[发明专利]一种考虑风浪流作用的水下抛石漂移距离的预测方法

说明书

本发明创造提供了一种考虑风浪流作用的水下抛石漂移距离的预测方法，主要包括根据工程区域将网格进行划分、建立波浪数学模型、建立二维大范围潮流数学模型、建立三维中范围潮流数学模型、建立三维小区域精细化潮流数学模型、潮流数学模型验证、抛石水平漂移距离计算、及预测实施。本发明所提供的预测方法采用三重嵌套网格和二三维模型耦合的方式，所采用二维和三维耦合数学模型，较基于一维模型和二维模型的方法，能反映抛石区域水流垂向结构对抛石漂移的影响，特别是在抛石区有深基槽这种复杂且坡度较大的地形条件下，水流的垂向结构对抛石漂移的影响更加显著，因此本发明方法更加合理和精确。

技术领域

本发明创造属于水利工程技术领域，尤其是涉及一种考虑风浪流作用的水下抛石漂移距离的预测方法。

背景技术

水下抛石被广泛应用于河道整治、护岸工程、防波堤建设、水下地基处理、桩基防护等工程中。抛石在入水至沉底的过程中，在水流的作用下，会产生水平向的漂移。抛石水平漂移距离是工程设计和施工的关键指标，如抛石漂移距离过大，或抛石落地位置不准确，不仅会产生石料的浪费，增加工程成本，同时影响工程质量，降低底床和护岸的防护强度，对工程安全构成威胁。抛石漂移的影响机制及漂移距离的计算方法已经开展了诸多的研究，抛石漂移的计算理论分为准静水沉降模式、平均流速模式和变加速运动模式，其中准静水沉降模式没有考虑惯性力的影响，计算结果精度较差；平均流速模式忽略了水流的三维特性，如在专利公开号为CN113111418A，专利名称为一种径潮流河段抛石落距的预测方法中公开的技术方案，预测模型基于一维和二维水动力数学模型构建，忽略了水流的垂向分布特性，只适用于水深较浅且流速垂向分布不明显的水域，而在水深较大的区域，水流的垂向分布特性显著，不宜采用平均流速模式对抛石漂移进行计算。变加速运动模式考虑了水流的垂向分布特性、惯性力和抛石在水体中的相对加速运动，现有研究中水流的垂向分布特性主要基于明渠水流垂向流速分布规律，而在河口和近岸水域，由于风、波浪、岸线、地形的影响，水流垂向分布特性复杂多变，流速结构不完全遵循明渠水流垂向流速分布规律，且同一观测点垂向的流向也存在差异，因此抛石漂移计算采用现有研究方法将不适用河口和外海的抛石工程。计算流体动力学耦合离散元法(CFD-DEM)虽被广泛应用于抛石漂移机理研究中，但主要依托数值水槽进行计算，无法反映工程现场的实际情况，且计算时间成本较高，时效性较差，无法适用于抛石漂移的快速预测。

发明内容

有鉴于此，本发明创造旨在克服现有技术中的缺陷，提出一种考虑风浪流作用的水下抛石漂移距离的预测方法。

为达到上述目的，本发明创造的技术方案是这样实现的：

一种考虑风浪流作用的水下抛石漂移距离的预测方法，包括如下步骤：

S1、根据工程区域将网格进行划分；

将工程区域及其邻近的大范围海域作为大范围模型网格区域，由工程区域向外海网格逐渐稀疏；

将工程区域及其邻近的小范围海域作为中范围模型网格区域，该中范围模型网格区域被大范围模型网格区域覆盖，由工程区域向外海网格逐渐稀疏；

将工程区域作为小区域模型网格区域，以抛石区域为中心，采用精细化网格构建。

S2、建立波浪数学模型；

基于大范围模型网格，采用SWAN模式建立波浪数学模型，求解波作用守恒方程；模型采用风场进行驱动，基于从公开数据库获取的历史风场资料，输入SWAN模式中波作用守恒方程，计算得到历史时刻的波高、周期和波向；

S3、建立二维大范围潮流数学模型；