海岸工程STEM波生成与测试方法技术

本发明专利技术提供了一种海岸工程中直立式海洋结构物前STEM波的生成与测试方法。通过该方法对STEM波沿直立式结构物传播特性进行研究，分析不同入射角度与STEM波之间的关系，分析波浪在建筑物沿程波高、波谱形态、波周期等变化规律，分析结构物周围波浪场分布情况。该方法通过一系列不同组合的试验，可确定结构物前波高情况和结构物周围波浪长分布，是解决工程出现STEM波问题最科学合理的方法，为设计最为科学、经济、合理的海洋结构物提供技术支持和参考依据。

【技术实现步骤摘要】
海岸工程STEM波生成与测试方法
本专利技术涉及一种海岸工程中STEM波的生成与测试方法，尤其用于直立式海洋结构物前STEM波的生成与测试方法。
技术介绍
在海岸工程领域中，波浪反射指波浪在传播过程中与建筑物或其他障碍物相遇时从物体边界上产生出的反向传播现象。与几何光学的反射定律相同，波浪的入射角等于反射角。但在海工物理模型试验及实际工程应用中表明：当波浪与铅直障壁以小于某临界角度入射时，并不完全遵循反射定律被直墙反射，此时建筑物周围波浪场分布变化剧烈，波能迅速集中，沿程传播的波高及影响范围增大，形成STEM波。这与超音速流体力学中马赫反射现象相似：激波沿一固态边缘传导时，激波撞击所形成沿边缘的流场会产生一个二次反射激波，使该流场会平行于边缘。STEM波的传播变化规律可通过物理模型试验和数学模型研究。通过以往的研究成果可知：STEM波发生时，沿程波高逐渐增大，甚至可达入射波高的两倍以上，这会对设计中确定码头面高程、防浪结构越浪量及稳定性的控制带来很大的问题。此外，我国现有港口工程大部分选址位于近岸区，波高较小水深较浅，防浪建筑物多与来浪方向垂直或夹角较小；随着港口工程面向海洋、面向深水发展，防浪建筑物布置形式与波浪情况日趋复杂，STEM波现象越来越多出现在工程中。因此，对STEM波的生成和测试是一个亟待解决的问题。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术的目的是提供一种海岸工程中直立式海洋结构物前STEM波的生成与测试方法。通过该方法对STEM波沿直立式结构物传播特性进行研究，分析不同入射角度与STEM波之间的关系，分析波浪在建筑物沿程波高、波谱形态、波周期等变化规律，分析结构物周围波浪场分布情况。该方法通过一系列不同组合的试验，可确定结构物前波高情况和结构物周围波浪长分布，是解决工程出现STEM波问题最科学合理的方法，为设计最为科学、经济、合理的海洋结构物提供技术支持和参考依据。为达到上述目的，本专利技术的技术方案是这样实现的：一种海岸工程STEM波生成方法，包括如下步骤：步骤A，布置STEM波生成的试验模型：试验箱内的一侧设有若干个造波机，造波机朝试验箱内相对的一侧输送波浪，试验选取直立结构物作为试验对象，直立结构物设有若干个，并排为一组，直立结构物与造波机之间为一斜坡，直立结构物位于下游位置，一组直立结构物与斜坡的坡顶边坡线相互垂直，试验中通过设定造波机来设置波浪与直立结构物的入射角度为0°，5°，10°，15°，20°，25°，30°，35°，40°和45°，以形成试验所需的STEM波；步骤B，传感器布置：直立结构物的前方水域均布有若干个波高传感器；步骤C，STEM波的原始入射波浪的形成：原始入射波浪由电机伺服驱动推板吸收式造波机形成，可以产生规则波与不规则波。进一步，所述步骤A中，直立结构物一组设有12个。进一步，所述步骤B中，直立结构物的前沿水域部分均匀布置21个波高传感器，间距0.40m，在前沿水域部分的正前方为沉箱前方水域部分，均匀布置66个波高传感器，呈11*6矩阵布置，间距0.80×0.40m，沉箱前方水域部分的长度等于前沿水域部分的长度。进一步，所述直立结构物为直立式沉箱，直立式沉箱的上端的边缘固定有胸墙，一组直立式沉箱的胸墙一字对齐，胸墙的纵截面为直角梯形结构，其倾斜面朝向沉箱前沿水域部分。进一步，所述步骤A中，斜坡的坡度为1/40。一种海岸工程STEM波的测试方法，包括如下步骤：步骤D，采集权利要求1的方法造出的规则波和不规则波；步骤E，STEM波在直立结构物前的波高测试与分析：规则波选取每个测点所采集的平均波高中的最大值Hmax进行比较，不规则波选取每个测点所采集的有效波高中的最大值Hmax进行比较。为明显区分不同入射波高(Hi)的STEM波在直立式结构物前的变形规律，将采集的原始波高值换算成比波高值(Hλ)进行比较，计算公式如下：Hλ＝Hmax/Hi通过波高测试和数据分析，可得到STEM波在直立式海洋结构物前的传播变化特性。进一步，所述步骤D中，试验中忽略从造波机造出的前4～5个不稳定波浪后再进行采集，规则波试验采集20个完整波列进行分析，不规则波试验采集120个完整波列进行分析。相对于现有技术，本专利技术所述的一种海岸工程STEM波生成与测试方法，具有以下优势：本专利技术通过STEM波生成与测试方法，得到STEM波的波高、波周期、入射波角度对波高分布影响以及在直立式结构物前的波浪场分布特征。本专利技术通过综合采用一系列模型试验的方法，系统的生成和测试了STEM在结构物前的波高特征，准确确定不同外界条件的变化对STEM波在直立式结构物前波高的影响，有效解决了一直以来STEM波在直立式结构物前波高变化和结构物周围波浪场分布难以确定的问题，通过科学系统的STEM波生成与测试方法，使得不同试验条件下STEM波在直立式结构物前波高变化和结构物周围波浪场分布得以确定，可使设计中码头面高程的合理确定，结构物的平面布置等最为科学、经济、合理，在获得最优设计方案的同时，大大节省工程造价。为海岸工程中STEM波对直立式海洋结构物造成的问题提供了技术支撑，为海岸工程向更为复杂的深远海发展奠定了基础。附图说明图1为本专利技术的试验模型布置图；图2为图1中单个直立式沉箱的放大示意图(即俯视图)；图3为单个直立式沉箱的主视图；图4为单个直立式沉箱的右视图；图5为波高传感器的布置图；图6为本次试验中目标谱与实际模拟谱对比结果；图7为水深D＝0.30m，波高Hi＝0.04m时，不同周期的对比图；图8为水深D＝0.30m，波高Hi＝0.06m时，不同周期的对比图；图9为水深D＝0.30m，波浪周期T＝1.00s时，不同波高的对比图；图10为水深D＝0.30m，波浪周期T＝1.40s时，不同波高的对比图；图11为波浪入射方向与直立堤夹角为0°时，组次编号7试验，波高与沿直立堤方向沿程距离的关系图；图12为波浪入射方向与直立堤夹角为15°时，组次编号7试验，波高与沿直立堤方向沿程距离的关系图；图13为波浪入射方向与直立堤夹角为30°时，组次编号7试验，波高与沿直立堤方向沿程距离的关系图；图14为波浪入射方向与直立堤夹角为45°时，组次编号7试验，波高与沿直立堤方向沿程距离的关系图；图15为STEM波在直立式结构物前的波浪场分布示意图；附图标记说明：1-造波机，2-坡顶边坡线，3-直立式沉箱，4-胸墙，5-沉箱前方水域部分，6-前沿水域部分。具体实施方式除有定义外，以下实施例中所用的技术术语具有与本专利技术创造所属领域技术人员普遍理解的相同含义。以下实施例中所用的试验试剂，如无特殊说明，均为常规生化试剂；所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。下面结合实施例及附图来详细说明本专利技术创造。(1)STEM波生成的试验模型布置方案如图1所示，试验箱内的一侧设有3个造波机1，造波机1朝试验箱内相对的一侧输送波浪，试验选取直立式沉箱3作为试验对象，单个沉箱尺寸为0.80m×0.44m×0.50m，如图2-4所示，直立式沉箱3设有12个，并排为一组，组成直立堤，直立式沉箱3的上端的边缘固定有胸墙4，一组直立式沉箱3的胸墙4一字对齐，胸墙4用于抵挡来浪，以防止波浪越过沉箱。胸墙4的纵截面为直角梯形结构，其倾斜面朝向沉箱前沿水域部分6。直立式沉箱本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.海岸工程STEM波生成方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤A，布置STEM波生成的试验模型：试验箱内的一侧设有若干个造波机(1)，造波机(1)朝试验箱内相对的一侧输送波浪，试验选取直立结构物作为试验对象，直立结构物设有若干个，并排为一组，直立结构物与造波机(1)之间为一斜坡，直立结构物位于下游位置，一组直立结构物与斜坡的坡顶边坡线(2)相互垂直，试验中通过设定造波机(1)来设置波浪与直立结构物的入射角度为0°，5°，10°，15°，20°，25°，30°，35°，40°和45°，以形成试验所需的STEM波；步骤B，传感器布置：直立结构物的前方水域均布有若干个波高传感器；步骤C，STEM波的原始入射波浪的形成：原始入射波浪由电机伺服驱动推板吸收式造波机形成，可以产生规则波与不规则波。

【技术特征摘要】
1.海岸工程STEM波生成方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤A，布置STEM波生成的试验模型：试验箱内的一侧设有若干个造波机(1)，造波机(1)朝试验箱内相对的一侧输送波浪，试验选取直立结构物作为试验对象，直立结构物设有若干个，并排为一组，直立结构物与造波机(1)之间为一斜坡，直立结构物位于下游位置，一组直立结构物与斜坡的坡顶边坡线(2)相互垂直，试验中通过设定造波机(1)来设置波浪与直立结构物的入射角度为0°，5°，10°，15°，20°，25°，30°，35°，40°和45°，以形成试验所需的STEM波；步骤B，传感器布置：直立结构物的前方水域均布有若干个波高传感器；步骤C，STEM波的原始入射波浪的形成：原始入射波浪由电机伺服驱动推板吸收式造波机形成，可以产生规则波与不规则波。2.根据权利要求1所述的海岸工程STEM波生成方法，其特征在于：所述步骤A中，直立结构物一组设有12个。3.根据权利要求1所述的海岸工程STEM波生成方法，其特征在于：所述步骤B中，直立结构物的前沿水域部分(6)均匀布置21个波高传感器，间距0.40m，在前沿水域部分(6)的正前方为沉箱前方水域部分(5)，均匀布置66个波高传感器，呈11*6矩阵布置，间距0.80×0.40m，沉箱前方水域部分(5)的长度等于前沿水...

【专利技术属性】
技术研发人员：耿宝磊，张慈珩，彭程，张华庆，陈汉宝，徐亚男，栾英妮，于滨，
申请(专利权)人：交通运输部天津水运工程科学研究所，
类型：发明
国别省市：天津,12