波浪作用下海底管线及周围海床动力响应分析

摘要

海底管线是目前最为经济、高效地由近海油田向陆地输送石油和天然气的工程设施，在海洋石油工程中具有广泛的应用。在设计管线时所考虑的环境荷载中，波浪荷载是主要的环境因素之一。当波浪在海面传播时，会引起海床表面周期性变化的波压力，海床表面的波压力进一步传递到海床中，在海床中引起超静孔隙水压力和附加有效应力，改变了海床中有效应力的分布。因此，为了合理地评价海底管线在波浪作用下的稳定性，必须考虑波浪荷载在管线周围海床中所引起的动力响应及其对管线自身内部动应力的影响。迄今为止，在海底埋置管线的稳定设计中，大多是基于经验性的结果，还没有发展一个更加合理、完整的设计方法。在海底管线设计中存在的一个关键性问题就是准确地计算由波浪所引起的海底管线附近海床中的超静孔隙水压力和管线内应力。 本文考虑管线的柔性，分别采用饱和孔隙介质的Biot动力固结理论和弹性动力学理论列出了海床与管线的控制方程，进而采用摩擦接触理论考虑海床与管线之间的相互作用效应，基于有限元方法建立了海床.管线相互作用的计算模型及其数值算法。通过计算发现土.管之间的接触效应对波浪所引起的管线周围海床中的超静孔隙水压力影响很小，但对波浪所引起的管线内应力影响显著。惯性力效应对波浪所引起的管线周围海床中的超静孔隙水压力具有一定影响，但对波浪所引起的管线内应力影响很小。管沟尺寸对于管线内应力具有显著影响。管沟形状对管线附近海床中由波浪所引起的超静孔隙水压力及管线内应力均有显著影响。 目前大多数研究只是考虑了管线、海床在线性推进波作用下的响应，没有考虑波浪非线性对于管线及其周围海床响应的影响，也没有考虑立波波浪荷载作用下管线及其周围海床响应。本文基于Biot动力固结理论及弹性动力学理论列出多孔海床及海底管线的有限元方程，并采用接触摩擦理论考虑管线与海床之间的相互作用效应，基于有限元方法研究非线性波浪作用下海底埋置管线和多孔海床相互作用问题。数值计算结果表明，在计算中如果忽略波浪非线性项，既有可能低估海底管线内应力及管线周围海床中超静孔隙水压力，也有可能高估海底管线内应力及管线周围海床中超静孔隙水压力。这取决于波数、水深、波长及波高等波浪要素。相同波浪参数条件下，立波和推进波所引起的管线内应力及其周围海床中超静孔隙水压力分布有很大差别。对于立波波浪，如果忽略波浪非线性项，甚至会得到正负符号与实际情况完全相反的计算结果。 本文应用重复性原理提出一种二维有限元模型来研究波浪引起的埋置管线及其周围海床土体响应问题。此模型认为海床土体为多孔弹性介质，管线为弹性介质，采用摩擦接触理论考虑海床与管线之间的相互作用效应；重点考察上覆层宽度、深度和倾角等因素对于波浪引起的埋置管线内应力及其周围海床土体中超静孔隙水压力的影响。研究发现随着上覆层宽度的增大，由波浪所引起的管线外表面超静孔隙水压力和管线内部的剪应力增大，而管线内部的径向正应力、环向正应力减小。随着上覆层厚度和上覆层倾角的减小，由波浪所引起的管线外表面超静孔隙水压力增大；随着上覆层厚度和上覆层倾角的增大，由波浪所引起的管线内部的径向正应力、环向正应力均增大，而管线内部的剪应力减小。本论文将不排水条件下的超静孔隙水压力增长模式引入到二维固结方程中，对于管线附近海床建立了推广的带有超静孔隙水压力累积源项的二维固结方程。基于有限元方法对推广的固结方程进行数值求解，得到波浪作用下海床中累积超静孔隙水压力的发展过程与变化规律。通过变动参数对比计算讨论了海床土性参数、波浪参数和管线几何尺寸对由波浪所引起的管线周围海床中累积超静孔隙水压力及累积超静孔隙水压力比分布的影响。通过计算分析可以发现，土的变形模量、渗透系数和波松比等土性参数对由波浪所引起的管线周围海床中的累积超静孔隙水压力具有显著影响：随着土的变形模量、渗透系数和波松比的减小，由波浪所引起的海床中的累积超静孔隙水压力均增大。海水深度、波浪高度、海床厚度等因素也会对由波浪所引起的管线周围海床中的累积超静孔隙水压力比产生显著影响：随着海水深度和海床厚度的减小、波浪高度的增大，由波浪所引起的海床中的累积超静孔隙水压力比增大。另外管线半径和管线埋深对管线附近海床中的累积超静孔隙水压力及累积超静孔隙水压力比影响规律较为复杂；但在距离管线一定距离之外的海床中，管线半径和管线埋深对海床中累积超静孔隙水压力及累积超静孔隙水压力比的影响非常小。 室内模型实验和现场观测均已发现波浪引起的海床超静孔隙水压力存在瞬时和累积两种响应，已有工作大多只单独研究其中的一种超静孔隙水压力响应机理。本文将波浪引起的振动超静孔隙水压力与海床的变形和固结紧密结合起来，将不排水条件下超静孔隙水压力增长模式引入Biot动力固结方程中，提出一种新的适用于海床液化问题的二维有效应力分析方法，进一步对波浪作用下海底管线周围海床中瞬时和累积超静孔隙水压力的发展过程与变化规律进行了有限元模拟与分析。根据所估算的超静孔隙水压力，对波浪作用下管线周围海床的液化势进行了评价。通过计算分析可以发现，在较浅区域海床中，瞬时超静孔隙水压力有可能对于海床液化起主导作用；相对于较深区域海床，较浅区域海床更易发生液化；海床土土性参数、波浪要素以及管线几何参数对由波浪所引起的管线周围海床中的超静孔隙水压力均具有显著影响。

目录

文摘

英文文摘

声明

1引言

1.1研究背景

1.2国内外研究现状及发展动态

1.2.1海底管线稳定性设计方法

1.2.2海底管线稳定性模型试验研究

1.2.3波浪作用下自由海床响应解析及数值分析

1.2.4波浪作用下土-管相互作用系统响应解析及数值分析

1.2.5波浪引起的自由海床及管线周围海床液化研究

1.3论文的研究目的和研究内容

1.3.1研究目的

1.3.2研究内容

2波浪作用下孔隙海床-管线动力相互作用有限元列式及数值解法

3非线性波浪作用下海底管线动力响应分析

3.1概述

3.2线性及非线性波浪荷载

3.3边界条件及数值解法

3.4算例验证

3.5数值计算结果与分析

3.5.1推进波波浪非线性的影响

3.5.2立波波浪非线性的影响

3.6小结

4波浪引起的粗粒料上覆层中海底管线动力响应分析

4.1概述

4.2计算模型及其边界条件

4.3算例验证

4.4数值计算结果与分析

4.4.1粗粒料上覆层宽度的影响

4.4.2粗粒料上覆层厚度的影响

4.4.3粗粒料上覆层倾角的影响

4.4.4粗粒料上覆层变形模量的影响

4.4.5粗粒料上覆层渗透系数的影响

4.4.6粗粒料上覆层孔隙率的影响

4.4.7粗粒料上覆层波松比的影响

4.5小结

5波浪作用下海底管线周围海床液化分析-解耦方法

5.1概述

5.2波浪作用下海床液化研究方法比较

5.3边值问题

5.3.1控制方程

5.3.2边界条件及初值条件

5.3.3累积超静孔隙水压力增长模式

5.4有限元方程及求解

5.4.1超静孔隙水压力累积有限元一般格式

5.4.2数值解法

5.5算例验证

5.6数值计算结果与分析

5.6.1海床土的变形模量的影响

5.6.2海床土的渗透系数的影响

5.6.3海床土的波松比的影响

5.6.4海水深度的影响

5.6.5波浪高度的影响

5.6.6海床厚度的影响

5.6.7管线半径的影响

5.6.8管线埋深的影响

5.7小结

6波浪作用下海底管线周围海床液化分析-耦合方法

6.1概述

6.2边值问题

6.2.1控制方程

6.2.2边界条件及初值条件

6.2.3超静孔隙水压力增长模式

6.2.4土管接触效应

6.3有限元方程及求解

6.3.1海床的有限元方程

6.3.2海底埋置管线的有限元方程

6.3.3数值解法

6.4算例验证

6.5数值计算结果与分析

6.5.1不同工况结果对比

6.5.2海床中不同深度处超静孔隙水压力比时程对比

6.5.3不同时间结果对比

6.5.4海底管线存在的影响

6.5.5海床土的变形模量的影响

6.5.6海床土的渗透系数的影响

6.5.7海床土的波松比的影响

6.5.8海水深度的影响

6.5.9波浪高度的影响

6.5.10海床厚度的影响

6.5.11管线半径的影响

6.5.12管线埋深的影响

6.6结论

7结论和展望

7.1主要结论

7.2展望

参考文献

创新点摘要

攻读博士学位期间发表学术论文及参加科研情况

致谢