海床-管道原位檢測(cè)及水動(dòng)力響應(yīng)分析.pdf

1、隨著油氣資源的快速開發(fā)，海底管道被廣泛地用來(lái)輸運(yùn)油氣、輸水和排污等，成為重要的海上生命線工程。由于海洋環(huán)境復(fù)雜多變和人類海上活動(dòng)日益頻繁，海底管道的破壞屢有發(fā)生，海底管道的安全性受到人們的重視。本文在國(guó)家自然科學(xué)基金“海浪荷載作用下海底粉質(zhì)土力學(xué)特性的試驗(yàn)研究及應(yīng)用(10372089)”的資助下，結(jié)合杭州灣海底管道工程，對(duì)海底管道的原位檢測(cè)技術(shù)，以及海床-管道系統(tǒng)對(duì)水動(dòng)力的響應(yīng)等方面進(jìn)行了研究。 系統(tǒng)分析了單波束測(cè)深、多波束測(cè)深

2、、淺地層剖面儀和側(cè)掃聲納等聲學(xué)探測(cè)技術(shù)在海底管道原位檢測(cè)中的應(yīng)用，探討了水深和設(shè)備技術(shù)指標(biāo)等因素對(duì)管道的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)能力的影響。結(jié)合多波束測(cè)深系統(tǒng)特點(diǎn)，提出基于海底微地貌和管道特征的改進(jìn)IDW算法，能夠構(gòu)建更高精度的DTM，為運(yùn)用多波束技術(shù)檢測(cè)海底管道奠定基礎(chǔ)。針對(duì)儀器設(shè)備的不同工作原理，開發(fā)了海底管道檢測(cè)數(shù)據(jù)處理集成技術(shù)，極大提高了工作效率和綜合利用多種檢測(cè)技術(shù)的能力，并已多次成功運(yùn)用于我國(guó)大型海底管道檢測(cè)工程。 在分析海底管道沖

3、刷-自埋機(jī)理基礎(chǔ)上，采用數(shù)值模擬方法對(duì)其中幾個(gè)關(guān)鍵狀態(tài)進(jìn)行分析，利用海底管道現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)，查明杭州灣海底管道敷設(shè)至完全掩埋各個(gè)階段的原位狀態(tài)，首次用現(xiàn)場(chǎng)資料驗(yàn)證了海底管道沖刷至掩埋的演變過(guò)程，完善了沖刷至掩埋的演變機(jī)制。 建立基于采用有限體積法的分離算法求解波浪作用下海床彈性響應(yīng)的數(shù)值模型，并和解析解對(duì)比。數(shù)值結(jié)果和解析解吻合，為進(jìn)一步研究有管道海床的彈性響應(yīng)以及液化問(wèn)題奠定了基礎(chǔ)。 采用HX-100動(dòng)三軸系統(tǒng)對(duì)杭州灣海

4、底管道路由區(qū)結(jié)構(gòu)性海洋粘性土原狀樣進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)，試驗(yàn)中采用低循環(huán)剪應(yīng)力比和大振次的方法來(lái)模擬波浪荷載，通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析建立了結(jié)構(gòu)性海洋粘性土孔壓發(fā)展模型。在海底土孔壓發(fā)展模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合能反映孔壓累積和消散的固結(jié)方程，獲得了波浪作用下一維海洋粘性土中孔壓發(fā)展的解析解。分析了波浪參數(shù)和土性參數(shù)對(duì)一維海床中長(zhǎng)期累積孔壓發(fā)展的影響，認(rèn)識(shí)到由于波浪荷載特性和海底表層的完全排水作用，累積孔壓會(huì)在海底土體的淺部形成峰值，峰值大小和位置隨著時(shí)

5、間和土體的排水特性的變化而變化。 結(jié)合波浪場(chǎng)產(chǎn)生的底壓力邊界條件，通過(guò)求解基于Biot固結(jié)理論的孔壓累積消散方程，能模擬二維有管道海床中瞬態(tài)孔壓的振蕩累積過(guò)程。通過(guò)對(duì)基于Biot固結(jié)理論和Terzaghi固結(jié)理論獲得的孔壓累積消散方程的比較，發(fā)現(xiàn)由二者計(jì)算得到的長(zhǎng)期累積孔壓非常接近，但后者求解方便，更適合工程應(yīng)用，因此在后者的基礎(chǔ)上探討了成層海床、含充填河谷海床以及有管道海床中的長(zhǎng)期累積孔壓特性和液化特征。研究表明，波浪荷載作用

6、下，由海洋粘性土組成的海床上部如果夾有砂質(zhì)夾層，或砂質(zhì)海床上部有薄層海洋粘性土覆蓋層，砂質(zhì)土層中的累積孔壓會(huì)急劇上升，容易導(dǎo)致液化的產(chǎn)生；相反，風(fēng)暴作用停止后，與砂類土相比，海洋粘性土中的殘余孔壓消散較慢，CPT實(shí)測(cè)結(jié)果也證明了這一結(jié)論。含充填河谷海床以及有管道海床因土性的差異而造成累積孔壓發(fā)展規(guī)律和液化特征與均質(zhì)海床有較大區(qū)別，如果管道槽中的回淤土為砂類土，而原始海床為海洋粘性土，則管道槽周圍不易發(fā)生液化；如果管道槽中的回淤土為海洋粘