防波堤的优点包括可以改善港口内的水体循环、鱼类通道、泥沙运输以及相对较低的建设成本。
然而，现有的多桩结构在实际应用中仍然存在许多问题。首先从挡浪的角度来看，此类防波堤只能在有限的波浪频段下有效，尤其是对中、长周期波阻挡效果一般。其次从施工的角度来看，虽然这种类型的结构施工方便且此结构会在很大程度上干扰波浪的正常传播，但是波浪对结构中每一桩施加的推力和力矩会在很大程度上因桩间距的影响产生剧烈的变化。总体多桩类型的海岸防护结构的布置缺乏具有较强通用性的结构布置设计方法。
本发明基于FAT理论求解拉普拉斯方程，推导出包含局部水深变化的控制方程—波浪波数与速度势耦合方程，凝练地形坡度效应对波数的影响，获得包含地形坡度的有效波数，带入多重光栅方程对多重光栅条件以及相应的挡浪设计进行改进。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种包含地形效应的多桩型海岸防护结构设计方法，通过考虑地形效应耦合多重光栅条件，深化多桩布局方法细节。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种包含地形效应的多桩型海岸防护结构设计方法，包括以下步骤：
S1、收集多桩型海岸防护结构布局区域的波浪、地形输入条件；
S2、确定多桩型海岸防护结构的单元形状、每个单元周期的长度与单元周期数；
S3、确定每个单元周期内多桩型海岸防护结构的列距、排距/>。
优选的，所述步骤S1具体包括：
S11、多桩型海岸防护结构布局区域的波浪输入条件包含：主波向与主波长λ；
S12、多桩型海岸防护结构布局区域的地形输入条件包含：水深，地形坡度/>与地形曲率/>；
S13、由多桩型海岸防护结构布局区域的波浪地形输入条件计算出包含地形效应的有效波数与有效波长。
所述步骤S13中有效波数的表达式为，有效波长的表达式为/>，其中/>、/>为参数，分别满足/>，，其中/>为水深，g为重力加速度，/>为入射波波数，，/>为波浪波数和水深的乘积。
优选的，所述步骤S2具体包括：
S21、多桩型海岸防护结构的单元形状为任意锯齿状且每个单元的形状必须相同；
S22、确定多桩型海岸防护结构的单元周期的长度；满足耦合闪耀光栅条件：
,/>，
其中为拟掩护海域计划阻挡波浪的波向，/>为对应的有效波长；
S23、多桩型海岸防护结构的每个单元周期的长度与单元周期数需要满足二者相乘为主轴线长度。
优选的，所述步骤S3具体包括：
S31、每个单元周期内多桩型海岸防护结构的列距满足耦合多缝光栅条件：
,/>，
其中为拟掩护海域计划阻挡波浪的波向，/>为对应的有效波长；
S32、每个单元周期内多桩型海岸防护结构的列距满足耦合布拉格光栅条件：
,/>，
其中为拟掩护海域计划阻挡波浪的波向，/>为对应的有效波长。
有益效果：
本发明通过对波浪波数与速度势耦合方程转化，得出包含海底地形坡度变化的准-Helmholtz方程，进而得出改进后的有效波数，带入多重光栅条件后，从而对多重光栅条件与设计流程进行改进；
在一定的水深、波况与海底地形下，考虑地形坡度的有效波数与不考虑海底地形的波浪波数相差两倍，因此在利用多重光栅设计多桩型海岸防护结构布局的过程中，若拟掩护海域的地形坡度或者曲率较大，那必须使用改进后的多重光栅理论才能避免多桩型海岸防护结构的尺寸误差，提高多桩型海岸防护结构对波浪的调制作用精确度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明的流程示意图；
图2为本发明的多桩型海岸防护结构布局示意图，其中坐标(x，y)表示二维平面空间，单位为米（m）；
图3为本发明实施例提供的有效波数与入射波数/>的关系示意图；
图4为本发明实施例提供的考虑地形效应与不考虑地形效应的波浪场分布效果示意图，其中a不考虑地形效应，b考虑地形效应，坐标(x，y)表示二维平面空间，单位为米（m）。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1、图2所示，本实施例采用如下技术方案：
一种包含地形效应的多桩型海岸防护结构设计方法，包括以下步骤：
S1、收集多桩型海岸防护结构布局区域的波浪、地形输入条件；
S11、多桩型海岸防护结构布局区域的波浪输入条件包含：主波向与主波长λ；
S12、多桩型海岸防护结构布局区域的地形输入条件包含：水深，地形坡度/>与地形曲率/>；
S13、由多桩型海岸防护结构布局区域的波浪地形输入条件计算出包含地形效应的有效波数与有效波长；
本实施例优选步骤S13中有效波数的表达式为，有效波长的表达式为/>，其中/>、/>为参数，分别满足/>，，其中h为水深， g为重力加速度，/>为入射波波数，，/>为波浪波数和水深的乘积。
S2、确定多桩型海岸防护结构的单元形状、每个单元周期的长度与单元周期数；
S21、多桩型海岸防护结构的单元形状为任意锯齿状且每个单元的形状必须相同；
S22、确定多桩型海岸防护结构的单元周期的长度；满足耦合闪耀光栅条件；
,/>，
其中为拟掩护海域计划阻挡波浪的波向，/>为对应的有效波长；
S23、多桩型海岸防护结构的每个单元周期的长度与单元周期数需要满足二者相乘为主轴线长度。
S3、确定每个单元周期内多桩型海岸防护结构的列距、排距/>；
S31、每个单元周期内多桩型海岸防护结构的列距满足耦合多缝光栅条件：
,/>，
其中为拟掩护海域计划阻挡波浪的波向，/>为对应的有效波长；
S32、每个单元周期内多桩型海岸防护结构的列距满足耦合布拉格光栅条件：
,/>，
其中为拟掩护海域计划阻挡波浪的波向，/>为对应的有效波长。
图2给出了依据耦合闪耀光栅条件、耦合多缝光栅条件与耦合布拉格光栅条件（并称耦合多重光栅条件）设计的多桩型海岸防护结构，/>，/>，分别为4m，2m，6m，其中水深为8m，入射角为波浪入射方向与主轴线的夹角，这里为入射角/>。
图3给出了入射波数与有效波数/>的关系图，从整体来看，随着/>的增长/>逐渐趋于/>。值得注意的是，/>在[0,0.75]的区间内，/>的波动幅度最大，而且在不同的水深和地形坡度下，/>的波动幅度不同。从图3中可以看出，当水深较小和地形坡度较大时，/>的波动幅度会变得很大，此种海况下，若还是带入入射波波数/>来计算多重光栅条件（多缝光栅条件、闪耀光栅条件与布拉格光栅条件的统称）的尺寸参数，就会对尺寸参数反演带来较大的误差，例水深是8m，地形坡度为5，/>为0.25时，/>是/>的将近2倍。因此，仅使用/>计算其波浪场分布与多重光栅条件反演尺寸，将会造成较大的误差，导致圆桩组合结构挡浪效率降低。换句话说，海底地形引起的非线性，在某些特定情况下是必须要考虑的。
图4给出了当考虑地形坡度效应时，这里水深为8m，地形坡度，入射波数/>为0.2618时，带入S13计算有效波数/>为0.5038，对应的波浪场分布情况。可以观察出波数不同的情况下，波浪场分布区别很大。因此在地形坡度效应很大的情况下，不予考虑就是对波浪场预测造成巨大影响，进行影响多桩型海岸防护结构设计。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (3)
1.一种包含地形效应的多桩型海岸防护结构设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、收集多桩型海岸防护结构布局区域的波浪、地形输入条件；
所述步骤S1具体包括：
S11、多桩型海岸防护结构布局区域的波浪输入条件包含：主波向与主波长λ；
S12、多桩型海岸防护结构布局区域的地形输入条件包含：水深，地形坡度/>与地形曲率/>；
S13、由多桩型海岸防护结构布局区域的波浪、地形输入条件计算出包含地形效应的有效波数与有效波长；
有效波数的表达式为，有效波长的表达式为/>，其中/>、为参数，分别满足/>，/>，其中/>为水深，g为重力加速度，/>为入射波波数，/>，/>为波浪波数和水深的乘积；
S2、确定多桩型海岸防护结构的单元形状、每个单元周期的长度与单元周期数；
S3、确定每个单元周期内多桩型海岸防护结构的列距、排距/>。
2.根据权利要求1所述的一种包含地形效应的多桩型海岸防护结构设计方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括：
S21、多桩型海岸防护结构的单元形状为任意锯齿状且每个单元的形状必须相同；
S22、确定多桩型海岸防护结构的单元周期的长度；满足耦合闪耀光栅条件：
，/>其中/>为拟掩护海域计划阻挡波浪的波向，/>为对应的有效波长；
S23、多桩型海岸防护结构的每个单元周期的长度与单元周期数需要满足二者相乘为主轴线长度。
3.根据权利要求1所述的一种包含地形效应的多桩型海岸防护结构设计方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括：
S31、每个单元周期内多桩型海岸防护结构的列距满足耦合多缝光栅条件：
，/>其中/>为拟掩护海域计划阻挡波浪的波向，/>为对应的有效波长；
S32、每个单元周期内多桩型海岸防护结构的列距满足耦合布拉格光栅条件：，/>其中/>为拟掩护海域计划阻挡波浪的波向，/>为对应的有效波长。
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