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方案

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术涉及海洋工程勘测
，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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，本专利技术采用如下技术方案：一方面，本专利技术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：式中，K为潮流类型判别系数；为主太阴日分潮流的椭圆长半轴长度；为太阴太阳赤纬日分潮流的椭圆长半轴长度；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式中，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：为主太阴半日分潮流的椭圆长半轴矢量；为主太阳半日分潮流的椭圆长半轴矢量；为太阴太阳赤纬日分潮流的椭圆长半轴矢量；为主太阴日分潮流的椭圆长半轴矢量；为主太阴四分之一日分潮流的椭圆长半轴矢量；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进一步地，根据测得的风速数据确定风海流流速矢量的方法如下：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按下式计算：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：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；为综合考虑各种误差和忽略项的安全系数，为潮流可能最大流速矢量的垂线平均流速矢量，为风海流流速矢量，为波生流设计流速矢量。第二方面，本专利技术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。本专利技术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.本专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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：/n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；/n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；/n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。/n

【技术特征摘要】
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：



式中，K为潮流类型判别系数；为主太阴日分潮流的椭圆长半轴长度；为太阴太阳赤纬日分潮流的椭圆长半轴长度；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



式中，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：为主太阴半日分潮流的椭圆长半轴矢量；为主太阳半日分潮流的椭圆长半轴矢量；为太阴太阳赤纬日分潮流的椭圆长半轴矢量；为主太阴日分潮流的椭圆长半轴矢量；为主太阴四分之一日分潮流的椭圆长半轴矢量；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



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


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...

【专利技术属性】
技术研发人员：潘晓春，王晓惠，沈旭伟，任亚群，徐君民，葛海明，
申请(专利权)人：中国能源建设集团江苏省电力设计院有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32