[发明专利]基于能量守恒及数值流场的桥梁局部冲深计算方法和装置

说明书

本发明涉及桥墩冲深预测技术领域，是关于一种基于能量守恒及数值流场的桥梁局部冲深计算方法和装置，方法包括：获取目标桥梁监测点的基本特征参数；基于圆柱绕流机理对桥墩迎流方向流场进行简化，结合数值流场分析确定流场参数和等效流场转换系数；根据基本特征参数信息、流场参数和等效流场转换系数，计算目标桥梁监测点的桥墩迎流方向流场的输入总能量E_input和桥墩墩周泥沙搬运输出总能量W；基于能量守恒，流体与桥墩互相作用以及与河床摩擦产生的能量耗散，将输入总能量E_input和输出总能量W联立，得到联立表达式；根据联立表达式，预测目标桥梁监测点的桥墩局部冲深，解决现有冲刷预测公式所含参数之间逻辑不清晰的问题。

技术领域

本发明涉及桥墩冲深预测技术领域，尤其涉及一种基于能量守恒及数值流场的桥梁局部冲深计算方法和装置。

背景技术

经验性公式通过筛选桥桩冲刷的影响参数，利用大量试验及现场观测数据进行量纲分析，对相关系数进行拟合。我国公路和铁路部门在泥沙起动理论的基础上，制定了65-1式及65-2式。美国联邦公路署（FHWA）推荐使用HEC-18方程。Melville 和 Chiew研究了均匀沙床条件下圆柱桩周围清水冲刷深度随时间的变化规律，建立了局部冲刷深度与时间的函数关系。

非黏性土桥墩局部冲刷65-1式表示为：

非黏性土桥墩局部冲刷65-2式表示为：

HEC-18方程表示为：

Melville方程可表示为：

半理论半经验公式通常先基于一定理论基础推导获得公式的结构形式，再利用试验及现场观测数据对公式内参数进行拟合。Kang Zhou等人基于湍流唯象理论，探讨了涡流之间能量的互相传递，通过研究涡流系统长度尺度与速度尺度和床面剪切应力的关系，建立了多圆柱体的无量纲冲刷深度预测模型；

基于机器学习的黑匣子方法，通过大量的训练样本构建一组有效变量（作为模型输入）和冲刷深度（作为目标变量）之间的关系，预测值的精度与训练样本的数据量成正相关。

现有技术存在以下缺陷：

1、对于现有的经验公式，由于无法获得大量的实桥冲刷数据，因此无法准确获得无量纲参数之间功能关系的真实情况。

2、现有的经验公式不能够在无量纲参数之间提供理论框架。

3、现有的半经验半理论公式参数之间逻辑关系不够清晰，且同样具有较强经验性及地域局限性。

4、现有的半经验半理论公式应用实际工程较少。

5、黑匣子的预测精度随数据样本数量的增加而增加，但在实际工程中，由于现场监测环境的复杂性，用于训练的模型输入参数和目标变量的获取非常困难，训练样本的数量难以积累。且该方法由于训练样本的区域性，具有较强的地域局限性。

6、现有的公式在应用于跨海大桥时未考虑潮流流速的折减。

发明内容

为克服相关技术中存在的问题，本发明提供一种基于能量守恒及数值流场的桥梁局部冲深计算方法和装置，通过能量守恒理论构建局部冲刷预测公式，解决了现有冲刷预测公式所含参数之间逻辑不清晰的问题，并且基于少量监测特征数据开展数值流场分析用于计算局部冲刷深度，避免了现有技术方法对训练样本精度及数量的依赖，同时克服了现有技术方法的地域局限性。

根据本发明实施例的第一方面，提供一种基于能量守恒及数值流场的桥梁局部冲深计算方法，所述方法包括：