海底斜坡稳定性研究进展及分析

海底斜坡稳定性受风暴潮、海底地震等有许多不确定因素影响,易发生失稳破坏,产生较大的海洋地质灾害问题.简要介绍了国内外海底斜坡稳定性研究进展;利用GEO-SLOPE滑坡分析软件进行海底边坡稳定性计算,建立研究区斜坡有限元模型、滑移模式,确定模型计算的基础资料如海底地形参数、地层结构参数、土体强度参数等指标,模拟大风浪和地震力作用等极端条件下斜坡稳定性可靠度计算和数值分析,确定海底斜坡失稳空间特征和斜坡失稳概率,对促进今后的海底斜坡稳定性分析方法研究将会起到一定的指导作用.     

曹妃甸海底深槽斜坡稳定性分析与评价

海底斜坡稳定性受风暴潮、海底地震等诸多不确定因素影响,易发生失稳破坏,产生较大的海洋地质灾害。简要介绍海底斜坡稳定性分析方法,建立曹妃甸深槽典型斜坡计算模型,确定了模型计算的海底地形参数、地层结构参数、土体物理力学参数等指标,利用GEO-SLOPE斜坡分析软件进行海底斜坡稳定性定量计算,分析了工程建设前自然状态下以及在大规模工程建设后海底斜坡稳定性,并模拟分析了在大风浪和地震等极端条件下斜坡的稳定性,确定了海底斜坡失稳空间特征。首次采用数值计算对曹妃甸海底斜坡稳定性进行定量分析评价,可以为类似近海建设工程提供重要的参考作用。     

海底管道疲劳寿命预报方法

海底管道悬跨管段在波流联合作用下非常容易发生疲劳破坏.文中通过多项Galerkin方法对海底管跨的涡激振动方程进行求解,获得管跨系统的时域非线性动力响应,分析疲劳裂纹扩展模型MeEvily模型中各个参数对管道疲劳寿命的影响,在此基础上提出管道疲劳寿命预报方法.     

人工神经网络技术在海底沉积物声速预报中的应用

海底沉积物物理力学若干项参数与其声学性质存在着一定的关系.用回归拟合方法获得海底沉积物声速预报方程存在不足,难以获得3参数以上的声速预报方程.采用人工神经网络智能方法,建立了多参数声速预报神经网络模型.研究表明:2参数神经网络模型的预报误差比相应的2参数回归模型小,3参数神经网络模型的预测精度要高于2参数神经网络模型.为海底沉积物的声速预报提供了一条新途径.     

基于极限分析上限方法的海底斜坡稳定性评价

极限平衡法仍是当前海底斜坡稳定性的主要工程评价方法,但该法只能给出稳定性分析的近似解答。基于极限分析运动学定理,假定海底斜坡发生对数螺线型滑移破坏模式,将滑体有效自重和简化波浪力等以外荷载形式叠加引入到虚功率方程中,与潜在滑动面上由黏聚力产生的内能耗散率相平衡,建立考虑一阶简化波浪效应的海底斜坡上限解法;利用多变量无导数求极值的逐级迭代方法与最优化技术,结合抗剪强度折减思想,求解波浪加载下不同时刻的海底斜坡稳定性与相应的临界破坏机构,并针对典型算例开展有限元数值解的验证。进而联合采用数值法与上限解,探讨波高、波长、水深等波浪参数对海底斜坡稳定性与滑动机制的影响。结果表明,本文提出的上限解与数值解吻合较好,获得的安全系数与破坏模式等符合一般规律,为波浪作用下海底斜坡的稳定性评价提供了新的途径。     

复杂荷载作用下海底腐蚀管线破坏机理研究进展

腐蚀是引起海底管线破坏的一种重要原因。综述在内部工作压力和外部环境荷载作用下海底腐蚀管线破坏机理的研究,论述海底腐蚀管线在单一荷载和多种荷载联合作用下的破坏状态,并说明了当前研究的热点问题。最后,对该领域进一步的研究工作进行了展望。     

基于Chirp数据和Biot-Stoll模型反演南海北部陆坡海底表层沉积物物理性质

浅地层剖面是基于声学信号(频率在几百至几千赫兹)在沉积物中的传播得到可反映沉积地层结构的数据,海底反射系数与沉积物物理性质密切相关。Biot-Stoll声波传播理论模型可以预测海底沉积物的物理性质,构建反射系数等声学参数与物理参数之间的关系,但在不同的海域采用不同的参数所获得的效果不同。为此,本文基于南海北部陆坡海底表层沉积物的实测物理参数,利用Biot-Stoll模型建立研究区海底反射系数和沉积物物理性质之间的关系,结果表明模型计算值与样品实测值吻合度总体较好,偏差在0.1%～4.9%之间,并建立了频率3.5 kHz时海底反射系数与沉积物孔隙度、密度、平均粒径之间的关系方程,且方程拟合度较高,可决系数R2均大于0.99。在对典型Chirp剖面数据计算其海底反射系数的基础上,反演了海底表层沉积物的孔隙度、密度、颗粒平均粒径等物理性质,其中反演孔隙度、密度、平均粒径与实测孔隙度、密度、平均粒径相对误差均小于5%,结果与实测值基本相符,表明该反演方法在南海北部陆坡区的应用是可行的。     

中国东南近海海底沉积物声学物理性质及其相关关系

在获得的数据资料基础上,发现了中国东南近海海底沉积物声学物理参数的平面分布规律,通过对这些参数的回归分析以及对声速和沉积物密度的估计,建立了经验公式。结果显示,中国东南近海海底沉积物的基本声学物理特性如下:沉积物类型多样而且复杂,从黏土到砂砾有13个颗粒组分组合;沉积物物理力学参数变化范围较大;沉积物声学性质相对于附近海域的数据变化范围更大。这些都与海底沉积环境、沉积物来源、沉积条件和沉积作用过程有关。该项研究有助于建立海底地声模型及开展应用。     

基于 Biot-Stoll 模型声速反演中的参数选择——以南海南部沉积物为例

研究海底表层沉积物性质对海洋矿产资源探测、海洋工程建设等有重要的意义。Biot-Stoll模型可以模拟预测海底沉积物的物理性质,但采用不同的参数模拟的效果不同。Stoll参数是各种海洋环境下模型达到最佳预测的单一数值的形式;Schock参数则是对渗透率、孔隙大小、沉积物孔隙曲折度等修改后的函数表达式形式,更接近沉积物实际情况。采用Stoll参数和Schock参数分别计算了南海南部海区海底沉积物纵波速度,并对南海南部沉积物样品进行了计算和实测对比,结果表明,采用Stoll参数计算误差较大,平均为3.962%;采用Schock参数计算误差较小,平均为0.847%。因此,在南海南部海区采用Schock参数预测海底表层沉积物物理性质更准确。     

海底沉积物纵波速度与强度参数关系模型研究

海底沉积物具有质地松软、强度低的特点,其强度参数与海上平台插桩就位、导管架的安装等工程关系紧密,与海上作业安全息息相关。常规钻孔取芯与静力触探等强度参数获取方法成本较高、取样点少,且对沉积物扰动较大,利用易获取的声学资料预测海底沉积物的强度参数具有重要研究意义。本文基于Wood方程、Biot-Stoll模型、Dvorkin等效介质模型等声波传播理论,计算不同物性参数（密度、孔隙度）梯度下的理论纵波速度,结合室内模拟地层声学实验,对比了模型计算声速与实测声速的变化特征,建立了声速与物性参数关系模型。基于室内模拟地层土力学试验,揭示了沉积物物性与抗剪强度、黏聚力等参数之间的关系,建立了物性与强度参数关系模型。以物性参数为桥梁,建立基于声学特征的海底沉积物强度参数预测模型。此模型既避免了原位取样沉积物失水扰动的问题,又弥补了经验公式局限性的缺点,具有普适性与准确性,有效提高无法取样地区沉积物强度参数的精度,提高了经济效益,对浅层的勘探与开发起到了理论指导的作用。     

极端波浪条件下黏土质斜坡海床稳定性解析

海洋资源开发引起海底软黏土的结构性破坏,导致土体强度弱化,在百年一遇的极端波浪作用时极易发生斜坡海床的局部失稳甚至大范围海底滑坡,给海洋工程建设和正常运营带来严重影响。目前,主要采用极限平衡法评价这类海底斜坡,但该法只能给出近似解。基于极限分析上限方法,推导了极端波浪诱发的波压力对斜坡海床的做功功率,建立了外力功与内能耗散率平衡方程;利用最优化方法,结合数值积分和强度折减技术,求解了不同时刻的斜坡海床稳定性系数,并针对扰动后的斜坡海床开展了有限元解的对比验证。在此基础上,深入探讨了不同波浪参数(波长、波高和水深)和坡长小于一个波长等极端条件下的海底斜坡稳定性。     

黏性土淹没射流破土实验研究

海底水力喷射开沟技术在海底管道、光缆埋设等工程中得到广泛应用,然而黏土尤其是硬质黏性土中的水力开沟施工较为困难,为阐明其中的破土机制,开展了二维垂向淹没射流开沟物理模拟实验。通过观察射流破土的过程,发现:软黏土与硬质黏性土中冲坑发展的特点有所不同,破土机制也存在差异。射流对硬质黏性土的破坏中,压力导致的剪切破坏起到很大作用,在土力学原理上近似于地基土整体剪切破坏,据此建立了硬质黏性土射流破土模型,同时提出冲坑颈口直径在硬质黏性土冲坑形态中的重要性,并以此取代原有的冲坑直径作为一个预测指标。     

海底浅层气的地震波场模拟与特征

考虑海底介质的黏滞性,讨论了二维黏弹性波动方程,建立了包含密度、品质因子等物性参数的海底浅层气模型来精确描述目标,采用数值模拟的手段,正演计算了地震波在团(块)状浅层气、高压气囊、下凹气道、气底辟等4种不同海底浅层气模型中的传播响应。为了有效地压制在粗网格下差分计算产生的数值频散,将通量校正传输(FCT)算法应用于波动方程的求解中,提高了地震波场模拟的精度和运算效率。通过计算获得了不同储存层条件下海底浅层气的地震波剖面特征,得到了典型声学剖面识别标志,为海洋地质灾害勘察提供了一种有效的科学研究手段。     

海底沉积物声速经验方程的分析和研究

比较国内外主要研究者提出的海底沉积物声速单参数、双参数和多参数预报经验方程的物理意义和适用性,提出了孔隙度-含水量预报海底沉积物声速新的双参数公式,该式避免了单一参数预报声速经验方程和某些双参数公式中物理意义不明确以及多参数方程复杂性及对提高预报计算能力效果不显著之处.基于理论分析,改进孔隙度-含水量双参数计算公式得到的通用模型具有明确的物理意义,可以通过修改参数适用于不同海域的声速预报,提高了泛化能力,扩大了适用范围.通过对孔隙度、含水量等物理参数的权值分析研究,更加明确了孔隙度是影响海底沉积物声速大小的最关键参数.用台湾海峡北部、南海海域、珠江口大陆架三处的海域沉积物测量数据比较了不同模型,验证了本模型的优越性.     

渤海导管架平台桩柱冰压力随机过程模型及其参数确定

首先分析了冰压力随机过程的特征及其产生机理,从而按冰的破坏形式将冰压力随机过程分为挤压破坏过程、屈曲破坏过程和弯曲破坏过程.从渤海海冰对平合桩柱作用大量实测冰压力曲线中选取37条典型的冰挤压破坏时程曲线,经谱分析确定了相应冰压力随机过程的谱密度及其谱参数;进一步经统计分析,建立了谱参数与冰厚的关系;在此基础上,建立了绕圆桩柱的冰压力随机场模型,并利用大量实测数据,经统计回归分析,确定了场函数的具体表达形式,由此用冰压力随机场可以容易地确定圆桩柱的总冰压力随机过程及其谱密度.     

浅海沉积层声学特性对声传播损失的影响仿真研究

为厘清海底沉积层声学特性信息的水声环境保障需求,构建浅海两层海底环境参数模型,并参考Hamilton海底底质9种分类设置沉积层声速、密度、衰减系数及厚度的参考值及计算采样区间,利用Kraken简振波模型,采用控制变量的方法,研究了浅海沉积层声学特性参数对声传播损失的影响;开展了建模理论推导及数值技术分析,研究了海底沉积层声学特性参数在模型计算过程中调用过程,并从建模计算的角度对仿真计算的结果进行解释,对海底沉积层声学特性调查装备发展及调查重点参数具有一定的参考价值。     

空间互相关方法在分析海底沙波迁移规律中的应用

海底沙波具有显著的活动性并能够对海底工程设施造成潜在威胁,因此对海底沙波活动性的评估一直以来受到广泛关注。目前大多数研究者仍利用平面剖面对比来分析海底沙波的迁移特征。然而,该方法难以全面高效地获取海底沙波二维平面迁移矢量。本文基于2007年和2009年的高分辨率多波束测深数据,详细阐述了空间互相关方法在分析北部湾东南海域海底沙波迁移规律中的应用过程。利用实测数据进行对比分析,获得了研究区海底沙波的活动特征,并进一步讨论了空间互相关算法中不同参数的选取对结果的影响。结果显示,利用空间互相关分析方法能够有效获取海底沙波二维迁移矢量,获得的海底沙波迁移速率和迁移方向与前人研究成果吻合,表明了该方法的可行性和可靠性。但在对实际DTM数据进行空间互相关分析时,需根据海底沙波形态、数据质量等因素选取合适的参数及矢量获取方法。本研究实验了一种确定海底沙波迁移规律的新方法,该方法将有效提升获得海底地形变化规律的效率和准确度,可获得更加精细的海底地形动力过程。     

腐蚀管道在内压和轴向压力影响下的弯曲破坏

运行在恶劣环境中的海底管道,往往受到内压、轴力和弯矩等复杂荷载的联合作用。腐蚀会导致管壁局部变薄,降低管道极限承载力。为保证管道安全高效运行,准确预测和分析复杂荷载作用下的塑性极限承载力和变形行为就显得尤为重要。考虑大应变和大变形、应力强化和材料非线性,运用数值仿真软件建立腐蚀缺陷管道的三维实体有限元模型,在全尺寸管道破坏试验验证的基础上,对腐蚀管道在内压、轴向压力和弯矩相互作用下的失效模式和极限弯矩承载力进行了相关研究,并进行了腐蚀缺陷几何参数的敏感性分析。研究结果表明:初始内压和初始轴向压力会显著降低腐蚀管道的极限弯矩承载力,并且影响最终的失效模式;在腐蚀缺陷几何尺寸参数中,腐蚀宽度比腐蚀深度和腐蚀长度的影响更大。     

深海小型履带式机器人转向动力学建模与分析

为预测复杂海底环境下的小型履带式机器人转向运动性能,运用履带与土壤之间的剪切应力-剪切位移关系,考虑履带滑转以及转向离心力因素,并将水中浮力和水阻力参数引入构建履带式机器人深海底质土壤环境下的稳态转向动力学模型。将海底土壤参数、机器人结构参数代入动力学模型迭代求解,分析得到影响海底履带式机器人运动性能的因素。以一款深海小型履带式机器人为研究对象,在动力学仿真软件Recurdyn中构建动力学模型,通过动力学仿真得到的数据与理论计算数据具有较高的一致性,最后通过水池试验对比验证了动力学仿真的正确性。本文提出的稳态动力学模型可以作为海底履带式机器人不同机械结构参数、土壤条件下通过性预测的理论依据。     

浅海聚焦定位中简化地声模型的应用研究

为了提高定位算法的环境宽容性,聚焦法将环境参数纳入了寻优空间。聚焦法虽然降低了对环境测量的要求,但是反演参数的增加也增加了反演的复杂性。基于海底反射特性,用两个参数对海底进行建模。通过标准的反演测试问题对简化地声模型在浅海聚焦定位中的有效性进行了分析。结果表明:基于简化地声模型的聚焦定位是可行的。在获得正确定位结果的同时,随着地声参数个数的减少,匹配场处理的便捷性得到了提高。文中引入的简化地声模型是聚焦问题中参数最少的地声模型,它可以有效减少聚焦定位参数维数以提升反演的便捷性。同时,简化地声模型在参数敏感性和耦合性上有较好的表现,这些优点可以保证定位结果的稳健性。