基于环境监测和数值反演的高桩码头桩周冲刷的评估方法技术

本发明专利技术公开了一种基于环境监测和数值反演的高桩码头桩周冲刷的评估方法，将高桩码头下部桩基周围水平区域划分网格节点赋予海床表面高程数据；构建存储不同海床表面高程、波浪要素和潮流要素组合的海床内部孔压分布数值模拟算例的数据库；根据监测装置的实测数据，在数据库中对比筛选海床表面高程反演初值；随机生成存储网格节点海床表面高程反演数据的粒子群，代入到数值海床内部孔压分布数值模型，计算各粒子模拟结果和孔压实时监测数据对比的适应度，筛选适应度最优的粒子；通过粒子群优化算法不断修正海床表面高程反演结果，至适应度满足要求为止，将最终迭代步的海床表面高程反演结果和工程修建前的进行比较，评估高桩码头桩周实时冲刷状况。高桩码头桩周实时冲刷状况。高桩码头桩周实时冲刷状况。

【技术实现步骤摘要】
基于环境监测和数值反演的高桩码头桩周冲刷的评估方法


[0001]本专利技术涉及高桩码头下部桩基冲刷监测方法，尤其涉及一种基于环境监测和数值反演的高桩码头桩周冲刷的评估方法。

技术介绍

[0002]港口码头作为水陆联运的重要枢纽工程，逐渐成为各国商品货物交流过程中不可获缺的环节。在众多港口码头型式中，高桩码头由于采用了透空结构，使其可产生较小的波浪反射，且对水流影响较小，因此成为主流港口码头设计形式之一。但是，在波浪和潮流的作用下，高桩码头下部桩基周围海床不可避免地会被冲刷。由于高桩码头上部结构存在一定程度的遮蔽作用，因此其下部桩基结构周围海床在波浪、潮流作用下的冲刷状况不易采用常规方式进行监测。

技术实现思路

[0003]专利技术目的：本专利技术旨在针对高桩码头下部桩基周围海床冲刷监测难度大的问题，提供一种基于环境监测和数值反演的实时化和全自动化的高桩码头下部桩基周围海床冲刷状况评估方法。
[0004]技术方案：本专利技术所述基于环境监测和数值反演的高桩码头桩周冲刷的评估方法，包括以下步骤：
[0005](1)划定高桩码头下部桩基周围海床表面高程反演区域；
[0006](2)将反演区域在水平面内的投影划分网格，该网格包含的l个节点用于赋予海床表面高程反演数据；
[0007](3)构建可反映波浪和潮流作用下土体孔压分布的高桩码头下部桩基周围的海床动力响应数值模型；
[0008](4)构建数值算例数据库：根据随机生成的海床表面高程、波浪要素和潮流要素模拟海床内部土体孔压分布，构建以算例编号为主键，以海床表面高程、波浪要素、潮流要素和孔压分布模拟结果为字段的数值算例数据库；
[0009](5)根据海床动力响应数值模型和监测装置获取的实时海床内部土体孔压和海域波浪要素及潮流要素，利用粒子群优化算法反演网格节点上的海床表面高程；
[0010](6)从最终结果读取各网格节点位置的海床表面高程，减去对应位置在工程修建前的海床表面高程，得到各节点位置处的海床表面高程的变化值；该变化值为负值，则评估为冲刷深度；该变化值为正值，则评估为淤积高度。
[0011]进一步地，步骤(1)中，反演区域在水平面内的投影为矩形，坐标范围记为(
‑
L
x
，
‑
L
y
)～(L
x
，L
y
)，并给定该区域内的海床土体地质参数、下部桩基设计参数和码头工程修建前的海床表面高程数据。
[0012]进一步地，步骤(5)中，监测装置包括高桩码头下部桩基周围的海床内埋设的孔压监测装置、在码头周围设置波浪和潮流监测装置，m个孔压监测装置测量对应土体孔压数据
在一个波浪周期内的平均值分别记为P＝[P1，P2，...，P
j
，...，P
m
]T
，其中j∈[1，m]为孔压监测装置的编号。
[0013]优选地，孔压监测装置采用孔压传感器，埋设深度可以避免因海床表面冲刷而裸漏；波浪监测装置采用浪高仪，浪高仪布置在高桩码头外侧海域进行监测；潮流监测装置采用断面流速仪，断面流速仪布置在高桩码头外侧海域进行监测。
[0014]进一步地，步骤(5)中，利用粒子群优化算法反演网格节点上的海床表面高程，包括以下步骤：
[0015](5.1)初始迭代步(it＝1)中，随机生成包含有n个存储网格节点高程的粒子的粒子群，各粒子的位置向量记为x
i，d
(it)，对应的速度向量记为v
i，d
(it)；
[0016]其中，位置向量x中每一维分别存储对应网格节点的海床表面高程反演数值，速度向量v中每一维中存储位置向量x中对应维在迭代步中的变化量；i为粒子编号；d为粒子维数，等于水平区域网格节点数量l；it为反演迭代步编号；
[0017](5.2)设定第i个粒子在迭代步it中的适应度F
i
(it)，如下：
[0018][0019]式中，P
i
(it)＝[P
i1
(it)，P
i2
(it)，...，P
ij
(it)，...P
im
(it)]T
存储每一迭代步it中，将第i个粒子的位置向量x
i，d
(it)存储的海床表面高程和实时波浪要素和潮流要素代入海床动力响应数值模型求解得到的，与实际环境中布置的每个孔压监测装置位置相同的，孔压模拟值在一个波浪周期内的平均值；cov[P，P
i
(it)]表示协方差；var(P)和var[P
i
(it)]分别表示方差；
[0020]第i个粒子在迭代步it前到达过的适应度最优的位置记为pb
i，d
(it)，对应的适应度记为F
i，pb
(it)；粒子群中在迭代步it前出现过的适应度最高的位置记为gb
d
(it)，对应的适应度记为F
gb
(it)；
[0021](5.3)后一迭代步中，第i个粒子的位置向量和速度向量如下：
[0022]x
i，d
(it+1)＝x
i，d
(it)+v
i，d
(it+1)
[0023]v
i，d
(it+1)＝v
i，d
(it)+c1×
Rnd
×
[pb
i，d
(it)
‑
x
i，d
(it)]+c2×
Rnd
×
[gb
i，d
(it)
‑
x
i，d
(it)][0024]式中，c1和c2为加速常数；Rnd为(0，1)区间上满足均匀分布的随机数；
[0025](5.4)计算步骤(5.3)中各粒子的适应度；
[0026]当F
i
(it+1)＞F
i，pb
(it)，则pb
i，d
(it+1)＝x
i，d
(it+1)；
[0027]当max[F1(it+1)，F2(it+1)，...，F
i
(it+1)，...，F
n
(it+1)]＞F
gb
(it)，则将该迭代步中适应度最高的粒子的位置赋予gb
d
(it+1)；
[0028](5.5)重复步骤(5.3)和(5.4)，至F
gb
(it)≥0.95为止。
[0029]进一步地，步骤(5.1)中，初始迭代步(it＝1)中，
[0030]第i个粒子的位置向量为：
[0031]x
i，d
(it＝1)＝
‑
D
×
ones(d，1)+2D
×
Rnd(本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于环境监测和数值反演的高桩码头桩周冲刷的评估方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)划定高桩码头下部桩基周围海床表面高程反演区域；(2)将反演区域在水平面内的投影划分网格，该网格包含的l个节点用于赋予海床表面高程反演数据；(3)构建可反映波浪和潮流作用下土体孔压分布的高桩码头下部桩基周围的海床动力响应数值模型；(4)构建数值算例数据库：根据随机生成的海床表面高程、波浪要素和潮流要素模拟海床内部土体孔压分布，构建以算例编号为主键，以海床表面高程、波浪要素、潮流要素和孔压分布模拟结果为字段的数值算例数据库；(5)根据海床动力响应数值模型和监测装置获取的实时海床内部土体孔压和海域波浪要素及潮流要素，利用粒子群优化算法反演网格节点上的海床表面高程；(6)从最终结果读取各网格节点位置的海床表面高程，减去对应位置在工程修建前的海床表面高程，得到各节点位置处的海床表面高程的变化值；该变化值为负值，则评估为冲刷深度；该变化值为正值，则评估为淤积高度。2.根据权利要求1所述基于环境监测和数值反演的高桩码头桩周冲刷的评估方法，其特征在于，步骤(1)中，反演区域在水平面内的投影为矩形，坐标范围记为(
‑
L
x
，
‑
L
y
)～(L
x
，L
y
)，并给定该区域内的海床土体地质参数、下部桩基设计参数和码头工程修建前的海床表面高程数据。3.根据权利要求1所述基于环境监测和数值反演的高桩码头桩周冲刷的评估方法，其特征在于，步骤(5)中，监测装置包括高桩码头下部桩基周围的海床内埋设的孔压监测装置、在码头周围设置波浪和潮流监测装置，m个孔压监测装置测量对应土体孔压数据在一个波浪周期内的平均值分别记为P＝[P1，P2，...，P
j
，...，P
m
]
T
，其中j∈[1，m]为孔压监测装置的编号。4.根据权利要求3所述基于环境监测和数值反演的高桩码头桩周冲刷的评估方法，其特征在于，步骤(5)中，利用粒子群优化算法反演网格节点上的海床表面高程，包括以下步骤：(5.1)初始迭代步(it＝1)中，随机生成包含有n个存储网格节点高程的粒子的粒子群，各粒子的位置向量记为x
i，d
(it)，对应的速度向量记为v
i，d
(it)；其中，位置向量x中每一维分别存储对应网格节点的海床表面高程反演数值，速度向量v中每一维中存储位置向量x中对应维在迭代步中的变化量；i为粒子编号；d为粒子维数，等于水平区域网格节点数量l；it为反演迭代步编号；(5.2)设定第i个粒子在迭代步it中的适应度F
i
(it)，如下：式中，P
i
(it)＝[P
i1
(it)，P
i2
(it)，...，P
ij
(it)，...P
im
(it)]
T
存储每一迭代步it中，将第i个粒子的位置向量x
i，d
(it)存储的海床表面高程和实时波浪要素和潮流要素代入海床动力响应数值模型求解得到的，与实际环境中布置的每个孔压监测装置位置相同的，孔压模
拟值在一个波浪周期内的平...

【专利技术属性】
技术研发人员：邓绪，张继生，林祥峰，沈中祥，何斯重，王芳宇，肖唐，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：