一种波浪作用导致的软质海崖崖面侵蚀量预测方法

摘要

本发明公开了一种波浪作用导致的软质海崖崖面侵蚀量预测方法，考虑了深水波浪衰减、水流流速、波浪压力和回流吸力等水动力条件，以及土体强度参数，基于极限平衡理论，建立了波浪导致崖面土体侵蚀量的预测公式，实现侵蚀量较为准确的预测；方便一般工程师掌握，具有可操作性强的特点；预测结果为认识陆地土体向海洋方向输运过程和海岸工程防护提供依据。

说明书

技术领域

本发明涉及一种波浪作用导致的软质海崖崖面侵蚀量预测方法。

背景技术

软质海崖侵蚀是一个全球性的问题，世界上许多地区，如英国东 海岸、波罗的海周边、北海南部、北美大不列颠湖、美国科德角和加 利福尼亚州西海岸等地区的海崖均遭受严重的侵蚀和后退，最大蚀退 速率可达1-2m/a。明确海崖在未来若干年后所处的位置和侵蚀速率， 即预测出海崖侵蚀量，对于海崖防护的实施和土地规划等具有重要意 义。以往习惯用历史数据进行速率推测法进行侵蚀量预测，较少几个 理论计算模型均难以反映出波浪导致崖面侵蚀的过程，也无法由波浪 实际资料来预测侵蚀量大小。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术中的上述缺陷，提出一种波 浪作用导致的软质海崖侵蚀量预测方法，实现对软质海崖未来后退的 准确预测，为认识陆地土体向海洋方向输运过程和海岸工程防护提供 依据，具有可操作性强，预测准确的优点。

本发明一种波浪作用导致的软质海崖崖面侵蚀量预测方法，包括 如下步骤：

步骤1、根据海洋观测站获取台风期间的波浪资料，包括观测点 的水深h₀、波高H₀、波长L₀和波浪周期T₀、崖面前的增水深度h，强 波浪作用时间；

步骤2、统计波浪作用时间内，第i个波高序列范围内的波浪数， 即波高频数N_i，即将波高离散为[0-1]m、[1-2]m、[2-3]m、…、[n- n+1]m序列，统计出各波高序列对应的波高频数N_i；

步骤3、测出海崖土体的强度参数，包括土体不排水抗剪强度τ 和土体抗拉强度σ_t；

步骤4、确定海崖崖前的波高H_b，其计算公式为：

H_b＝0.39g^0.2(T₀H₀²)^0.4

式中，g为重力加速度,H₀为台风期间观测点的波高，T₀为观测点的 波浪周期；

步骤5、确定崖前的水流流速u₀，计算公式为：

$u_0=(H_b/2)\sqrt{g/h}$

式中，g为重力加速度，H_b为海崖崖前的波高，h为崖面前的增水深 度；

步骤6、确定崖面受到的波浪压力p₀，计算公式为：

p₀＝0.5ρ_wu₀²

式中，ρ_w为海水密度，取1025.22kg/m³,u₀为崖前的水流流速；

步骤7、确定波浪造成的海崖崖面回流吸力p，即波浪对海崖的 破坏力：

p＝m0.5ρ_wu₀²

式中，m可取0.58～0.92，均值为0.75；

步骤8、确定强台风作用一段时间时，导致的海崖崖面土体侵蚀 量D为：

$D=\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{N}_i\frac{p-{\sigma }_t}{4\tau }$

式中，n是波高序列数目，N_i为第i个波浪序列的波高频数，p为波浪 造成的海崖崖面回流吸力，τ为土体不排水抗剪强度，σ_t为土体抗拉 强度，当p<σ_t时，D取零。

采用上述技术方案后，本发明具有如下有益效果：

本发明的预测模型综合反映了波浪条件、土体强度参数和波浪侵 蚀过程，给出了波浪回流吸力导致的土体侵蚀量计算方法，能够根据 波浪实测参数预测软质海崖的准确侵蚀量，且可操作性强；预测结果 为认识陆地土体向海洋方向输运过程和海岸工程防护提供依据。

附图说明

图1为本发明采用的波高序列范围内波浪频数；

图2为本发明软质海崖侵蚀量预测结果。

以下结合具体实施例对本发明做进一步详述。

具体实施方式

本发明提出一种综合波浪条件和土质条件，且反映侵蚀过程的波 浪作用导致的软质海崖崖面侵蚀量预测方法，包括如下步骤：

步骤1、根据海洋观测站获取台风期间的波浪资料，包括观测点 的水深h₀、波高H₀、波长L₀和波浪周期T₀、崖面前的增水深度h，强 波浪作用时间，该波浪资料是导致侵蚀量的外因；

步骤2、统计波浪作用时间内，波高序列范围内的波浪数，即波 高频数，如第i个波浪序列的波高频数为N_i，即将波高离散为[0-1]m、 [1-2]m、[2-3]m、…、[n-n+1]m序列，统计出各波高序列对应的 波高频数N_i；

步骤3、测出海崖土体的强度参数，包括土体不排水抗剪强度τ 和土体抗拉强度σ_t，作为土质条件的海崖土体的强度参数是抵抗侵蚀 量的内因；

步骤4、确定海崖崖前的波高H_b，其计算公式为：

H_b＝0.39g^0.2(T₀H₀²)^0.4

式中，g为重力加速度,H₀为台风期间观测点的波高，T₀为观测点的 波浪周期；

步骤5、确定崖前的水流流速u₀，计算公式为：

$u_0=(H_b/2)\sqrt{g/h}$

式中，g为重力加速度，H_b为海崖崖前的波高，h为崖面前的增水深 度；

步骤6、确定崖面受到的波浪压力p₀，计算公式为：

p₀＝0.5ρ_wu₀²

式中，ρ_w为海水密度，取1025.22kg/m³,u₀为崖前的水流流速；

步骤7、确定波浪造成的海崖崖面回流吸力p，即波浪对海崖的 破坏力：

p＝m0.5ρ_wu₀²

式中，m可取0.58～0.92，均值为0.75；

步骤8、确定强台风作用一段时间时，导致的海崖崖面土体侵蚀 量D为：

$D=\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{N}_i\frac{p-{\sigma }_t}{4\tau }$

式中，n是波高序列数目，如图1中的n为14,N_i为第i个波浪序列的 波高频数，p为波浪造成的海崖崖面回流吸力，τ为土体不排水抗剪 强度，σ_t为土体抗拉强度，当p<σ_t时，D取零。

实际应用中，先获取波浪资料，重点是波高频数，如图1所示为 波浪连续作用10小时，周期为5.4S条件下，波高序列范围内的波高 频数，然后按上述步骤依次确定，最后累积计算海崖崖面土体侵蚀量， 某海崖的预测结果如图2所示，为在波浪不同作用时间时的海崖侵蚀 量预测结果。

本发明的预测模型综合反映了波浪条件、土体强度参数和波浪侵 蚀过程，给出了波浪回流吸力导致的土体侵蚀量计算方法；能够根据 波浪实测参数预测软质海崖的准确侵蚀量，且可操作性强；预测结果 为认识陆地土体向海洋方向输运过程和海岸工程防护提供依据。