海床—管道原位检测及水动力响应分析

论文摘要

随着油气资源的快速开发,海底管道被广泛地用来输运油气、输水和排污等,成为重要的海上生命线工程。由于海洋环境复杂多变和人类海上活动日益频繁,海底管道的破坏屡有发生,海底管道的安全性受到人们的重视。本文在国家自然科学基金“海浪荷载作用下海底粉质土力学特性的试验研究及应用（10372089）”的资助下,结合杭州湾海底管道工程,对海底管道的原位检测技术,以及海床-管道系统对水动力的响应等方面进行了研究。系统分析了单波束测深、多波束测深、浅地层剖面仪和侧扫声纳等声学探测技术在海底管道原位检测中的应用,探讨了水深和设备技术指标等因素对管道的现场检测能力的影响。结合多波束测深系统特点,提出基于海底微地貌和管道特征的改进IDW算法,能够构建更高精度的DTM,为运用多波束技术检测海底管道奠定基础。针对仪器设备的不同工作原理,开发了海底管道检测数据处理集成技术,极大提高了工作效率和综合利用多种检测技术的能力,并已多次成功运用于我国大型海底管道检测工程。在分析海底管道冲刷-自埋机理基础上,采用数值模拟方法对其中几个关键状态进行分析,利用海底管道现场检测技术,查明杭州湾海底管道敷设至完全掩埋各个阶段的原位状态,首次用现场资料验证了海底管道冲刷至掩埋的演变过程,完善了冲刷至掩埋的演变机制。建立基于采用有限体积法的分离算法求解波浪作用下海床弹性响应的数值模型,并和解析解对比。数值结果和解析解吻合,为进一步研究有管道海床的弹性响应以及液化问题奠定了基础。采用HX-100动三轴系统对杭州湾海底管道路由区结构性海洋粘性土原状样进行了室内试验,试验中采用低循环剪应力比和大振次的方法来模拟波浪荷载,通过对试验数据的分析建立了结构性海洋粘性土孔压发展模型。在海底土孔压发展模型的基础上,结合能反映孔压累积和消散的固结方程,获得了波浪作用下一维海洋粘性土中孔压发展的解析解。分析了波浪参数和土性参数对一维海床中长期累积孔压发展的影响,认识到由于波浪荷载特性和海底表层的完全排水作用,累积孔压会在海底土体的浅部形成峰值,峰值大小和位置随着时间和土体的排水特性的变化而变化。结合波浪场产生的底压力边界条件,通过求解基于Biot固结理论的孔压累积消散方程,能模拟二维有管道海床中瞬态孔压的振荡累积过程。通过对基于Biot固结理论和Terzaghi固结理论获得的孔压累积消散方程的比较,发现由二者计算得到的长期累积孔压非常接近,但后者求解方便,更适合工程应用,因此在后者的基础上探讨了成层海床、含充填河谷海床以及有管道海床中的长期累积孔压特性和液化特征。研究表明,波浪荷载作用下,由海洋粘性土组成的海床上部如果夹有砂质夹层,或砂质海床上部有薄层海洋粘性土覆盖层,砂质土层中的累积孔压会急剧上升,容易导致液化的产生;相反,风暴作用停止后,与砂类土相比,海洋粘性土中的残余孔压消散较慢,CPT实测结果也证明了这一结论。含充填河谷海床以及有管道海床因土性的差异而造成累积孔压发展规律和液化特征与均质海床有较大区别,如果管道槽中的回淤土为砂类土,而原始海床为海洋粘性土,则管道槽周围不易发生液化;如果管道槽中的回淤土为海洋粘性土,而原始海床为砂类土,则在管道槽的两侧和槽底等两类土的界面处易发生液化。

论文目录

• 致谢
• 内容摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 关键科学问题
• 1.3 研究现状
• 1.3.1 海底管道原位状态检测方法研究现状
• 1.3.2 海底管道冲刷自埋演化机制研究现状
• 1.3.3 波浪作用下海床孔压发展规律研究现状
• 1.4 本文研究技术路线及主要研究内容
• 第2章 海底管道原位状态检测
• 2.1 引言
• 2.2 海底管道的原位状态
• 2.3 裸露海底管道的检测
• 2.3.1 单波束测深系统对裸露海底管道的检测
• 2.3.2 多波束测深系统对裸露海底管道的检测
• 2.3.3 侧扫声纳系统对裸露海底管道的检测
• 2.4 悬跨海底管道的检测
• 2.4.1 侧扫声纳系统对悬跨海底管道的检测
• 2.4.2 单波束测深系统对悬跨海底管道的检测
• 2.5 掩埋海底管道的检测
• 2.5.1 浅地层剖面仪对掩埋海底管道的检测
• 2.5.2 单波束测深系统对掩埋海底管道的检测
• 2.6 海底管道综合检测
• 2.6.1 多种海底管道检测方法综合应用
• 2.6.2 多种海底管道探测方法数据处理集成技术
• 2.7 本章小结
• 第3章 海床-管道系统对潮流的响应
• 3.1 引言
• 3.2 杭州湾海底管道路由区工程环境条件
• 3.2.1 杭州湾海底管道工程概况
• 3.2.2 路由区潮流和波浪概况
• 3.2.3 路由区底质类型
• 3.3 海底管道冲刷-自埋发展演化机制
• 3.4 海底管道冲刷-自埋机制数值模拟
• 3.4.1 计算模型
• 3.4.2 数值模拟结果
• 3.5 原位检测验证
• 3.6 本章小结
• 第4章 波浪作用下有管道海床弹性响应分析
• 4.1 引言
• 4.2 线性波浪理论
• 4.2.1 波浪模型的基本假定
• 4.2.2 线性波动理论
• 4.2.3 波高的变化
• 4.2.4 波浪在海底面产生的压力
• 4.3 波浪作用下海床响应的解析解
• 4.3.1 基本理论
• 4.3.2 无限厚度海床响应解析解
• 4.3.3 有限厚度海床响应解析解
• 4.3.4 海床厚度对响应的影响
• 4.4 波浪作用下海床及管道响应的数值解法
• 4.4.1 方程离散方法
• 4.4.2 数值算法
• 4.4.3 边界条件
• 4.4.4 模型验证
• 4.5 波浪作用下的海床及管道响应
• 4.5.1 计算模型
• 4.5.2 影响因素分析
• 4.6 本章小节
• 第5章 波浪作用下土体孔压增长及一维解析解
• 5.1 引言
• 5.2 结构性海洋粘性土体孔压发展研究现状
• 5.3 结构性海洋粘性土孔压发展模式的试验研究
• 5.3.1 土样准备与试验方法
• 5.3.2 试验结果
• 5.3.3 孔压发展模型
• 5.4 一维海床土体中孔压发展规律
• 5.4.1 波浪作用下海床土中孔压产生和消散方程
• 5.4.2 结构性海洋粘性土中孔压的发展规律
• 5.4.3 砂性土中的孔压发展规律
• 5.4.4 海洋粘性土和砂性土累积孔压发展规律比较
• 5.5 本章小节
• 第6章 波浪作用下有管道海床地基液化分析
• 6.1 引言
• 6.2 有管道海床瞬态孔压发展规律
• 6.2.1 控制方程
• 6.2.2 孔压发展规律
• 6.3 有管道海床瞬态液化分析
• 6.4 复杂海床累积孔压发展规律及现场验证
• 6.4.1 累积孔压发展模型
• 6.4.2 成层海床土体中孔压发展规律
• 6.4.3 充填河谷周围海床中土体孔压发展规律
• 6.5 有管道海床累积液化分析
• 6.5.1 砂类土充填的管道槽周围土体累积液化
• 6.5.2 海洋粘性土充填的管道槽周围土体累积液化
• 6.6 本章小节
• 第7章 结论及展望
• 7.1 主要结论
• 7.2 进一步研究的建议及展望
• 参考文献
• 附录: 作者简历及发表论文