[发明专利]一种近海浅水区海床波压力的计算方法

说明书

发明提供一种近海浅水区海床波压力的计算方法。该计算方法包括确定波浪运动基本方程、确定自由水面边界条件、求解孤立波自由波面表达式、求解波浪场内任意一水质点的水平分速u、求解浅水区波浪一阶波动方程和计算波浪压力等步骤。本方法可有效计算近海浅水区海床波压力，提高波浪作用下海床动态响应分析的准确程度与计算效率。

技术领域

本发明涉及港口、海岸与近海工程领域，特别涉及计算近海浅水区海床波压力的计算方法。

背景技术

随着经济的迅猛发展，我国的石油需求量也不断增涨。由于当今陆地油气资源的日渐短缺，海洋油气资源的开发已引起了国内外的高度重视。近些年，我国于渤海湾区域、东海、珠江口、北部湾和南海建成投产了许多大中型油田。随着油田的建立，各种海上油气设施的建设也逐步发展。由于我国海上石油开采起步较晚，目前大多数油田都建在近海处，因此在海上平台和海底油气管道的建设及运行阶段需充分考虑浅水区波浪的特性。通常波浪的传播会引起海床面波压力随周期变化，在海床地基中引起渗流压力，极端情况下甚至会发生液化。一旦地基土体发生液化，海上石油构筑物的支撑条件就会改变，甚至发生事故。因此为了保证海上油气构筑物的长期运行，在设计阶段必须充分考虑海床所受的波压力。

发明内容

本发明的目的是提供一种近海浅水区海床波压力的计算方法，以解决现有技术中存在的问题。

为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种近海浅水区海床波压力的计算方法，包括以下步骤：

1)设z为垂直方向变量，x为水平方向变量，o为坐标原点。确定波浪运动基本方程如式(1)所示。波浪场内任意质点的波压力，以及流速与速度势的关系如(2)所示。

式中，▽为哈密顿算子。φ为速度势函数。为流场内任一水质点的水平流速，m/s。为流场内任一水质点的竖向流速，m/s。p_w为流体中各点的压力，MPa。ρ_w为流体的密度，kg/m³。g为重力加速度，取9.8m/s²。d为静水深度，m。t为时间，s。

2)假定海床表面为水平不透水边界，确定自由水面z＝η+d处的动力学边界条件如式(3)所示，运动学边界条件如式(4)所示。

式中，η为波面在静水以上的高度，m。

3)取幂级数作为速度势函数，根据边界条件及假设条件对波浪运动基本方程进行求解，得到孤立波自由波面表达式如式(6)，波浪场内任意一水质点的水平分速u如式(7)所示。其中，势函数的表达式如式(5)所示。

式中，sech(.)为双曲正割函数。c为波浪的传播速度，m/s。H为波高，m。

4)通过式(6)和式(7)得到浅水区波浪一阶波动方程为：

5)根据假定条件得到浅水区一阶波浪压强分布式如式(9)。

则浅水区波浪在海床表面引起的波浪压力为：

6)对待评价海域进行波浪要素调查。

7)将调查数据带入式(10)，计算待评价海域海床所受波压力。

本发明的技术效果是毋庸置疑的：计算方法考虑了浅水区波浪的特征，可有效计算近海浅水区海床波压力，提高波浪作用下海床动态响应分析的准确程度与计算效率。