海床-管道原位檢測及水動力響應分析.pdf

1、隨著油氣資源的快速開發(fā)，海底管道被廣泛地用來輸運油氣、輸水和排污等，成為重要的海上生命線工程。由于海洋環(huán)境復雜多變和人類海上活動日益頻繁，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。本文在國家自然科學基金“海浪荷載作用下海底粉質(zhì)土力學特性的試驗研究及應用(10372089)”的資助下，結合杭州灣海底管道工程，對海底管道的原位檢測技術，以及海床-管道系統(tǒng)對水動力的響應等方面進行了研究。 系統(tǒng)分析了單波束測深、多波束測深

2、、淺地層剖面儀和側(cè)掃聲納等聲學探測技術在海底管道原位檢測中的應用，探討了水深和設備技術指標等因素對管道的現(xiàn)場檢測能力的影響。結合多波束測深系統(tǒng)特點，提出基于海底微地貌和管道特征的改進IDW算法，能夠構建更高精度的DTM，為運用多波束技術檢測海底管道奠定基礎。針對儀器設備的不同工作原理，開發(fā)了海底管道檢測數(shù)據(jù)處理集成技術，極大提高了工作效率和綜合利用多種檢測技術的能力，并已多次成功運用于我國大型海底管道檢測工程。 在分析海底管道沖

3、刷-自埋機理基礎上，采用數(shù)值模擬方法對其中幾個關鍵狀態(tài)進行分析，利用海底管道現(xiàn)場檢測技術，查明杭州灣海底管道敷設至完全掩埋各個階段的原位狀態(tài)，首次用現(xiàn)場資料驗證了海底管道沖刷至掩埋的演變過程，完善了沖刷至掩埋的演變機制。 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的數(shù)值模型，并和解析解對比。數(shù)值結果和解析解吻合，為進一步研究有管道海床的彈性響應以及液化問題奠定了基礎。 采用HX-100動三軸系統(tǒng)對杭州灣海

4、底管道路由區(qū)結構性海洋粘性土原狀樣進行了室內(nèi)試驗，試驗中采用低循環(huán)剪應力比和大振次的方法來模擬波浪荷載，通過對試驗數(shù)據(jù)的分析建立了結構性海洋粘性土孔壓發(fā)展模型。在海底土孔壓發(fā)展模型的基礎上，結合能反映孔壓累積和消散的固結方程，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)對一維海床中長期累積孔壓發(fā)展的影響，認識到由于波浪荷載特性和海底表層的完全排水作用，累積孔壓會在海底土體的淺部形成峰值，峰值大小和位置隨著時

5、間和土體的排水特性的變化而變化。 結合波浪場產(chǎn)生的底壓力邊界條件，通過求解基于Biot固結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)孔壓的振蕩累積過程。通過對基于Biot固結理論和Terzaghi固結理論獲得的孔壓累積消散方程的比較，發(fā)現(xiàn)由二者計算得到的長期累積孔壓非常接近，但后者求解方便，更適合工程應用，因此在后者的基礎上探討了成層海床、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急劇上升，容易導致液化的產(chǎn)生；相反，風暴作用停止后，與砂類土相比，海洋粘性土中的殘余孔壓消散較慢，CPT實測結果也證明了這一結論。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