Characteristics of breaking irregular wave forces on a monopile

The substructures of offshore wind turbines are subjected to extreme breaking irregular wave forces. The present study is focused on investigating breaking irregular wave forces on a monopile using a computational fluid dynamics (CFD) based numerical model. The breaking irregular wave forces on a monopile mounted on a slope are investigated with a numerical wave tank. The experimental and numerical irregular free surface elevations are compared in the frequency-domain for the different locations in the vicinity of the cylinder. A numerical analysis is performed for different wave steepness cases to understand the influence of wave steepness on the breaking irregular wave loads. The wave height transformation and energy level evolution during the wave shoaling and wave breaking processes is investigated. The higher-frequency components generated during the wave breaking process are observed to play a significant role in initiating the secondary force peaks. The free surface elevation skewness and spectral bandwidth during the wave transformation process are analysed and an investigation is performed to establish a correlation of these parameters with the breaking irregular wave forces. The role of the horizontal wave-induced water particle velocity at the free surface and free surface pressure in determining the breaking wave loads is highlighted. The higher-frequency components in the velocity and pressure spectrum are observed to be significant in influencing the secondary peaks in the breaking wave force spectrum.     

A modified numerical calculation method of collapse pressure for thick-walled offshore pipelines

Considering the shear deformation and thickness stretching of large deformation, a modified numerical calculation method based on the thick shell theory is established to determine the collapse pressure of thick-walled pipes. Verification experiments are conducted on ten pipe specimens in hyperbaric chambers. The good agreement between experimental results and numerical predictions shows the validity and reliability of the new numerical calculation method. Combining DNV specification, the characteristic collapse pressure is also calculated for comparison. The difference between experimental results and DNV calculations illustrates the latter one is much conservative in predicting collapse pressure for thick-walled pipes. Sensitivity analysis on manufacturing imperfections and material properties is investigated for pipes with different D/t ratios. Thick-walled pipes are easier to be affected by initial ovality, residual stress and hardening factor. Based on the stress distribution at the moment of collapse, a novel discovery is found that the collapse pressure of thick-walled pipes is dominated by material plastic behavior.     

面向中国洪涝灾害应急监测的无人机空港布局

当前洪涝灾害对社会的经济发展和人民生命财产安全构成严重威胁。无人机机动、灵活,安全性高,可迅捷甚至实时获取灾区影像,对灾情的快速评估和应急救援决策意义重大。遥感无人机在洪涝灾害救援中能够发挥的重要作用已得到广泛共识,但是由于灾害的突发性,缺乏就近部署的资源制约了无人机遥感观测和救援作用的发挥。针对突发灾害,在区域和全国范围内建立起一定的无人机遥感应急体系成为国家面向未来正在考虑的选项。基于此,本研究提出了基于中国科学院的野外台站构建全国无人机遥感观测网的设想。本研究以中国防范洪涝灾害等级分布数据、行政区划数据、中国科学院野外台站分布数据和当前无人机性能数据库为数据源;以行政区划离散并提取的中心点作为需求点,台站作为设施点,不同洪涝等级区域内需要无人机进行应急观测的重要程度作为权重,利用最大覆盖选址模型进行空港选址布局;利用成本-效益曲线确定台站的最佳数量,最终从268个台站中选取出81个作为支撑全国洪涝灾害无人机遥感观测网络的无人机空港。无人机空港布局结果在理论上能够实现对中国绝大数突发洪涝灾害在2 h内初步完成洪涝观测,这对于构建中国空天地一体化的洪涝灾害监测体系具有重要意义。同时,本研究中的方法和成果对于进一步构建行业和综合性的全国无人机遥感观测网也具有一定借鉴和参照意义。     

环渤海区域及邻区现今地壳构造运动形变特征分析

将环渤海区域划分为5个次级块体,利用整体旋转与线性应变模型分析2009~2014年中国大陆构造环境监测网络的GPS对地观测速度场数据,得到相对于欧亚板块0.5°×0.5°的水平运动速度场和应变场。分析形变速度场和应变场的空间变化发现,环渤海区域整体上呈现0.25×10^-9/a的NW-SE 111.3°的双向趋势性扩张运动,太行块体、山西块体分别呈NW-SE 116.3°、NW-SE 130°的微弱扩张运动,胶辽块体、冀鲁块体和阴山-燕山块体分别存在NW-SE 144.3°、NE-SW 39.5°和NW-SE 155.6°的微弱压缩运动,其中太行块体的扩张运动量级相对于其他次级块体较大。尽管环渤海区域内部各次级块体的形变在空间上存在以上差异,但整体上环渤海区域主压应变轴方向基本为NEE-SWW,主张应变轴方向为NNW-SSE,且主压应变轴走向为NE 47.70°～89.74°,与利用地球物理方法得到的主压应变轴优势方向大体一致,表明环渤海区域现今地壳运动相对稳定。     

函数模型与随机模型双约束的GPS-InSAR数据融合方法建立三维形变场

针对InSAR技术研究地表三维形变时监测信息不足的问题,以GPS监测信息为先验信息,建立附有随机模型约束的地表三维形变模型。考虑到SAR卫星极轨方式运行导致LOS向观测量对南北向形变不敏感的问题,以GPS南北向形变观测值作为强约束,构建三维形变解算的函数约束条件。模拟数据与西安地区实测数据的计算结果表明,基于随机模型与函数模型共同约束的地表三维形变参数最小二乘解的精度优于仅有函数模型约束或仅有随机模型约束及无任何约束的参数解精度。     

一种变形监测中中长基线的单历元模糊度解算算法

针对已有单历元模糊度解算算法只适用于短基线的情形,根据误差传播率确定模糊度精度,依据误差确定模糊度搜索空间,提出一种利用GPS双频观测信息实现中长基线下单历元模糊度固定的算法。首先,利用电离层约束法得到双差模糊度之间的线性约束条件;其次,利用变形监测中监测站点坐标近似已知的条件进行约束,反算获得近似模糊度;最后,根据监测站点已有的观测数据精度给出搜索空间,搜索固定模糊度。结果表明,该方法可以实现中长基线下单历元的模糊度固定,对实时变形监测有一定的参考价值。     

鄂尔多斯地块周缘垂直形变场负位错反演与应变积累研究

利用鄂尔多斯地块及其周缘1970～2014年的垂直形变速率场资料,借助负位错反演研究该区域长期应变积累。结果表明,地块东北缘山西断陷带中北段年均能量积累增量、剪应力强度都较高,西南缘六盘山断裂与渭河断裂西段次之;山西断陷带中南段至晋陕交界处年均剪应力强度较高且显示一定程度的能量积累;西秦岭构造区尤其西秦岭北缘断裂西段、晋冀蒙交界区也反映一定程度的能量积累特性。     

2017年南丹Ms4.0地震前后重力变化

利用广西及邻区2014~2017年流动重力观测资料,系统分析区域重力场变化及其与2017-07-15广西南丹MS4.0地震的关系,并结合GPS观测数据与地震地质调查成果,探讨区域重力场变化的时空分布特征及机理。结果表明：1）南丹M_S4.0地震前后,震区附近重力异常变化与主干断裂关系密切,反映沿控震断裂在2014~2017年间发生了引起地表重力变化效应的地壳变形和构造活动;2）差分重力图像表明,南丹M_S4.0地震前重力变化为“局部重力异常→四象限重力异常→重力反向变化发震”的过程;3）重力变化与GPS 观测反映的水平运动表明,南丹M_S4.0地震位于重力四象限分布中心部位及面压缩峰值附近,证明重力场和形变场动态变化对中强地震地点预测具有指示意义;4）天峨-南丹-环江一带是重力变化最剧烈地区,亦是水平形变面压缩过渡带,同时位于莫霍面等深线强烈变化地段、M_L3.0地震围空区、沿主断裂存在的低b值异常区。结合地震活动图像、定点前兆观测异常综合分析认为,该地区仍存在发生中强地震的可能。     

基于TCP-InSAR的采动区铁路动态沉降监测与时序分析

为高效获取采动区长时间序列形变,监控煤炭开采对矿区铁路的影响,研究一种基于TCP-InSAR(temporarily coherent point interferometric synthetic aperture radar)的采动区铁路形变监测方法。该方法根据时间序列SAR影像间的相干性,选取临时相干点构建Delaunay三角网,并通过离群值探测去除具有相位模糊度的TCP间的弧段,最后采用最小二乘解算得到区域地表变形。实验使用2016-10～2017-04时间段内的15景Sentinel-1A数据,利用TCP-InSAR技术获得某矿区的铁路形变。结果表明,受采动影响,该时间段内铁路最大下沉值为95mm,最大倾斜坡度为0.37‰。利用TCP-InSAR技术可实现采动区内铁路长时间的动态形变监测。     

深海滑坡灾害的物质点法模拟

深海滑坡可以沿着斜坡搬运大量沉积物,是危害巨大的海洋地质灾害之一。评估深海滑坡的流滑机制并量化分析其对海底结构物的冲击对海洋资源的开发利用至关重要。采用物质点法对滑坡的滑动特性进行了总应力分析。设计了三组不同的土体、海床参数,展现了三种不同的滑动形态:延展、块体和扩张。随后复现了流滑体对部分暴露管线的冲击过程,并对冲击力的稳定值进行了分析,分析中考虑了流滑体的惯性、抗剪强度和静压力的影响。研究表明,物质点法能够用于模拟深海滑坡的流滑过程及其对海底结构物的冲击,可以为海洋工程中的实际设计工作提供服务。