波浪作用下滨浅海区域海床及海底管线的响应

摘要

滨浅海区域是近年来我国海洋工程建设与海洋资源开发的热点地区，除了海洋平台、跨海大桥和深水港口等海洋工程外，还有大量海底给排水管道、油气输运管道和海底光电缆等工程也主要分布于滨浅海水域。在海洋工程建设快速发展的同时，海洋工程事故也时有发生，主要表现为波浪作用下海床失稳以及结构物发生过大的位移以致破坏等问题。因此，研究浅水海域波浪作用下海床以及海底管线的力学响应和安全性具有非常重大的现实意义。椭圆余弦波是一种典型的浅水波浪，在滨浅海区域有较好的适用性，潮汐可以看成是一种周期很长的波浪，工程建设中已经发现潮汐对滨浅海地区大直径海底管线的施工安全有较大的影响。本文通过解析分析和数值计算，研究了椭圆余弦波对海床及海底管线的作用以及潮汐对海底大直径管线施工的影响,主要研究内容及结果如下：
　　1.提出椭圆余弦波浪荷载计算的改进精细积分算法，克服了椭圆余弦波浪理论由于计算复杂而难以应用于实际工程分析的问题。分析表明，该计算方法非常方便使用，具有较高的精度和良好的稳定性。
　　2.针对目前研究中有多个独立控制方程用于描述波浪作用下海床响应的现状，研究了常用的渗流方程和Biot方程之间的关系。研究表明，海床的物理参数对两个方程计算结果之间的差异有较大影响。渗流方程的解为Biot方程在海床土体骨架是刚性时解的极限形式。应用两个方程分析波浪作用下海床响应时，采用Biot方程得出的波浪影响深度远大于渗流方程的结果。由于工程分析中很难取得海床的物理力学参数，因此综合应用两个方程可以为工程实践提供更加可靠的依据。
　　3.系统地研究了椭圆余弦波浪作用下海床的响应。分别采用渗流方程和Biot方程分析了椭圆余弦波作用下半无限厚海床和有限厚海床的响应，并通过参数分析，比较了海床骨架弹性参数、海床的渗透性、孔隙水中的气体含量对孔压的影响。研究表明：当孔隙水气体含量在0～2％之间变化和海床的渗透系数在1.0×10-6～2.5×10-3m/s之间变化时，气体含量和海床渗透系数对海床的孔压响应非常显著，海床的弹性参数对孔压响应也有一定的影响，海床渗透各向异性对孔压分布的影响较小。
　　4.系统地研究了椭圆余弦波浪对海底管线的作用力。分别应用渗流方程、Biot方程分析了埋置于半无限和有限厚度海床中的管线的受力情况，考察了管线施工中的管沟效应对管线受力的影响。并通过参数分析，研究了孔隙水中的气体含量、海床渗透性对管线受力的影响。研究表明：当分析埋置于半无限厚海床和有限厚海床中的管线受力时，采用Biot方程计算出的管线表面孔压幅值大于采用渗流方程的计算值，但管线顶部和底部的压力差小于后者；由于管沟中土体松散，渗透系数较大，采用两个方程计算出的结果差别较小。海床孔隙水中的气体含量、海床渗透性对管线的受力有明显的影响。参数分析结果表明：管线表面的孔压随孔隙水中气体含量的增加或海床渗透性的降低而减小，随海床渗透各向异性的增强而减小。海床渗透性提高或渗透各向异性增强可增加作用在管线上的水平方向作用力。当管线的埋深和波浪参数确定时，计算参数对管线受到的最大向上作力影响不明显。
　　5.结合工程实例，应用本文的研究方法及成果研究了波浪作用下海床液化与潮汐作用下海底管线的稳定性。分析了胜利三号平台在风浪作用下倾覆的机理，研究表明波浪作用下海床液化对平台的倾倒有推动作用。通过现场实测数据，验证了潮汐作用下渗流方程的适用性，进而研究了潮汐对厦门过海自来顶管的作用力，研究表明该顶管施工过程中的上浮与该海域强烈的潮汐作用有关。研究表明，本文的研究方法及理论成果具有较大实用性。

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主要符号表

第一章 绪 论

1.1研究背景及意义

1.2研究进展

1.3研究存在的问题

1.4本文所做的工作及主要创新点

第二章 浅水波浪荷载的计算

2.1浅水波浪理论简介

2.2波浪荷载的计算

2.3本章小结

第三章 控制方程及比较分析

3.1波浪作用下海床响应的控制方程

3.2渗流方程和Biot方程的比较

3.3潮汐作用下渗流方程的工程验证

3.4本章小结

第四章 椭圆余弦波浪作用下海床的响应

4.1基于渗流方程时有限厚海床的响应

4.2基于渗流方程时半无限海床的响应

4.3基于Biot方程时半无限海床的响应

4.4基于Biot方程时有限厚度海床的响应

4.5 本章小结

第五章 椭圆余弦波浪作用下海底管线的受力分析

5.1基于渗流方程时半无限海床中管线的受力分析

5.2基于渗流方程时有限厚度海床中海底管线的受力分析

5.3基于Biot方程时半无限均匀海床中管线受力分析

5.4基于Biot方程时有限厚度均匀海床中管线的受力分析

5.5本章小结

第六章 工程实例分析

6.1胜利三号平台倾倒事故分析

6.2潮汐对厦门海底顶管施工的影响分析

6.3本章小结

第七章 总结与展望

7.1主要研究成果

7.2研究展望

参考文献

致谢

攻读博士期间主要科研成果