基于波浪压力的跨海桥梁海域的波浪要素及潮位测量方法

摘要

本发明公开了基于波浪压力的跨海桥梁海域的波浪要素及潮位测量方法，具体步骤如下，步骤1，在施工海域内选取测试点，在位于测试点内的钢管桩的外表面环向等间距设置若干波浪压力传感器，波浪压力传感器位于低潮位平均水平面以下2-4米；步骤2，根据各波浪压力传感器采集的波浪压力值，生成各波浪压力传感器对应的波浪压力时程曲线；步骤3，选取某一时间段内最大波浪压力值所在的波浪压力传感器为参考波浪压力传感器，参考波浪压力传感器的波浪压力时程曲线为参考波浪压力时程曲线；步骤4，根据参考波浪压力时程曲线，计算得到波浪要素和波浪潮位。本发明结构简单，用于全面测量波浪要素和潮位。

说明书

技术领域

本发明涉及波浪要素及潮位测量技术领域，具体涉及基于波浪压 力的跨海桥梁海域的波浪要素及潮位测量方法。

背景技术

跨海大桥在建设中需要面对复杂的海洋环境，强风、波浪、流速 等环境载荷对桥梁的建设有重要的影响，甚至起到决定性影响因素。 在实际工程中，通常参考《海港水文规范》(JTS145-2-2013)中关于 波浪力的相关规定作为计算依据，而波浪要素是波浪力计算的重要组 成部分。

目前的波浪要素测试，一般是采用气介式超声波浪仪，该波浪仪 可以测试波浪的波高和周期，但是不能测量波浪的方向和潮位。也采 用球式水面波浪测试装置，该装置需要漂浮在水面，通过振动浮体的 漂浮状态测试波浪要素，由于浮体本身对波浪产生了破坏，因而测试 结果存在一定的误差。亦采用一种波浪浮标的波向定向检定装置，该 装置可以对波向进行测量，但是其测量要素较为单一，且结构相对复 杂。有上述内容可知，现有技术中测量波浪要素的设备和方法存在如 下问题：测量设备昂贵，测量成本高；浮标系统，维修养护难、影响 现场施工；对波浪要素测量较为单一，不能够对波浪要素和潮位进行 全面测量。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供基于波浪压 力的跨海桥梁海域的波浪要素及潮位测量方法，用于测量桥梁施工海 域的波浪要素和潮位，具有测量误差小，性能稳定和测量全面的优点。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

基于波浪压力的跨海桥梁海域的波浪要素及潮位测量方法，具体 步骤如下：

步骤1，在施工海域内选取测试点，在位于测试点内的钢管桩的 外表面环向等间距设置若干波浪压力传感器，波浪压力传感器位于低 潮位平均水平面以下2-4米；

步骤2，根据各波浪压力传感器采集的波浪压力值，生成各波浪 压力传感器对应的波浪压力时程曲线；

步骤3，选取某一时间段内最大波浪压力值所对应的波浪压力传 感器为参考波浪压力传感器，参考波浪压力传感器的波浪压力时程曲 线为参考波浪压力时程曲线；

步骤4，根据参考波浪压力时程曲线，计算波浪要素和波浪潮位。

在上述技术方案的基础上，所述波浪要素包括波浪波高、波浪周 期、波浪压力和波浪方向。

在上述技术方案的基础上，波浪波高的计算方法包括：

S1.1，通过前期实验，获得波浪压力变量A₁、波浪波高A₂和波 浪压力传感器位于当前潮位水面以下的深度h之间的关系，其关系式 为：

A₂＝f(A₁，h)

S1.2，根据参考波浪压力时程曲线，求波浪压力平均值记为P_平， 根据公式h＝P_平/(ρg)，其中ρ为水密度，g为重力加速度，均为已知 参数，计算参考波浪压力传感器位于当前潮位水面以下的距离h；

S1.3，将参考波浪压力时程曲线上的波浪压力传感器的波浪压力 变量A₁和波浪压力传感器位于当前潮位水面以下的深度h代入步骤 S1.1中关系式后，算出波浪波高A₂。

在上述技术方案的基础上，所述波浪方向的计算方法包括：

S2.1，根据参考波浪压力时程曲线，判断波浪方向与参考波浪压 力传感器之间的位置关系，如下：

同一时间段内参考波浪压力传感器顺时针一侧和逆时针一侧的 的波浪压力传感器测得的波浪压力峰值为P_顺和P_逆，参考波浪压力传 感器测得的波浪压力峰值为P，

若P＞P_顺＝P_逆，则波浪方向与该参考波浪压力传感器的测压面 垂直；

若P＝P_顺＞P_逆或P＝P_逆＞P_顺，则波浪方向位于参考波浪压力传 感器和其顺时针方向或逆时针方向的波浪压力传感器的正中间；

若P＞P_顺＞P_逆或P＞P_逆＞P_顺，则波浪方向位于参考波浪压力传 感器与其顺时针方向或者逆时针方向的波浪压力传感器之间，此时波 浪方向与参考波浪压力传感器之间的夹角为θ；

S2.2，计算波浪方向与参考波浪压力传感器之间的夹角θ，其包 括：

进行波浪模型试验，拟合出波浪方向与参考波浪压力传感器之间 的夹角θ、波浪方向一侧的参考波浪压力传感器测得的波浪压力峰值 P和波浪方向另一侧的波浪压力传感器测得的波浪压力峰值P_侧之间 的函数关系为θ＝f(P/P_侧)；

提取一段时间内参考波浪压力传感器的波浪压力峰值P，和位于 参考波浪压力传感器旁侧较大的波浪压力峰值P_侧，若P＞P_顺＞P_逆则P_侧＝P_顺，若P＞P_逆＞P_顺则P_侧＝P_逆；

将波浪压力峰值P和P_侧代入函数关系式θ＝f(P/P_侧)，计算出波 浪方向与参考波浪压力传感器之间的夹角为θ。

在上述技术方案的基础上，其中，步骤4，根据参考浪压力时程 曲线，计算波浪潮位的具体步骤如下，

S3.1，根据参考波浪压力时程曲线，求波浪压力平均值记为P_平；

S3.2，根据公式h＝P_平/(ρg)，其中ρ为水密度，g为重力加速度， 均为已知参数，计算参考波浪压力传感器位于当前潮位水面以下的距 离h；

S3.3，已知参考波浪压力传感器的安装高度，换算为参考波浪压 力传感器到潮高基准面的距离记为h₁，根据S3.2计算的参考波浪压 力传感器位于当前潮位水面以下的距离h，得到当前潮位为H＝h+h₁。

在上述技术方案的基础上，所述波浪压力传感器为24个，相邻 波浪压力传感器之间的角度为15°。

在上述技术方案的基础上，所述钢管桩表面设置有安装板，所述 安装板呈环形卡箍状，所述波浪压力传感器安装于所述安装板上。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)本发明的基于波浪压力的跨海桥梁海域的波浪要素及潮位 测量方法，能够对波浪要素进行比较全面的测量，如测量波高、周期 和波向，同时能够计算出潮位，能够准确确定波浪载荷，指导跨海大 桥施工组织提供比较全面和可靠的实测参数。

(2)本发明只需要使用波浪压力传感器，将波浪压力传感器安 装在钢管桩上，在施工现场具有大量的钢管桩，可随地取材，能够有 效的控制波浪测试的成本，保证测试系统的稳定性和耐久性。

附图说明

图1为本发明的流程图。

图2为本发明实施例中波浪压力传感器安装示意图。

图3为本发明实施例中波浪压力传感器安装示意图。

图4为本发明实施例中的波浪压力传感器时程曲线。

图5为本发明实施例中标注波浪压力周期及平均值的波浪压力 时程曲线。

图6为本发明实施例中标注波浪压力变量的波浪压力时程曲线。

图7为本发明实施例中波浪方向与波浪压力传感器垂直的示意 图。

图8为本发明实施例中波浪方向位于两波浪压力传感器正中间 的示意图。

图9为本发明实施例中波浪方向与波浪压力传感器之间有夹角 的示意图。

图中：1-钢管桩，2-安装板，3-波浪压力传感器。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。

参见图1所示，本发明实施例提供基于波浪压力的跨海桥梁海域 的波浪要素及潮位测量方法，具体步骤如下：

步骤1，在施工海域内选取测试点，测试点处的波浪传播方向无 施工临时结构阻挡，在位于测试点内的钢管桩1的外表面环向等间距 设置24个波浪压力传感器3，相邻波浪压力传感器3之间的角度为 15°，波浪压力传感器3位于低潮位平均水平面以下2-4米；

参见图2和图3所示，本实施例中钢管桩1的外表面设置有安装 板2，安装板2呈环形卡箍状，波浪压力传感器3安装于安装板2上， 其中波浪压力传感器为24个。

步骤2，根据24个波浪压力传感器3在一段时间内按照一定的 频采集到的波浪压力值，生成24波浪压力传感器对应的波浪压力时 程曲线。

步骤3，选取某一时间段内最大波浪压力值所对应的波浪压力传 感器为参考波浪压力传感器，参考波浪压力传感器的波浪压力时程曲 线为参考波浪压力时程曲线；

参见图4所示，参考波浪压力传感器是波浪压力传感器4#，其 在60s内的波浪压力变化时程曲线为参考波浪压力时程曲线。

步骤4，根据参考波浪压力时程曲线，计算得到波浪要素，其中 波浪要素包括波浪压力值、波浪波高、波浪周期和波浪方向，

其中，根据参考波浪压力时程曲线上的波浪压力值，计算出波浪 波高，计算波浪波高的方法如下：

S1.1，根据《波浪模型实验规程》在海洋深水实验室进行前期标 定实验，确定实验数据与施工海域测试点的测试数据之间的相似关 系，通过设置不同的波浪压力传感器位于当前潮位水面以下的深度h， 例如设置h＝h₁、h₂、h₃、h₄、h₅….，使用波高测量仪测量模型实验的 测试波高，使用波浪压力传感器测量模型实验的测试波浪压力，

拟合波浪压力变量A₁和波浪波高A₂和波浪压力传感器位于当前 潮位水面以下的深度h之间的关系，其关系式为：

A₂＝f(A₁，h)

S1.2，参见图6所示，根据参考波浪压力时程曲线提取施工海域 的参考波浪压力时程曲线上的波浪压力变量A₁，求波浪压力平均值 记为P_平，根据公式h＝P_平/(ρg)，其中ρ为水密度，g为重力加速度， 均为已知参数，计算参考波浪压力传感器位于当前潮位水面以下的距 离h，将波浪压力变量A₁和参考波浪压力传感器位于当前潮位水面 以下的距离h代入步骤S1.1的关系式，得到波浪波高A₂；

S1.3，对步骤1.2得到的波浪波高A₂从大到小进行排列，得到该 60s内的最大波浪波高、1/10波浪波高、1/3波浪波高和平均波浪波 高。

参见图5所示，根据参考波浪压力时程曲线上的波浪压力周期， 计算出波浪周期，波浪压力周期与波浪周期相等。波浪压力均值记为 波浪压力零线，波浪压力曲线上升过程中与波浪压力零线的记为上跨 零点，相邻两个上跨零点之间的时间段即为波浪压力周期。由于波浪 压力和波浪波高的周期相等，提取60s内波浪压力周期，将波浪压力 周期与波浪波高进行对应，得出该时间段内的最大波浪波高对应周 期，最大1/10波浪波高对应周期，最大1/3波浪波高对应周期和平均 波浪波高周期。

其中，根据参考波浪压力时程曲线，计算波浪潮位的具体步骤如 下：已知参考波浪压力传感器的安装高度，换算为参考波浪压力传感 器到潮高基准面的距离记为h₁，根据S1.2计算的参考波浪压力传感 器位于当前潮位水面以下的距离h，得到当前潮位为H＝h+h₁。

其中，根据参考波浪压力时程曲线上的波浪压力值，计算波浪方 向的方法如下：

S2.1，根据参考波浪压力时程曲线，判断波浪方向与参考波浪压 力传感器之间的位置关系，如下：

参见图7、图8和图9所示，同一时间段内，参考波浪压力传感 器顺时针一侧和逆时针一侧的波浪压力传感器测得的波浪压力峰值 分别为P_顺和P_逆，参考波浪压力传感器测得的波浪压力峰值为P，本 实施例中P为波浪压力传感器4#在60s内的波浪压力峰值，P_顺为波 浪压力传感器5#在60s内的波浪压力峰值，P_逆为波浪压力传感器3# 在60s内的波浪压力峰值，

若P＞P_顺＝P_逆，则波浪方向与波浪压力传感器4#的测压面垂直；

若P＝P_顺＞P_逆，则波浪方向位于波浪压力传感器4#和波浪压力 传感器5#的正中间，此时波浪方向与波浪压力传感器4#的夹角为偏 波浪压力传感器5#7.5°；

若P＝P_逆＞P_顺，则波浪方向位于波浪压力传感器4#和波浪压力 传感器3#的正中间，此时波浪方向与波浪压力传感器4#的夹角为偏 波浪压力传感器3#7.5°；

若P＞P_顺＞P_逆，则波浪方向位于靠近波浪压力传感器4#偏波浪 压力传感器5#一侧的扇形区域内，此时波浪方向与波浪压力传感器 4#之间的夹角为θ；

若P＞P_逆＞P_顺，则波浪方向位于靠近波浪压力传感器4#偏波浪 压力传感器3#一侧的扇形区域内，此时波浪方向与波浪压力传感器 4#之间的夹角为θ；

S2.2，计算波浪方向与波浪压力传感器4#之间的夹角θ，其包括：

进行波浪模型试验，拟合出波浪方向与参考波浪压力传感器之间 的夹角θ与波浪方向一侧的参考波浪压力传感器测得的波浪压力峰 值P和波浪方向另一侧的波浪压力传感器测得的波浪压力峰值P_侧之 间的函数关系为θ＝f(P/P_侧)；

提取60s内参考波浪压力传感器的波浪压力峰值P，和位于参考 波浪压力传感器旁侧较大的波浪压力峰值P_侧；

参见图9所示，本实施例中P＞P_逆＞P_顺，波浪方向位于波浪压 力传感器3#和波浪压力传感器4#之间，故P_侧＝P_逆；

将波浪压力传感器4#的浪压力峰值P和波浪压力传感器3#的浪 压力峰值P_逆代入函数关系式θ＝f(P/P_侧)，计算出波浪方向与参考波 浪压力传感器之间的夹角为θ。

本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员 来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰， 这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细 描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。