水下埋设管线受邻近施工振动影响的安全监测评估方法

摘要

本发明公开了一种水下埋设管线受邻近施工振动影响的安全监测评估方法，具体过程为：在施工振动位置距埋设管线最近的直线上及沿管线方向确定测线布置相应振动监测点，利用海上施工船舶进行水上定位、水下钻孔并埋设振动传感器，在工程施工全过程中通过动态信号采集分析系统，实时采集监测的振动数据，结合土体-混凝土管线的局部精细化模型得出管线安全状态的评估值，评估管线安全。本发明建立邻近水下埋设管线在施工振动下的振动响应的监测体系，安全准确的监测近海工程中邻近水下埋设管线在施工振动下的振动响应，并建立局部精细化模型结合监测数据对邻近水下埋设管线安全评估与预警。

说明书

技术领域

本发明涉及一种结构安全监测评估方法，具体涉及的是一种水下埋设管线受邻近施工振动影响的安全监测评估方法。

背景技术

近海工程施工过程中，往往产生较为明显的施工振动，易对邻近既有水下埋设管线安全带来不利影响。近海工程施工振动主要有挖掘振动，爆破振动，打桩和打夯振动等。施工产生的振动通过周围土层以振动波的形式向场地外传播，引起施工场地邻近水下埋设管线的振动响应，给埋地管线的正常使用和安全运行带来不利影响。

埋设管线处于地层中，往往由于其重要性，不能直接接触以及安装监测装置。特别是在近海工程中，水下埋设管线位置较难精确确定，过近的钻孔埋设监测仪器同样有可能对管线造成损伤。因此，如何安全准确的监测近海工程中邻近水下埋设管线在施工振动下的振动响应，并有效的预测水下埋设管线的安全状况，即为本领域技术人员所研究的方向所在。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种近海工程施工振动对邻近水下埋设管线安全影响的监测评估方法，建立邻近水下埋设管线在施工振动下的振动响应的监测体系，对邻近水下埋设管线的安全状态进行评估与预警。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种水下埋设管线受邻近施工振动影响的安全监测评估方法，所述邻近施工为近海工程施工，包括以下步骤：

步骤1：确定监测路径、监测点位置及监测点数量；

步骤2：根据工程资料，通过有限元软件建立土体-混凝土管线的局部精细化模型，并定义其损伤本构关系，最终得出管线的起始损伤速度，具体如下

土体-混凝土管线的局部精细化模型损伤本构关系的具体表达式如下：

$>\sigma =(1-d)\stackrel{-}{\sigma }$>

$>\stackrel{-}{\sigma }=D_0^{e1}(ϵ-{ϵ}^{p1})$>

$>{\stackrel{\stackrel{·}{~}}{ϵ}}^{p1}=h(\bar{\sigma },{\widetilde{ϵ}}^{p1})·{\stackrel{·}{ϵ}}^{p1}$>

$>{\stackrel{·}{ϵ}}^{p1}=\lambda \frac{\partial G\left(\stackrel{-}{\sigma }\right)}{\partial \stackrel{-}{\sigma }}$>

式中，σ为名义应力；d为总的损伤指标；为有效应力；为材料的弹性本构矩阵；ε为材料应变；为塑性应变；h为硬化函数；为等效塑性应变率；为等效塑性应变；为塑性应变率；λ为塑性乘子；G为塑性势函数；

在模型中引入刚度退化指标，通过以下公式定义总的损伤指标：

(1-d)＝(1-s_td_c)(1-s_cd_t)   0≤s_t,s_c≤1

$>\left(\begin{array}{cc}{s}_t=1-{\omega }_t{r}^{*}\left({\stackrel{-}{\sigma }}_{11}\right)& 0\le {\omega }_t\le 1\end{array}\right)$>

$>\left(\begin{array}{cc}{s}_c=1-{\omega }_c(1-r^{*}\left({\stackrel{-}{\sigma }}_{11}\right))& 0\le {\omega }_c\le 1\end{array}\right)$>

$>r^{*}\left({\stackrel{-}{\sigma }}_{11}\right)=H\left({\stackrel{-}{\sigma }}_{11}\right)\left(\begin{array}{c}=\left(\begin{array}{ccc}1& \mathrm{if}& {\stackrel{-}{\sigma }}_{11}>0\\ 0& \mathrm{if}& {\stackrel{-}{\sigma }}_{11}<0\end{array}\right)\end{array}\right)$>

式中，d_t为受拉损伤指标；d_c为受压损伤指标；s_t和s_c分别为应力状态的函数，用来描述应力状态改变即拉压互相转换时对刚度退化的影响；ω_t和ω_c分别为权重因子；为施加冲击速度作用的X方向的有效应力；为自变量的Heaviside函数；为用于计算应力状态的函数，通过来赋值；

在土体-混凝土管线的局部精细化模型边界施加冲击速度，计算冲击速度变化过程中的损伤情况；若总的损伤指标d>0，即管线出现损伤，此时的冲击速度即为管线的起始损伤速度；

步骤3：利用海上施工船舶进行水上定位，在预定振动监测位置，进行水下钻孔并埋设振动传感器；

步骤4：在工程施工全过程中实时采集监测的振动数据，结合管线的起始损伤速度来计算管线安全状态的评估值θ_min，评估管线安全，具体如下：

401，对第i个监测点，管线的起始损伤速度记为V_i，根据监测的振动数据所得振动峰值为V'_i，计算管线安全状态的相对值θ_i，具体公式为：

$>{\theta }_i=\frac{V_i}{V_i^{\prime }}$>

式中，i为自然数；

402，管线安全状态评估值选取各监测点的管线安全状态的相对值的最小值：

θ_min＝min(θ₁,θ₂,…,θ_i,…)

则θ_min即为管线目前所处的总体安全状态，用以评估近海工程施工振动对邻近水下埋设管线安全影响；若θ_min小于1，表明管线出现损伤；否则表明管线处于安全状态。

作为本发明的进一步优化方案，步骤1中所述监测点位置是布置在施工振动位置距离埋设管线之间的土体中，沿振动位置距埋设管线最近的直线和埋设管线两个方向，同时根据振动深度和管线的埋设确定监测点的深度。

作为本发明的进一步优化方案，每个监测点监测三个方向的振动速度，分别是：（1）水平面内施工振动位置与该振动监测点的连线方向；（2）水平面内施工振动位置与该振动监测点的连线的垂直方向；（3）水平面竖直向上方向；并且上述（1）（2）（3）所述三个方向构成正交系、满足右手法则。

作为本发明的进一步优化方案，步骤2中所述权重因子ω_c＝1，ω_t＝0。

作为本发明的进一步优化方案，步骤2中所述对土体-混凝土管线的局部精细化模型施加的冲击速度随时间线性增大，并于0.1s时到达最大。

作为本发明的进一步优化方案，步骤3中所述海上施工船舶是通过GPS进行水上定位。

作为本发明的进一步优化方案，步骤4中是通过动态信号采集分析系统实时采集监测的振动数据，所述动态信号采集分析系统包括振动传感器、数据采集仪、计算机处理单元；所述振动传感器通过数据传输线与数据采集仪相连；所述数据采集仪通过数据总线与计算机处理单元相连。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，提出近海工程施工振动对邻近水下埋设管线安全影响的有效监测方法，并用安全相对值代替绝对值进行评价，把已经监测得到的数据评价结果和采用局部精细化模型的评价结果相结合，实现邻近水下埋设管线安全状态的动态监测评价，对施工振动的安全控制有重要意义。

附图说明

图1是本发明的监测点平面布置图。

图2是振动传感器示意图。

图3是土体-混凝土管模型的横断面示意图。

图4是振动传感器钻孔埋设示意图。

图5是动态信号采集分析系统示意图。

其中：1-施工振动位置；2～6-振动监测点；7-邻近水下埋设管线；8-振动传感器；9-数据线接口；10-数据传输线；11-混凝土管线；12-数据采集仪；13-数据总线；14-计算机处理单元。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

一种水下埋设管线受邻近施工振动影响的安全监测评估方法，包括以下步骤：

步骤1：确定监测路径、监测点数量及位置；

步骤2：根据工程资料，通过有限元软件建立土体-混凝土管线的局部精细化模型，并定义其损伤本构关系，最终得出管线的起始损伤速度；

步骤3：利用海上施工船舶进行水上定位，在预定振动监测位置，进行水下钻孔并埋设振动传感器；

步骤4：在工程施工全过程中通过动态信号采集分析系统，实时采集监测的振动数据，结合土体-混凝土管线的局部精细化模型计算管线安全状态的评估值，评估管线安全。

如图1所示的监测点平面布置图，为避免监测仪器埋设时对埋设管线7造成损伤，振动监测点布置在振动位置1及埋设管线7之间的土体中。实际监测工作中，沿施工振动位置距邻近水下埋设管线最近的直线确定测线布置监测点，监测振动在土体中传播过程中的衰减，分析邻近水下埋设管线最大的振动响应，如图1中监测点2、监测点3和监测点4；同时，沿平行于水下埋设管线方向确定测线布置监测点，监测管线不同位置的振动响应，分析不同位置振动响应的振动速度差及振动位移差，如图1中监测点4、监测点5和监测点6。并根据施工振动位置的深度及管线的埋设调整实际振动监测点的深度。

振动传感器8通过数据线接口9与数据传输线10连接，其所测振动的三个方向构成正交系并满足右手法则：X方向指在水平面内与施工振动位置与该振动监测点的连线方向同向；Y方向为在水平面内与施工振动位置与该振动监测点的连线方向垂直；Z方向为竖直向上，如图2所示。

混凝土管线11埋设在土体中，其埋深及模型相关尺寸由实际工程资料确定。土体-混凝土管线的局部精细化模型所采用的本构模型综合lubliner等人提出的塑性损伤模型以及lee和fenves提出的适合循环荷载作用下的混凝土塑性损伤模型，将损伤指标引入混凝土模型，对混凝土的弹性刚度矩阵加以折减，以模拟混凝土的卸荷刚度随损伤增加而降低的特点；将非关联硬化引入混凝土塑性本构模型中，更好的模拟混凝土的受压弹塑性行为；引入刚度退化指标，人为控制裂缝闭合前后的行为，模拟反复荷载下混凝土的反应。同时针对混凝土管线11接缝处的薄弱面，建立了接缝刚度双直线模型模拟接缝处薄弱面的振动响应。

土体-混凝土管线的局部精细化模型损伤本构关系的具体表达式如下：

$>\sigma =(1-d)\stackrel{-}{\sigma }---\left(1\right)$>

$>\stackrel{-}{\sigma }=D_0^{e1}(ϵ-{ϵ}^{p1})---\left(2\right)$>

$>{\stackrel{\stackrel{·}{~}}{ϵ}}^{p1}=h(\bar{\sigma },{\widetilde{ϵ}}^{p1})·{\stackrel{·}{ϵ}}^{p1}---\left(3\right)$>

$>{\stackrel{·}{ϵ}}^{p1}=\lambda \partial G\left(\stackrel{-}{\sigma }\right)/\partial \stackrel{-}{\sigma }---\left(4\right)$>

式(1)定义了考虑损伤时的有效应力；式(2)定义了有效应力和弹性应变之间的关系；式(3)和式(4)定义了混凝土的塑性行为。σ为名义应力；d为总的损伤指标；为有效应力；为材料的弹性本构矩阵；ε为材料应变；为塑性应变；h为硬化函数；为等效塑性应变率；为等效塑性应变；为塑性应变率；λ为塑性乘子；G为塑性势函数。

通过在模型中引入刚度退化指标，用以下公式来定义总的损伤指标。

(1-d)＝(1-s_td_c)(1-s_cd_t)   0≤s_t,s_c≤1

$>\left(\begin{array}{cc}{s}_t=1-{\omega }_t{r}^{*}\left({\stackrel{-}{\sigma }}_{11}\right)& 0\le {\omega }_t\le 1\end{array}\right)$>

$>\left(\begin{array}{cc}{s}_c=1-{\omega }_c(1-r^{*}\left({\stackrel{-}{\sigma }}_{11}\right))& 0\le {\omega }_c\le 1\end{array}\right)$>

$>r^{*}\left({\stackrel{-}{\sigma }}_{11}\right)=H\left({\stackrel{-}{\sigma }}_{11}\right)\left(\begin{array}{c}=\left(\begin{array}{ccc}1& \mathrm{if}& {\stackrel{-}{\sigma }}_{11}>0\\ 0& \mathrm{if}& {\stackrel{-}{\sigma }}_{11}<0\end{array}\right)\end{array}\right)$>

其中，d为总的损伤指标；d_t为受拉损伤指标；d_c为受压损伤指标；s_t和s_c为应力状态的函数，用来描述应力状态改变即拉压互相转换时对刚度退化的影响；ω_t和ω_c为权重因子，与材料有关的参数，在应力状态改变时用来控制抗拉和抗压刚度恢复情况；为施加冲击速度作用的X方向的有效应力；为自变量的Heaviside函数；为用于计算应力状态的函数，通过来赋值。据大量试验可知，对于混凝土等脆性材料，当施加作用力由拉应力变为压应力，即微裂缝闭合时其抗压刚度完全恢复；相反，当施加作用力由压应力变为拉应力，微裂缝重新张开时其抗拉刚度不恢复。因此，在该混凝土模型中一般取ω_c＝1和ω_t＝0。

根据工程实际情况施加冲击速度荷载及其他相应荷载，如土体及混凝土管线自重等，冲击速度沿X方向施加，如图3所示，随时间线性增大并在0.1s时到达最大，通过损伤指标公式计算速度变化过程中的损伤情况，当管线出现损伤时，此时的冲击速度即为管线的起始损伤速度。

利用海上施工船舶通过GPS定位，在预定监测点位置钻孔，将振动传感器8埋设到相应位置，并用膨胀泥球封堵，使传感器与周围土层嵌固紧密，并通过数据传输线10与数据采集设备连接，进行振动数据的采集，如图4所示。

如图5所示的动态信号采集分析系统示意图，监测点的振动传感器8通过数据传输线10将振动数据传输至数据采集仪12，数据采集仪12将收集到的振动数据通过数据总线13传输至计算机处理单元14，计算机处理单元14对监测所得振动数据进行处理，得到振动峰值。

对第i个监测点，用土体-混凝土管线的局部精细化模型计算所得的起始损伤速度为V_i，根据监测数据所得振动峰值为V'_i，可以得到管线安全状态的相对值，具体表示为：

$>{\theta }_i=\frac{V_i}{V_i^{\prime }}$>

式中，i为自然数。

若θ_i>1，管线处于安全状态，并且所得的计算值越大，管线越安全；若θ_i<1，管线处于危险状态，并且所得计算值越小，管线越危险。

管线安全状态评估值选取各监测点的管线安全状态相对值的最小值：

θ_min＝min(θ₁,θ₂,…,θ_i,…)

则θ_min即为管线目前所处的总体安全状态，用以评估近海工程施工振动对邻近水下埋设管线安全影响。如发现安全状态相对值小于1，则表明管线开始出现损伤，应立即提出警告，停止工程施工，修改施工方案。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。