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专利名称：基于非均匀沙起动的海底冲刷区确定方法

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202111269144.3

专利申请（专利权）人：国网浙江省电力有限公司舟山供电公司,浙江大学,浙江大学舟山海洋研究中心
权利人地址：浙江省舟山市定海区临城街道定沈路669号

专利发明（设计）人：闫循平,孙志林,丁凯璇,丛贇,孙晓龙,侯松生,谢仕挺

专利摘要：本发明公开一种基于非均匀沙起动的海底冲刷区确定方法，首先收集目标海域的每个采样点的水深和底质特征相关参数，确定泥沙级配情况，采用非均匀沙起动公式计算泥沙分级起动流速；选定目标海域，确定海洋动力模型的整体范围，收集该海域水深与海岸线数据以及模拟台风暴潮需要的台风数据；构建风暴潮数值模型，进行数值模拟，提取目标海域风暴潮流速场时间变化，得到每个网格点的风暴潮最大流速；通过数学插值将目标海域每个采样点计算得出的分级起动流速插值到数值模型网格节点上，比较每个网格节点的风暴潮最大流速和多个粒级的起动流速，确定冲刷点；汇总所有存在冲刷网格节点，得出海底冲刷区。该冲刷区的确定能为海缆铺设施工提供科学指导。

主权利要求：
1.一种基于非均匀沙起动的海底冲刷区确定方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：步骤一：收集目标海域的每个采样点的水深和底质特征相关参数，确定泥沙级配情况，采用非均匀沙起动公式计算泥沙分级起动流速其中，Vkc为第k粒级泥沙起动流速，h为水深，Dm为中值粒径，ρs为沙粒密度，ρ为海水密3
度，ρ′s为泥沙干密度，取1.6t/m ，ρs*为泥沙稳定干密度，g为重力加速度，Dk为第k粒级平均?粒径，σD为泥沙粒径均方差，h0为分子引力附加水头，δ为颗粒间空隙的特征厚度，取2x107
m；
步骤二：选定目标海域，确定海洋动力模型的整体范围，收集该海域水深与海岸线数据以及模拟台风暴潮需要的台风数据；构建风暴潮数值模型，进行数值模拟，提取目标海域的风暴潮流速场时间变化，得到每个网格点的风暴潮最大流速Vmax；
步骤三：通过数学插值方法将步骤一中目标海域每个采样点计算得出的分级起动流速插值到数值模型网格节点上，比较每个网格节点的风暴潮最大流速Vmax和多个粒级的起动流速Vc，当Vmax≥Vc，表明该粒级泥沙存在冲刷可能，当存在冲刷可能的所有粒级体积百分比达到冲刷判断标准，则认为网格节点为冲刷点；汇总所有存在冲刷网格节点，得出海底冲刷区；
h0＝1.2m。
2.根据权利要求1所述的基于非均匀沙起动的海底冲刷区确定方法，其特征在于，由于底质取样与模型网格不匹配，通过网格平均、三角内插与内部扩散将分级起动流速插值到网格节点上。
3.根据权利要求1所述的基于非均匀沙起动的海底冲刷区确定方法，其特征在于，以存在冲刷可能的所有粒级体积百分比达到5％为冲刷标准，判断计算网格节点是否为冲刷点。 说明书 : 基于非均匀沙起动的海底冲刷区确定方法技术领域[0001] 本发明属于海洋防灾减灾领域，尤其涉及一种基于非均匀沙起动的海底冲刷区确定方法。背景技术[0002] 随着海洋经济发展，海底缆线得到了广泛的应用。海缆不仅建设成本很高，维修成本也不容忽视，然而海洋动力环境复杂多变，台风作用下的强潮流很有可能引起海底发生局部冲刷，导致海缆局部裸露甚至悬空，水流作用下产生涡激振动对海缆安全构成极大威胁。由于海缆深埋海底，一旦发生事故，不仅会干扰生产生活的正常运行，而且维修成本巨大，因此开展对海底冲刷区域的研究，对海缆路由选择、施工和维护都有着重要意义。[0003] 常用的海缆防护措施，如深埋保护、抛石保护以及一些新型技术保护方法，这些防护措施多是结合施工规范和实际工程经验，缺少面对特定海域、特定海洋动力情况的针对性措施。根据《海底光缆工程设计规范GB/T51154?2015》海缆埋设深度在5m～150m水深海域不宜小于3m，然而在实际施工中有些海域的底质情况极易冲刷，经过极端的海洋动力作用之后冲刷深度不止于3m，有的海域底质起动流速较大难以冲刷，3m的深埋保护量造成了施工浪费。抛石保护不仅在施工过程中对施工能力要求非常高，容易造成对海缆的机械性损伤，而且在海流的长期作用下可能发生蚀空，并不能达到良好的保护效果。此外一些新型保护技术如混凝土联锁块、阻流板技术等，存在着水下作业量大、施工难度高、维护成本高等缺点。[0004] 因此，目前针对该领域需要迫切解决的一个技术问题是：在面对特定海域底质情况以及可能的极端风暴潮作用下，提供一种有效的判断方法，预测海缆海域的可能冲刷情况，为海缆路由选择、防护措施选取、维护等方面提供科学建议。发明内容[0005] 本发明的目的在于提供了一种基于非均匀沙起动的海底冲刷区确定方法，指导海缆敷设施工、检修维护等，为海洋防灾减灾服务。[0006] 本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：[0007] 一种基于非均匀沙起动的海底冲刷区确定方法，该方法包括如下步骤：[0008] 步骤一：收集目标海域的每个采样点的水深和底质特征相关参数，确定泥沙级配情况，采用非均匀沙起动公式计算泥沙分级起动流速[0009][0010] 其中，Vkc为第k粒级泥沙起动流速，h为水深，Dm为中值粒径，ρs为沙粒密度，ρ为海3水密度，ρ′s为泥沙干密度，取1.6t/m，ρ′s*为泥沙稳定干密度，g为重力加速度，Dk为第k粒级平均粒径，σD为泥沙粒径均方差，h0为分子引力附加水头，δ为颗粒间空隙的特征厚度，取?72x10 m；[0011] 步骤二：选定目标海域，确定海洋动力模型的整体范围，收集该海域水深与海岸线数据以及模拟台风暴潮需要的台风数据；构建风暴潮数值模型，进行数值模拟，提取目标海域的风暴潮流速场时间变化，得到每个网格点的风暴潮最大流速Vmax；[0012] 步骤三：通过数学插值方法将步骤一中目标海域每个采样点计算得出的分级起动流速插值到数值模型网格节点上，比较每个网格节点的风暴潮最大流速Vmax和多个粒级的起动流速Vc，当Vmax≥Vc，表明该粒级泥沙存在冲刷可能，当存在冲刷可能的所有粒级体积百分比达到冲刷判断标准，则认为网格节点为冲刷点；汇总所有存在冲刷网格节点，得出海底冲刷区。[0013] 进一步地，由于底质取样与模型网格不匹配，通过网格平均、三角内插与内部扩散将分级起动流速插值到网格节点上。[0014] 进一步地，以存在冲刷可能的所有粒级体积百分比达到5％为冲刷标准，判断计算网格节点是否为冲刷点。[0015] 进一步地，h0＝1.2m。[0016] 进一步地，步骤二的风暴潮数值模拟过程中，台风场模式选用考虑海面阻力项的孙志林?钟汕鸿改进台风场模式，公式如下：[0017][0018] 台风最大风速半径按如下公式计算：[0019][0020] 式中：P∞为外围气压；P0为台风中心气压；R为最大风速半径；Vs为梯度风速；δa为层?6 2流底层厚度，取0.15m；ν为大气粘滞系数，取15.8×10 m/s；ρa为大气密度；Vcξ和Vcη为台风移行风速在ξ和η方向的分量；θ为梯度风吹入角；Pmin为中国近海测得的最低中心气压，取895hPa；Rmin为Pmin对应的最大风速半径均值，为27.9km；k取10.5。[0021] 本发明的有益效果如下：[0022] (1)本发明的基于非均匀沙起动的海底冲刷区确定方法，根据水深和海域底质分布采用非均匀沙起动流速公式计算获得起动流速空间分布，根据数值模拟的风暴潮流速场计算风暴潮最大流速，通过比较风暴潮最大流速和分级起动流速进行对比，得出海底冲刷区域，为海缆铺设施工提供科学指导；[0023] (2)本发明基于非均匀沙起动的海底冲刷区确定方法，通过计算获得风暴潮最大流速和分级起动流速相比较，还可以得到海底冲刷区域内的临界起动粒径，在进行海缆防护施工时可根据该临界粒径选择合适的防护措施。附图说明[0024] 下面将结合附图对本发明作进一步说明，附图中：[0025] 图1为本发明一种基于非均匀沙起动的海底冲刷区确定方法的步骤流程图；[0026] 图2为浙江舟山大衢?嵊泗110kV海缆线路工程某采样点底质泥沙级配曲线；[0027] 图3为浙江舟山大衢?嵊泗110kV海缆线路工程某采样点2106号台风期间风暴潮流速图。具体实施方式[0028] 下面将参照附图详细地描述本发明的示例性实施例。[0029] 本申请实施例的核心思想在于，提供一种基于非均匀沙起动的海底冲刷区确定方法，通过收集目标海域的水深、底质特征等资料，采用非均匀沙起动流速公式计算获得分级起动流速分布，在高精度模拟风暴潮的基础上比较风暴潮最大流速和最小分级起动流速，以此得到海底冲刷区，进一步可以得到冲刷区内临界起动粒径，为海缆路由选择、防护措施选取、维护等方面提供科学建议。[0030] 参照图1为本发明基于非均匀沙起动的海底冲刷区确定方法的步骤流程图，结合浙江舟山大衢?嵊泗110kV海底电缆线路工程具体说明本发明实施例。[0031] 本发明实施例具体包括以下步骤：[0032] 步骤一：收集目标海域的多个采样点的水深和底质特征相关参数，通过试验确定泥沙级配情况，采用非均匀沙起动公式计算泥沙分级起动流速[0033][0034] 其中，Vkc为第k粒级泥沙起动流速，h为水深，Dm为中值粒径，ρs为沙粒密度，ρ为海3水密度，ρ′s为泥沙干密度，取1.6t/m，ρ′s*为泥沙稳定干密度，g为重力加速度，Dk为第k粒级平均粒径，σD为泥沙粒径均方差，h0为分子引力附加水头，其可通过黏性非均匀沙起动试验?7确定来确定，取1.2m～10m，δ为颗粒间空隙的特征厚度，取2x10 m。[0035] 该实施例通过激光粒度仪分析确定底质泥沙级配情况。[0036] 图3为海缆线路工程某采样点底质泥沙级配曲线(122°21.5869'E，30°36.9556'3S)，该点水深h为20.6m，底质泥沙中值粒径Dm为18.841μm，沙粒密度ρs为2.7g/cm，泥沙干密3度ρs'为1.35g/cm ，σD为35.57μm。表1为根据非均匀沙起动流速公式计算获得的该点的分级起动流速分布；[0037] 表1分级起动流速分布表[0038][0039][0040] 步骤二：选定目标海域，确定海洋动力模型的整体范围，收集该海域水深与海岸线数据以及模拟风暴潮需要的台风数据；构建风暴潮数值模型，进行数值模拟。风暴潮数值模型有很多种，可以根据需要选择不同模式的风暴潮数值模型。在该实施例中，风暴潮数学模型采用基于Boussinesq假定和静压假设的不可压缩流体N?S方程：[0041] 连续性方程：[0042][0043] ξ方向和η方向动量方程：[0044][0045] 式中：ζ为水位；d为模型参考平面水深；Q为单位面积水量变化值；qin和qout为单位体积源和汇；P和E为降水源和蒸发汇； 和 为坐标转换系数；u、v和w分别为ξ、η和σ向的流速；U和V为水深平均流速；νV为垂向涡粘系数；Pξ和Pη为ξ和η向的压力梯度；f为科氏力系数；Fξ和Fη为ξ和η向的雷诺应力项；Mξ和Mη为ξ和η向的动量源汇项，对于风暴潮模拟，台风场和海底阻力项将由此引入。[0046] 台风场模式也存在很多种，可以直接选取数值模拟模型自带的台风场模式。该实施例选用考虑海面阻力项的孙志林?钟汕鸿改进台风场模式，公式如下：[0047][0048] 台风最大风速半径按如下公式计算：[0049][0050] 式中：P∞为外围气压；P0为台风中心气压；R为最大风速半径；Vs为梯度风速；δa为层?6 2流底层厚度，取0.15m；ν为大气粘滞系数，取15.8×10 m/s；ρa为大气密度；Vcξ和Vcη为台风移行风速在ξ和η方向的分量；θ为梯度风吹入角；Pmin为中国近海测得的最低中心气压，取895hPa；Rmin为Pmin对应的最大风速半径均值，为27.9km；k取10.5。[0051] 提取目标海域的风暴潮流速场时间变化，得到每个网格点的风暴潮最大流速Vmax，如图3为浙江舟山大衢?嵊泗110kV海缆线路工程某采样点2106号台风期间风暴潮流速图。根据风暴潮数值模拟结果，该采样点(122°21.143'E，30°28.5095'S)位于数值模型网格节点上，在2106号台风期间最大风暴潮流速为2.24m/s，该点小于最大风暴潮流速的粒级所占体积分数为5.36％；[0052] 步骤三：通过数学插值方法将步骤一中目标海域每个采样点计算得出的分级起动流速插值到数值模型网格节点上，比较每个网格节点的风暴潮最大流速Vmax和多个粒级的起动流速Vc，当Vmax≥Vc，表明该粒级泥沙存在冲刷可能，当存在冲刷可能的所有粒级体积百分比在5％以上则认为该网格节点为冲刷点，根据此判断标准，采样点(122°21.143'E，30°28.5095'S)所在网格节点为冲刷点，按如上步骤完成所有网格节点的冲刷判断。汇总所有存在冲刷网格节点，得出海底冲刷区。

专利地区：浙江

专利申请日期：2021-10-29

专利公开日期：2024-11-19

专利公告号：CN114117951B