本發(fā)明海洋工程地質(zhì)，具體涉及到一種波浪對(duì)直墻式巖質(zhì)岸坡沖擊力的評(píng)估方法。

背景技術(shù)：

1、隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)社會(huì)的高速發(fā)展，海洋資源的探測(cè)和建設(shè)規(guī)模在不斷擴(kuò)大，同時(shí)逐漸從淺海區(qū)向深海區(qū)發(fā)展。在工程建設(shè)運(yùn)營(yíng)的過程中對(duì)周圍海洋環(huán)境可能發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害的評(píng)估必不可缺，其中由波浪沖擊導(dǎo)致海洋工程周邊巖質(zhì)邊坡失穩(wěn)的地質(zhì)災(zāi)害需要引起高度重視。

2、海洋地質(zhì)災(zāi)害的水動(dòng)力觸發(fā)機(jī)制的成因之一，波浪是由風(fēng)暴等海洋氣候自然因素產(chǎn)生的，在其行進(jìn)過程中會(huì)不斷對(duì)海洋岸坡施加正應(yīng)力和剪應(yīng)力，影響巖質(zhì)岸坡的穩(wěn)定性，最終導(dǎo)致岸坡內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞并產(chǎn)生滑坡。波浪沖擊作用對(duì)巖質(zhì)岸坡的穩(wěn)定性影響主要由兩點(diǎn)：一是波浪對(duì)巖質(zhì)岸坡坡面的循環(huán)沖擊作用，在該作用下，巖體內(nèi)部產(chǎn)生瞬態(tài)的孔隙水壓力以及殘余孔隙水壓力，內(nèi)部超孔隙水壓力積累使得內(nèi)部應(yīng)力發(fā)生顯著變化；二是波浪對(duì)對(duì)結(jié)構(gòu)面的弱化作用，體現(xiàn)在波浪對(duì)巖質(zhì)岸坡的低頻率、長(zhǎng)時(shí)間的反復(fù)作用，在長(zhǎng)期對(duì)巖體與其結(jié)構(gòu)面的循環(huán)應(yīng)力影響下，其物理、化學(xué)性能發(fā)生了改變，降低了巖石的強(qiáng)度與變形模量。波浪主要影響巖質(zhì)岸坡的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，不易觀測(cè)且一旦產(chǎn)生破壞危害性極大，嚴(yán)重威脅與岸坡相關(guān)的海洋工程和工作人員的生命財(cái)產(chǎn)安全。

3、但是，目前對(duì)于在波浪影響下的岸坡穩(wěn)定性分析的研究對(duì)象主要集中于土質(zhì)岸坡上，雖然在該方面取得了一系列規(guī)范計(jì)算分析與模型試驗(yàn)的研究成果，但是波浪對(duì)巖質(zhì)岸坡的沖擊力的評(píng)估內(nèi)容相對(duì)較少，也缺少對(duì)規(guī)范計(jì)算結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果的比對(duì)研究。波浪對(duì)直墻式巖質(zhì)岸坡沖擊力的評(píng)估需要一種更為規(guī)范、有效的評(píng)估方法來指導(dǎo)實(shí)際的海洋工程建設(shè)工作。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明提出一種波浪對(duì)直墻式巖質(zhì)岸坡沖擊力的評(píng)估方法，采用規(guī)范計(jì)算法和數(shù)值模擬法對(duì)巖質(zhì)岸坡受到的波浪作用進(jìn)行計(jì)算分析，最后開展比對(duì)分析選取計(jì)算結(jié)果，以解決相關(guān)評(píng)估內(nèi)容較少且缺少比對(duì)參照的問題，從而有效、快速地確定波浪對(duì)直墻式巖質(zhì)邊坡的作用力。

2、本發(fā)明采用的技術(shù)方案是，一種波浪對(duì)直墻式巖質(zhì)岸坡沖擊力的評(píng)估方法，該方法通過構(gòu)建三維數(shù)值模型和規(guī)范計(jì)算相結(jié)合，精確評(píng)估波浪對(duì)巖質(zhì)岸坡的沖擊力，包括以下步驟：

3、步驟s1：根據(jù)直墻式巖質(zhì)岸坡的幾何形態(tài)、結(jié)構(gòu)特征及其地質(zhì)組成，構(gòu)建三維數(shù)值模型，模擬岸坡結(jié)構(gòu)的幾何形態(tài)和物理特性；

4、步驟s2：根據(jù)實(shí)際海洋環(huán)境條件和波浪特性，設(shè)定數(shù)值模型的邊界條件，包括波浪參數(shù)、岸坡材料屬性以及周圍環(huán)境因素；

5、步驟s3：選擇適合波浪與巖質(zhì)岸坡相互作用的數(shù)值計(jì)算方法，設(shè)定數(shù)值模擬程序的計(jì)算方法和參數(shù)，包括使用的數(shù)值方法、時(shí)間步長(zhǎng)；

6、步驟s4：運(yùn)行數(shù)值模擬程序，模擬波浪作用下巖質(zhì)岸坡的應(yīng)力應(yīng)變反應(yīng)，獲取孔隙水壓力、應(yīng)力分布數(shù)據(jù)；

7、步驟s5：結(jié)合規(guī)范計(jì)算結(jié)果，分析數(shù)值模擬結(jié)果，對(duì)比和驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，調(diào)整模型參數(shù)以優(yōu)化結(jié)果；

8、步驟s6：根據(jù)模擬結(jié)果和實(shí)際工況，評(píng)估波浪對(duì)直墻式巖質(zhì)岸坡的沖擊力，并提供針對(duì)性建議用于工程設(shè)計(jì)和安全防護(hù)。

9、優(yōu)選的，步驟s1中，所述構(gòu)建三維數(shù)值模型的方法，包括根據(jù)直墻式巖質(zhì)岸坡的主要形態(tài)，考慮實(shí)際條件使用數(shù)值模擬軟件(例如flow-3d程序、mike?21程序及swan程序等)建立波浪傳播和直墻式巖質(zhì)岸坡的1：1還原的數(shù)值模型，同時(shí)輸入波浪的特性、直墻式巖質(zhì)岸坡的幾何形狀和材料屬性參數(shù)。

10、優(yōu)選的，步驟s2中，所述數(shù)值模型的邊界條件，包括波浪源的輸入、水深分布、直墻式巖質(zhì)岸坡的幾何形狀、底床摩擦系數(shù)的重要數(shù)值模擬設(shè)置選項(xiàng)。

11、優(yōu)選的，步驟s3中，所述計(jì)算方法和參數(shù)的設(shè)定為選定的規(guī)范和公式，結(jié)合波浪參數(shù)和模型的幾何形狀，計(jì)算波浪對(duì)模型的沖擊力。

12、優(yōu)選的，步驟s3中，所述計(jì)算方法選擇的公式為基于規(guī)范《海港水文規(guī)范》(jts145-2-2013)的沖擊力計(jì)算部分按以下步驟進(jìn)行計(jì)算：

13、判定作用于直墻式巖質(zhì)岸坡的波浪的波態(tài)；

14、計(jì)算波峰與波谷作用下直墻式巖質(zhì)岸坡受到的沖擊作用力。

15、優(yōu)選的，步驟s3中，所述作用于直墻式巖質(zhì)岸坡的波浪的波態(tài)為根據(jù)岸坡和波浪條件判定，立波的產(chǎn)生條件應(yīng)滿足波峰線與岸坡大致平行，且岸坡長(zhǎng)度大于一個(gè)波長(zhǎng)，同時(shí)還需要滿足下列公式：

16、

17、

18、式中：——波浪平均周期(s)；d——岸坡前水深(m)；h——岸坡所在處進(jìn)行波的波高(m)；g——重力加速度(m/s2)。

19、優(yōu)選的，所述波峰與波谷作用下直墻式巖質(zhì)岸坡受到的沖擊力，包括根據(jù)岸坡與波浪的特征，選擇對(duì)應(yīng)的公式分別計(jì)算：

20、d≥1.8h且d/l＝0.05～0.12時(shí)(l為波長(zhǎng))，波峰作用下的沖擊力可根據(jù)規(guī)范《海港水文規(guī)范》(jts145-2-2013)的波峰作用時(shí)沖擊波波壓力分布圖，按下列規(guī)定計(jì)算：

21、①波面高程根據(jù)下列公式進(jìn)行計(jì)算：

22、

23、

24、

25、

26、式中：ηc——波面高程(m)；d——岸坡前水深(m)；bη、m——修正系數(shù)；t*——無因次周期(s)；——平均周期(s)；g——重力加速度(m/s2)；

27、②在靜水面以上hc處的坡面波壓力強(qiáng)度按式(7)～(9)計(jì)算：

28、

29、n＝[0.636618+4.23264(h/d)1.67,1.0]??????(9)

30、式中：hc——波壓力強(qiáng)度pac在靜水面以上的作用點(diǎn)位置(m)；pac——與hc對(duì)應(yīng)的坡面波壓力強(qiáng)度(kpa)；n——靜水面以上波浪壓力強(qiáng)度分布曲線的指數(shù)，其值取式中兩數(shù)的大值；poc——靜水面上的波壓力強(qiáng)度(kpa)；γ——水的重度(kn/m3)；

31、③靜水面上的波壓力強(qiáng)度poc及坡面上其他各特征點(diǎn)的波壓力強(qiáng)度按式(10)計(jì)算，當(dāng)pbc>poc，取pbc＝poc，其中pbc為處于d/2水深對(duì)應(yīng)的坡面波壓力強(qiáng)度(kpa)：

32、

33、式中：p——坡面上各特征點(diǎn)的波壓力強(qiáng)度(kpa)；ap、bp、q——波峰作用系數(shù)，按相應(yīng)參數(shù)表確定；

34、④單位長(zhǎng)度岸坡上的水平總波浪力pc(kn/m)按式(11)計(jì)算：

35、

36、式中：pc——單位長(zhǎng)度岸坡上的水平總波浪力(kn/m)；pdc——坡底處波壓力強(qiáng)度(kpa)；pbc——與d/2水深對(duì)應(yīng)的坡面波壓力強(qiáng)度(kpa)；

37、⑤單位長(zhǎng)度岸坡上的水平總波浪力矩mc(kn·m/m)按式(12)計(jì)算：

38、

39、式中：mc——單位長(zhǎng)度岸坡上的水平總波浪力矩(kn·m/m)；

40、⑥單位長(zhǎng)度坡底面上的波浪浮托力puc(kn/m)按式(13)計(jì)算：

41、

42、式中：puc——單位長(zhǎng)度坡底面上的波浪浮托力(kn/m)；b——邊坡底寬(m)；

43、d≥1.8h且d/l＝0.05～0.12時(shí)，波谷作用下的沖擊作用力可根據(jù)規(guī)范《海港水文規(guī)范》(jts145-2-2013)的波谷作用時(shí)沖擊波波壓力分布圖按下列規(guī)定計(jì)算：

44、①波谷波面高程ηt按式(14)計(jì)算：

45、

46、式中：ηt——波谷波面高程(m)；ap、bp、q——波谷作用系數(shù)，可根據(jù)規(guī)范《海港水文規(guī)范》(jts145-2-2013)的參數(shù)表確定；

47、②所述坡面上各特征點(diǎn)的波浪壓力強(qiáng)度p均按(15)計(jì)算，系數(shù)ap、bp、q按相應(yīng)參數(shù)表確定，當(dāng)pdt>pot時(shí)，取pdt＝pot，其中pdt為坡底處波壓力強(qiáng)度(kpa)；pot為與波谷波面對(duì)應(yīng)的波壓力強(qiáng)度(kpa)：

48、p＝ap+bp(h/d)q????????(15)

49、式中：p——坡面上各特征點(diǎn)的波壓力強(qiáng)度(kpa)；

50、③所述單位長(zhǎng)度坡身上的水平總波浪力pt按式(16)計(jì)算：

51、

52、式中：pt——單位長(zhǎng)度坡身上的水平總波浪力(kn/m)；pdt——坡底處波壓力強(qiáng)度(kpa)；pot——與波谷波面對(duì)應(yīng)的波壓力強(qiáng)度(kpa)；

53、④所述單位長(zhǎng)度坡底面上方向向下的波浪力put按式(17)計(jì)算：

54、

55、式中：put——單位長(zhǎng)度坡底面上方向向下的波浪力(kn/m)；pdt——邊坡底處波壓力強(qiáng)度(kpa)；b——邊坡底寬(m)；

56、d≥1.8h、0.12≤d/l<0.139且8<t*≤9時(shí)，所述波浪壓強(qiáng)和波面高程等各量值可按下列公式(18)和(19)計(jì)算：

57、

58、

59、式中：t*——實(shí)際波況時(shí)的無因次周期；xt*——代表波浪壓強(qiáng)和波面高程等各量值；——取t*＝8和實(shí)際波況的h/d值；——取t*＝9和實(shí)際波況的h/d值。

60、優(yōu)選的，步驟s4中，所述數(shù)值模擬程序的運(yùn)算，包括：

61、使用數(shù)值模擬程序模擬波浪在防波堤周圍的傳播、反射、折射和干擾；

62、使用數(shù)值模擬程序計(jì)算波浪高度、波浪壓力、波浪速度參數(shù)及波浪與直墻式巖質(zhì)邊坡之間的相互作用，最后得出具體的沖擊力結(jié)果。

63、優(yōu)選的，步驟s5中，所述分析數(shù)值模擬結(jié)果，包括比較規(guī)范計(jì)算結(jié)果和數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果之間差異，具體通過計(jì)算不同工況下的沖擊力結(jié)果，分析兩種方法計(jì)算的沖擊力結(jié)果之間的差異，以便進(jìn)一步開展分析。

64、優(yōu)選的，步驟s6中，所述評(píng)估波浪對(duì)直墻式巖質(zhì)岸坡的沖擊力，包括結(jié)合實(shí)際工況和海洋工程建設(shè)需要評(píng)估分析波浪沖擊力的計(jì)算結(jié)果，并以此作為實(shí)際工程建設(shè)的參考依據(jù)。

65、由上述技術(shù)方案可知，本發(fā)明的有益技術(shù)效果如下：

66、本方法中通過建立高精度的數(shù)值模型對(duì)具體實(shí)例進(jìn)行開展數(shù)值模擬計(jì)算，計(jì)算不同工況的結(jié)果與對(duì)應(yīng)規(guī)范計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，以確保評(píng)估結(jié)果的準(zhǔn)確性和合理性，能更為規(guī)范、有效地評(píng)估波浪對(duì)直墻式巖質(zhì)岸坡沖擊力，數(shù)值模擬程序?qū)С龅乃畨毫υ茍D能更直觀分析沖擊力的影響，同時(shí)為當(dāng)?shù)氐暮Ｑ蠊こ探ㄔO(shè)提供參考依據(jù)。