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“海洋工程地质与岩土工程灾害”专题
我国海洋能源开发已步入深远海域,面临的深海地质灾害问题也日益凸显,尤以海底滑坡最为典型,一旦发生将会形成链式灾害,严重危害水下基础设施的安全。本文聚焦“滑坡形成→运动演化→冲击设施”这一链式灾害过程,首先梳理了不同触发因素作用下海底滑坡的形成机制,进而论述了海底滑坡的运动过程及不同演化阶段的判识标准,分析了滑坡运动演化过程中环境水与土体的耦合作用机理,提出了适用于中小尺度运动演化过程的流固耦合分析方法,并探讨了当前海底滑坡运动演化过程试验模拟技术和原位监测手段的适用范畴与技术瓶颈;进一步地,针对滑坡冲击海底管缆等水下基础设施问题,评析了海底滑坡冲击效应的量化评估方法和研究手段。最后,指出当前海底滑坡链式灾害研究存在的不足和未来的发展方向,以期为海底滑坡地质灾害链的模拟、预测和预警等提供重要参考。 我国海洋能源开发已步入深远海域,面临的深海地质灾害问题也日益凸显,尤以海底滑坡最为典型,一旦发生将会形成链式灾害,严重危害水下基础设施的安全。本文聚焦“滑坡形成→运动演化→冲击设施”这一链式灾害过程,首先梳理了不同触发因素作用下海底滑坡的形成机制,进而论述了海底滑坡的运动过程及不同演化阶段的判识标准,分析了滑坡运动演化过程中环境水与土体的耦合作用机理,提出了适用于中小尺度运动演化过程的流固耦合分析方法,并探讨了当前海底滑坡运动演化过程试验模拟技术和原位监测手段的适用范畴与技术瓶颈;进一步地,针对滑坡冲击海底管缆等水下基础设施问题,评析了海底滑坡冲击效应的量化评估方法和研究手段。最后,指出当前海底滑坡链式灾害研究存在的不足和未来的发展方向,以期为海底滑坡地质灾害链的模拟、预测和预警等提供重要参考。
深海多金属结核广泛分布于全球海底,资源储量丰富、开采潜力巨大。自20世纪60年代,围绕深海多金属结核开采提出了连续链斗式、穿梭艇式、管道提升式等的采矿方式,目前研究中多以管道提升式研究为主。将赋存在海床沉积物表面的多金属结核开采出来必然会引起表层沉积物的扰动,从而影响海水化学性质及海洋生物活性。国内外学者围绕深海多金属结核开采,从结核的资源储量、矿区工程地质条件、开采技术、环境影响等方面展开了诸多研究。基于国内外大量文献资料,着重整理了深海多金属结核富集区CC区(东太平洋的克拉里昂—克里帕顿断裂带之间的海底区域)的研究进展。针对以管道提升式开采方式开采深海多金属结核产生的潜在工程地质环境影响得到以下几点认识:(1)结核开采过程中对表层沉积物产生扰动致使沉积物发生再悬浮,再悬浮颗粒浓度是影响海水化学性质、海洋生物活性的主要原因;(2)矿区表层沉积物的工程地质性质是深海多金属结核开采过程中生态环境影响程度的关键控制因素,其决定了结核开采时沉积物再悬浮的质量、空间分布特征;(3)目前多金属结核开采的环境影响评价多基于对生物群落的影响程度进行定性的评价,尚未有基于沉积物工程地质性质变化、再悬浮沉积物时空分布规律进行的环境影响评价,未来深海多金属结核开采环境工程地质影响定量评价系统有待建立。以上认识对于深入了解多金属结核开采研究现状、工程地质环境影响特征、监测环境影响内容有重要意义。 深海多金属结核广泛分布于全球海底,资源储量丰富、开采潜力巨大。自20世纪60年代,围绕深海多金属结核开采提出了连续链斗式、穿梭艇式、管道提升式等的采矿方式,目前研究中多以管道提升式研究为主。将赋存在海床沉积物表面的多金属结核开采出来必然会引起表层沉积物的扰动,从而影响海水化学性质及海洋生物活性。国内外学者围绕深海多金属结核开采,从结核的资源储量、矿区工程地质条件、开采技术、环境影响等方面展开了诸多研究。基于国内外大量文献资料,着重整理了深海多金属结核富集区CC区(东太平洋的克拉里昂—克里帕顿断裂带之间的海底区域)的研究进展。针对以管道提升式开采方式开采深海多金属结核产生的潜在工程地质环境影响得到以下几点认识:(1)结核开采过程中对表层沉积物产生扰动致使沉积物发生再悬浮,再悬浮颗粒浓度是影响海水化学性质、海洋生物活性的主要原因;(2)矿区表层沉积物的工程地质性质是深海多金属结核开采过程中生态环境影响程度的关键控制因素,其决定了结核开采时沉积物再悬浮的质量、空间分布特征;(3)目前多金属结核开采的环境影响评价多基于对生物群落的影响程度进行定性的评价,尚未有基于沉积物工程地质性质变化、再悬浮沉积物时空分布规律进行的环境影响评价,未来深海多金属结核开采环境工程地质影响定量评价系统有待建立。以上认识对于深入了解多金属结核开采研究现状、工程地质环境影响特征、监测环境影响内容有重要意义。
为了探究分布于某岛礁珊瑚骨架灰岩的微观孔隙结构特征及其定性定量分析,选取6块有代表性的珊瑚骨架灰岩岩样,开展CT扫描试验,建立珊瑚骨架灰岩三维立体数字模型,获得三维数据体并开展孔隙结构特征的研究。结果表明:6块岩样整体孔隙率均值仅为3.30%,孔隙发育程度较小;岩样逐层面孔隙率有较大程度波动,面孔隙率较小,但其标准差却较大,体现了岩样较强的非均质性;对岩样三维模型中所提取的孔隙进行标记筛分,同时对孔隙体积与数量进行概率统计,结果表明珊瑚骨架灰岩中大孔隙数量虽少,但体积占比很大,存在极个别超大孔隙;通过球棒模型分析可知,配位数主要分布区间为0~2,说明珊瑚骨架灰岩的孔隙连通性较差,主要以独立孔隙和单连通孔隙为主,孔隙在x/y/z方向均无连通性,不存在潜在的流体运移通道。 为了探究分布于某岛礁珊瑚骨架灰岩的微观孔隙结构特征及其定性定量分析,选取6块有代表性的珊瑚骨架灰岩岩样,开展CT扫描试验,建立珊瑚骨架灰岩三维立体数字模型,获得三维数据体并开展孔隙结构特征的研究。结果表明:6块岩样整体孔隙率均值仅为3.30%,孔隙发育程度较小;岩样逐层面孔隙率有较大程度波动,面孔隙率较小,但其标准差却较大,体现了岩样较强的非均质性;对岩样三维模型中所提取的孔隙进行标记筛分,同时对孔隙体积与数量进行概率统计,结果表明珊瑚骨架灰岩中大孔隙数量虽少,但体积占比很大,存在极个别超大孔隙;通过球棒模型分析可知,配位数主要分布区间为0~2,说明珊瑚骨架灰岩的孔隙连通性较差,主要以独立孔隙和单连通孔隙为主,孔隙在x/y/z方向均无连通性,不存在潜在的流体运移通道。
针对岛礁大型构筑物修建过程中由于高应力而导致作为地基材料的钙质砂发生破碎,进而引发地基沉降变形问题。本文采用高压固结仪对钙质砂开展了一系列终止压力为16 MPa的侧限压缩试验,研究了高应力水平下钙质砂的压缩破碎特性。同时基于显微图像采集和处理技术对钙质砂颗粒的形状参数(圆度和完整度)进行了定量化表征,研究了钙质砂的形状分布规律。最终分别探讨了级配特征(如平均粒径、不均匀系数)、形貌特征等因素对钙质砂压缩和破碎特性的影响。结果表明:随着平均粒径的增大,钙质砂颗粒的形状不规则程度逐渐增加,其棱角也越发育。随着竖向应力的增大,在e-logp平面内,不同粒径钙质砂的压缩曲线逐渐会聚并相交于一条直线,初始粒径对其压缩特性的影响逐渐减小以致消失。而不同级配钙质砂的压缩曲线也发生会聚,但未相交于一条直线。当试样的不均匀系数(Cu)相近时,其压缩破碎量随着平均粒径(d50)的增大而逐渐增加,当试样的d50相近时,其压缩破碎量随着Cu增大而逐渐减小。上述研究成果将对南海岛礁大型工程建设提供重要科学依据。 针对岛礁大型构筑物修建过程中由于高应力而导致作为地基材料的钙质砂发生破碎,进而引发地基沉降变形问题。本文采用高压固结仪对钙质砂开展了一系列终止压力为16 MPa的侧限压缩试验,研究了高应力水平下钙质砂的压缩破碎特性。同时基于显微图像采集和处理技术对钙质砂颗粒的形状参数(圆度和完整度)进行了定量化表征,研究了钙质砂的形状分布规律。最终分别探讨了级配特征(如平均粒径、不均匀系数)、形貌特征等因素对钙质砂压缩和破碎特性的影响。结果表明:随着平均粒径的增大,钙质砂颗粒的形状不规则程度逐渐增加,其棱角也越发育。随着竖向应力的增大,在e-logp平面内,不同粒径钙质砂的压缩曲线逐渐会聚并相交于一条直线,初始粒径对其压缩特性的影响逐渐减小以致消失。而不同级配钙质砂的压缩曲线也发生会聚,但未相交于一条直线。当试样的不均匀系数(Cu)相近时,其压缩破碎量随着平均粒径(d50)的增大而逐渐增加,当试样的d50相近时,其压缩破碎量随着Cu增大而逐渐减小。上述研究成果将对南海岛礁大型工程建设提供重要科学依据。
为了揭示钙质砂在一维压缩回弹作用下的压缩变形、颗粒破碎特性以及声发射规律,对钙质砂进行了3种相对密实度下不同粒组的一维压缩回弹实验和声发射实验。通过对不同粒组、不同相对密实度的钙质砂进行一维压缩实验和同步的声发射实时监测,获得其压缩、回弹和声发射特性,最后通过筛分获得实验后的颗粒粒径分布,得出相对破碎势Br。实验结果表明:钙质砂的压缩变形由颗粒位置调整和破碎两部分组成,其中颗粒破碎是产生压缩变形的主要因素,回弹曲线近似一条直线,表明压缩变形为不可恢复的塑形变形;压力相同时颗粒粒径越大,相对破碎势Br越大。颗粒形状不同致使颗粒间填充作用与嵌合作用不同,影响颗粒的滑移与重排列,进而影响颗粒的压缩变形。两种砂的声发射计数率随粒径增大而增大,且都集中出现在800~3200 kPa的压缩阶段,钙质砂的压缩变形及破碎特性与其声发射特征具有一致性,钙质砂声发射计数率与时间关系曲线和应力与时间关系曲线吻合较好,可通过声发射计数率与时间关系曲线来反映钙质砂的力学特性。钙质砂存在一个声发射事件最少的“临界孔隙比”,本次实验中1~2 mm钙质砂临界孔隙比为1.33~1.41,试样的初始孔隙比偏离该临界值时,声发射活动会有不同程度提高。 为了揭示钙质砂在一维压缩回弹作用下的压缩变形、颗粒破碎特性以及声发射规律,对钙质砂进行了3种相对密实度下不同粒组的一维压缩回弹实验和声发射实验。通过对不同粒组、不同相对密实度的钙质砂进行一维压缩实验和同步的声发射实时监测,获得其压缩、回弹和声发射特性,最后通过筛分获得实验后的颗粒粒径分布,得出相对破碎势Br。实验结果表明:钙质砂的压缩变形由颗粒位置调整和破碎两部分组成,其中颗粒破碎是产生压缩变形的主要因素,回弹曲线近似一条直线,表明压缩变形为不可恢复的塑形变形;压力相同时颗粒粒径越大,相对破碎势Br越大。颗粒形状不同致使颗粒间填充作用与嵌合作用不同,影响颗粒的滑移与重排列,进而影响颗粒的压缩变形。两种砂的声发射计数率随粒径增大而增大,且都集中出现在800~3200 kPa的压缩阶段,钙质砂的压缩变形及破碎特性与其声发射特征具有一致性,钙质砂声发射计数率与时间关系曲线和应力与时间关系曲线吻合较好,可通过声发射计数率与时间关系曲线来反映钙质砂的力学特性。钙质砂存在一个声发射事件最少的“临界孔隙比”,本次实验中1~2 mm钙质砂临界孔隙比为1.33~1.41,试样的初始孔隙比偏离该临界值时,声发射活动会有不同程度提高。
海底天然气水合物(以下简称水合物)的开采会劣化储层的力学性质,威胁钻井平台、破坏开采井甚至可能诱发地质灾害。为探究含水合物沉积物的力学特性及开采扰动下水合物储层的力学强度劣化机理,本文搭建了一套含天然气水合物土水-力特性联合测试装置,主要包括:压力室、压力控制系统,注/除气系统,温度控制系统,数据采集及人机交互管理系统。该装置可实现不同条件下含水合物沉积物试样的合成,并可开展渗透试验、等向压缩试验、以及不同应力路径下三轴压缩试验测试。以细砂作为赋存介质,采用富气法制备含天然气水合物沉积物试样,对其进行了一系列水-力特性试验测试,并对结果进行了简要地分析。这些试验结果证实了装置测试含水合物沉积物水-力学特性的功能和可靠性。 海底天然气水合物(以下简称水合物)的开采会劣化储层的力学性质,威胁钻井平台、破坏开采井甚至可能诱发地质灾害。为探究含水合物沉积物的力学特性及开采扰动下水合物储层的力学强度劣化机理,本文搭建了一套含天然气水合物土水-力特性联合测试装置,主要包括:压力室、压力控制系统,注/除气系统,温度控制系统,数据采集及人机交互管理系统。该装置可实现不同条件下含水合物沉积物试样的合成,并可开展渗透试验、等向压缩试验、以及不同应力路径下三轴压缩试验测试。以细砂作为赋存介质,采用富气法制备含天然气水合物沉积物试样,对其进行了一系列水-力特性试验测试,并对结果进行了简要地分析。这些试验结果证实了装置测试含水合物沉积物水-力学特性的功能和可靠性。
含水合物的沉积物力学参数是水合物储层稳定性评价的基础数据。我国南海神狐海域含水合物的沉积物中含大量的黏土,深入了解黏土矿物对沉积物力学特性的影响对水合物开采具有十分重要的意义。基于PFC三轴压缩模拟,首先分析了沉积物中不含水合物时,黏土矿物颗粒特征的力学效应,然后分析了水合物对颗粒的胶结作用和围压对沉积物力学特性的影响。结果表明,不含水合物模型的偏应力-应变曲线呈明显的应变硬化特征。黏土矿物的含量、颗粒形状和排列对沉积物三轴压缩特性具有显著影响。黏土矿物含量的增多对沉积物力学强度具有明显的降低作用,黏土矿物形状为条形的沉积物强度和弹性模量要明显高于圆颗粒模型,在细观上受颗粒平均接触数影响,条形黏土颗粒的定向排列使模型的力学参数具有各向异性。水合物对颗粒的胶结作用可显著提高模型的峰值强度和弹性模量,随着颗粒胶结程度的增大和围压的减小,含水合物的沉积物的破坏方式由塑性破坏向脆性破坏转换。 含水合物的沉积物力学参数是水合物储层稳定性评价的基础数据。我国南海神狐海域含水合物的沉积物中含大量的黏土,深入了解黏土矿物对沉积物力学特性的影响对水合物开采具有十分重要的意义。基于PFC三轴压缩模拟,首先分析了沉积物中不含水合物时,黏土矿物颗粒特征的力学效应,然后分析了水合物对颗粒的胶结作用和围压对沉积物力学特性的影响。结果表明,不含水合物模型的偏应力-应变曲线呈明显的应变硬化特征。黏土矿物的含量、颗粒形状和排列对沉积物三轴压缩特性具有显著影响。黏土矿物含量的增多对沉积物力学强度具有明显的降低作用,黏土矿物形状为条形的沉积物强度和弹性模量要明显高于圆颗粒模型,在细观上受颗粒平均接触数影响,条形黏土颗粒的定向排列使模型的力学参数具有各向异性。水合物对颗粒的胶结作用可显著提高模型的峰值强度和弹性模量,随着颗粒胶结程度的增大和围压的减小,含水合物的沉积物的破坏方式由塑性破坏向脆性破坏转换。
海洋浅基础设计所遇地层条件通常由于基础大尺寸的特点而涉及多土层剖面,其中“硬-软-硬”三层黏土是最常见的地层条件之一。现行海洋浅基础设计常用的API和ISO规范尚无针对“硬-软-硬”黏土竖向承载力的计算方法。本文基于自升式平台基础设计规范推荐的“bottom-up”预测模型,假定“硬-软-硬”黏土上基础的承载力为“硬-软”黏土冲剪破坏产生的侧向摩阻力与“软-硬”黏土挤压破坏提供的承载力之和。通过有限元模拟分析,验证了“bottom-up”方法所假定破坏模型的合理性,但由于规范推荐的相关公式忽略了上覆土层对挤压破坏模式的影响,使其严重低估了“软-硬”黏土挤压破坏产生的承载力。基于变参数有限元分析结果,本文对挤压破坏承载力公式进行了修正,提出了“硬-软-硬”三层黏土上圆形基础竖向承载力的预测方法。 海洋浅基础设计所遇地层条件通常由于基础大尺寸的特点而涉及多土层剖面,其中“硬-软-硬”三层黏土是最常见的地层条件之一。现行海洋浅基础设计常用的API和ISO规范尚无针对“硬-软-硬”黏土竖向承载力的计算方法。本文基于自升式平台基础设计规范推荐的“bottom-up”预测模型,假定“硬-软-硬”黏土上基础的承载力为“硬-软”黏土冲剪破坏产生的侧向摩阻力与“软-硬”黏土挤压破坏提供的承载力之和。通过有限元模拟分析,验证了“bottom-up”方法所假定破坏模型的合理性,但由于规范推荐的相关公式忽略了上覆土层对挤压破坏模式的影响,使其严重低估了“软-硬”黏土挤压破坏产生的承载力。基于变参数有限元分析结果,本文对挤压破坏承载力公式进行了修正,提出了“硬-软-硬”三层黏土上圆形基础竖向承载力的预测方法。
砂性土地基中海上风机吸力桶基础水平承载特性对海上风机稳定性至关重要。本文通过室内模型试验,对不同荷载循环比作用下砂性土地基吸力桶基础水平承载特性进行了研究。试验表明:当循环荷载比ζb=0.33时,吸力桶基础累积变形在循环过程中变化不大; 当循环荷载比ζb=1.0时,吸力桶基础累积变形随循环次数增加一直增大并且有继续增大的趋势,循环结束后,ζb=0.33及ζb=1.0的循环累积变形分别为0.006D、0.149D。在ζb=0.33及ζb=1.0的水平循环荷载作用下,50次循环结束后累积旋转角度分别为不同循环荷载比作用下第1次循环累积转角的1.43倍和1.76倍,随着循环次数增加,旋转中心的位置逐渐向上移动,最终稳定在砂面以下0.8L处左右。研究结果可为砂性土地基海上风机吸力桶基础的设计与施工提供理论依据。 砂性土地基中海上风机吸力桶基础水平承载特性对海上风机稳定性至关重要。本文通过室内模型试验,对不同荷载循环比作用下砂性土地基吸力桶基础水平承载特性进行了研究。试验表明:当循环荷载比ζb=0.33时,吸力桶基础累积变形在循环过程中变化不大; 当循环荷载比ζb=1.0时,吸力桶基础累积变形随循环次数增加一直增大并且有继续增大的趋势,循环结束后,ζb=0.33及ζb=1.0的循环累积变形分别为0.006D、0.149D。在ζb=0.33及ζb=1.0的水平循环荷载作用下,50次循环结束后累积旋转角度分别为不同循环荷载比作用下第1次循环累积转角的1.43倍和1.76倍,随着循环次数增加,旋转中心的位置逐渐向上移动,最终稳定在砂面以下0.8L处左右。研究结果可为砂性土地基海上风机吸力桶基础的设计与施工提供理论依据。
本文针对静力荷载作用的情况,对比了4种黏土中水平受荷大直径单桩的设计方法,包括基于p-y弹簧模型的API规范方法,以及新近发展的基于p-y弹簧模型的Zhang et al.(2017b)、基于双弹簧模型的Wang et al.(2020)方法以及基于三弹簧模型的Fu et al.(2020)方法。考虑两种大直径单桩常用的长径比(L/D=5和10),通过与三维有限元结果比较,对现有设计方法进行了对比,分析了不同参数对预测结果的影响。结果表明:(1)对于大直径单桩的水平位移和转角,现行API规范的预测值最大,而Wang et al.(2020)方法预测值最小; (2)Fu et al.(2020)方法不仅考虑了桩底剪力及桩身摩擦造成的分布力矩,还能够有效捕捉初始剪切模量与土体延性对水平响应的影响,还因此具备其余方法所不具备的优势; (3)采用Fu et al.(2020)方法时,桩土界面粗糙系数α越大,桩身位移与转角越大,且长径比越小影响越显著,而与桩身分布力矩有关的缩放系数ξp2的影响则相对有限,当L/D≥10时其影响可以忽略。 本文针对静力荷载作用的情况,对比了4种黏土中水平受荷大直径单桩的设计方法,包括基于p-y弹簧模型的API规范方法,以及新近发展的基于p-y弹簧模型的Zhang et al.(2017b)、基于双弹簧模型的Wang et al.(2020)方法以及基于三弹簧模型的Fu et al.(2020)方法。考虑两种大直径单桩常用的长径比(L/D=5和10),通过与三维有限元结果比较,对现有设计方法进行了对比,分析了不同参数对预测结果的影响。结果表明:(1)对于大直径单桩的水平位移和转角,现行API规范的预测值最大,而Wang et al.(2020)方法预测值最小; (2)Fu et al.(2020)方法不仅考虑了桩底剪力及桩身摩擦造成的分布力矩,还能够有效捕捉初始剪切模量与土体延性对水平响应的影响,还因此具备其余方法所不具备的优势; (3)采用Fu et al.(2020)方法时,桩土界面粗糙系数α越大,桩身位移与转角越大,且长径比越小影响越显著,而与桩身分布力矩有关的缩放系数ξp2的影响则相对有限,当L/D≥10时其影响可以忽略。
波浪导致的海床液化是埋置管线失稳的一个重要因素。超静孔隙水压力累积引起的液化深度较深,对海底管线稳定性的影响较大,因此波浪作用下管线-海床系统的累积响应特征一直受到研究者的重点关注。本文基于考虑孔压累积与海床应力耦合发展的数值计算模型,对非线性行进波作用下含埋置管线的海床累积响应特征进行了模拟计算,并与非耦合模型的计算结果进行了对比分析,结果表明,当考虑孔压累积与海床应力的耦合效应时,管线附近累积孔压在水平方向上的不均匀分布会导致海床循环剪应力的增大,从而会极大地促进管线周围海床累积孔压的发展,增大管线的影响范围; 忽略孔压累积与海床应力的耦合效应,会在一定程度上低估管线周围海床的液化深度,不利于管线的安全。 波浪导致的海床液化是埋置管线失稳的一个重要因素。超静孔隙水压力累积引起的液化深度较深,对海底管线稳定性的影响较大,因此波浪作用下管线-海床系统的累积响应特征一直受到研究者的重点关注。本文基于考虑孔压累积与海床应力耦合发展的数值计算模型,对非线性行进波作用下含埋置管线的海床累积响应特征进行了模拟计算,并与非耦合模型的计算结果进行了对比分析,结果表明,当考虑孔压累积与海床应力的耦合效应时,管线附近累积孔压在水平方向上的不均匀分布会导致海床循环剪应力的增大,从而会极大地促进管线周围海床累积孔压的发展,增大管线的影响范围; 忽略孔压累积与海床应力的耦合效应,会在一定程度上低估管线周围海床的液化深度,不利于管线的安全。
波流作用于海床产生动态孔隙水压力,如不能及时消除会在其内部产生累积孔隙水压力,相邻两点间的孔隙水压力差值造成的水力梯度产生渗流力,渗流力引起水流动,海床表面为排水界面,从而会在海床内部形成向上的渗流力作用于泥沙颗粒上,使泥沙发生启动向海床表层运移,从而形成一定范围的粗颗粒层。本文采用数值模拟对不同流速下的海床累积孔隙水压力进行了研究,同时分析了硬壳层的存在对海床累积孔隙水压力的影响规律,根据取得的不同流速下海床内部的累积孔隙水压力值,计算海床任意位置处的渗流压力梯度,采用王虎等(2014)推导建立的海床临界冲刷深度的计算方法,分析不同流速下的硬壳层形成深度。结果表明: 海流流向与波浪行进方向一致时,对累积孔隙水压力起促进作用,流速越大累积孔隙水压力越大,反之对累积孔隙水压力有抑制作用。表面硬壳层的存在会显著促进累积孔压的消散,累积孔隙水压力沿深度分布的极值均出现在下层原始海床中,流速U0=0m ·s-1时硬壳层厚度由1m增加到3m,极值点深度下降了1.38m。累积孔隙水压力引起的渗流力对于海床泥沙启动影响显著,在流速U0=0m ·s-1U0=1m ·s-1时泥沙启动深度均为海床1.5m深度处,并且海流流向与波浪行进方向一致时,会产生较大ΔPL值带动较粗的泥沙颗粒至海床表层,但对泥沙启动的最大深度影响不大。 波流作用于海床产生动态孔隙水压力,如不能及时消除会在其内部产生累积孔隙水压力,相邻两点间的孔隙水压力差值造成的水力梯度产生渗流力,渗流力引起水流动,海床表面为排水界面,从而会在海床内部形成向上的渗流力作用于泥沙颗粒上,使泥沙发生启动向海床表层运移,从而形成一定范围的粗颗粒层。本文采用数值模拟对不同流速下的海床累积孔隙水压力进行了研究,同时分析了硬壳层的存在对海床累积孔隙水压力的影响规律,根据取得的不同流速下海床内部的累积孔隙水压力值,计算海床任意位置处的渗流压力梯度,采用王虎等(2014)推导建立的海床临界冲刷深度的计算方法,分析不同流速下的硬壳层形成深度。结果表明: 海流流向与波浪行进方向一致时,对累积孔隙水压力起促进作用,流速越大累积孔隙水压力越大,反之对累积孔隙水压力有抑制作用。表面硬壳层的存在会显著促进累积孔压的消散,累积孔隙水压力沿深度分布的极值均出现在下层原始海床中,流速U0=0m ·s-1时硬壳层厚度由1m增加到3m,极值点深度下降了1.38m。累积孔隙水压力引起的渗流力对于海床泥沙启动影响显著,在流速U0=0m ·s-1U0=1m ·s-1时泥沙启动深度均为海床1.5m深度处,并且海流流向与波浪行进方向一致时,会产生较大ΔPL值带动较粗的泥沙颗粒至海床表层,但对泥沙启动的最大深度影响不大。
波致瞬态液化渗流导致海床内细粒沉积物向海水中运移,这一过程对海底沉积物再悬浮的贡献率不容忽视,但是贡献率的准确估计和预测比较困难。本研究将黄河水下三角洲的观测数据(包括水深、有效波高、有效波周期、实验舱内悬沙浓度、实验舱外悬沙浓度)作为模型输入数据集,基于长短时记忆循环神经网络建立了瞬态液化对再悬浮贡献率的深度学习预测模型。为了客观评价模型的性能,以平均绝对百分比误差、均方根误差和平均平方误差-标准偏差为评判标准,将该深度学习模型与其他预测模型(支持向量回归模型、人工神经网络)的预测结果进行了比较。结果表明,基于长短时记忆循环神经网络的深度学习模型对3.5d以内的瞬态泵送再悬浮贡献率预测误差最小,其平均绝对百分比误差、均方根误差和平均平方误差-标准偏差分别为5.87%、1.6730、0.1574。因此,该模型可以有效地减少机器学习方法在连续预测中产生的误差叠加问题。 波致瞬态液化渗流导致海床内细粒沉积物向海水中运移,这一过程对海底沉积物再悬浮的贡献率不容忽视,但是贡献率的准确估计和预测比较困难。本研究将黄河水下三角洲的观测数据(包括水深、有效波高、有效波周期、实验舱内悬沙浓度、实验舱外悬沙浓度)作为模型输入数据集,基于长短时记忆循环神经网络建立了瞬态液化对再悬浮贡献率的深度学习预测模型。为了客观评价模型的性能,以平均绝对百分比误差、均方根误差和平均平方误差-标准偏差为评判标准,将该深度学习模型与其他预测模型(支持向量回归模型、人工神经网络)的预测结果进行了比较。结果表明,基于长短时记忆循环神经网络的深度学习模型对3.5d以内的瞬态泵送再悬浮贡献率预测误差最小,其平均绝对百分比误差、均方根误差和平均平方误差-标准偏差分别为5.87%、1.6730、0.1574。因此,该模型可以有效地减少机器学习方法在连续预测中产生的误差叠加问题。
波浪和地震等动力荷载容易引起斜坡海床失稳,进而引发海底滑坡,危及港口码头安全和海洋工程建设。本文以曹妃甸港南部深槽处海底斜坡为研究对象,考虑真实波浪荷载和地震荷载,采用有限元法和极限平衡法相结合的研究手段对海底斜坡的动态稳定性进行了定量化计算,探讨了动力效应对特殊环境下海底斜坡稳定性的影响机制。结果表明: (1)极端波浪荷载和地震动力荷载对海底斜坡稳定性影响很大,重现期为50a的波浪荷载和峰值加速度为0.15 g的地震动力荷载将引发海底斜坡失稳,且地震荷载将诱发海底斜坡产生较大位移; (2)动力效应会引发海床侵蚀和岩土体强度弱化,进而降低斜坡安全系数,这是稳定性分析中不可忽略的重要因素。 波浪和地震等动力荷载容易引起斜坡海床失稳,进而引发海底滑坡,危及港口码头安全和海洋工程建设。本文以曹妃甸港南部深槽处海底斜坡为研究对象,考虑真实波浪荷载和地震荷载,采用有限元法和极限平衡法相结合的研究手段对海底斜坡的动态稳定性进行了定量化计算,探讨了动力效应对特殊环境下海底斜坡稳定性的影响机制。结果表明: (1)极端波浪荷载和地震动力荷载对海底斜坡稳定性影响很大,重现期为50a的波浪荷载和峰值加速度为0.15 g的地震动力荷载将引发海底斜坡失稳,且地震荷载将诱发海底斜坡产生较大位移; (2)动力效应会引发海床侵蚀和岩土体强度弱化,进而降低斜坡安全系数,这是稳定性分析中不可忽略的重要因素。
本文利用文献计量分析平台和可视化技术,定量分析了2000~2021年海底滑坡领域的研究特征,揭示了不同时间段的研究变化和发展趋势。结果表明: (1)近20年间海底滑坡领域的科研产出数量快速增长,中国是海底滑坡领域发文量增长最快的国家,与其他国家合作关系也比较密切。(2)对比分析中、美研究机构发现美国的研究机构最多,但中国的研究机构与国内外其他机构合作最多,影响力相对较大。(3)国内外近20年来在海底滑坡领域的研究基本保持一致,但最近几年在触发机制研究中,全球学者更关注海啸诱发海底滑坡,而中国学者更关注水合物分解引起的海底滑坡,这将是未来海底滑坡领域研究的新趋势。 本文利用文献计量分析平台和可视化技术,定量分析了2000~2021年海底滑坡领域的研究特征,揭示了不同时间段的研究变化和发展趋势。结果表明: (1)近20年间海底滑坡领域的科研产出数量快速增长,中国是海底滑坡领域发文量增长最快的国家,与其他国家合作关系也比较密切。(2)对比分析中、美研究机构发现美国的研究机构最多,但中国的研究机构与国内外其他机构合作最多,影响力相对较大。(3)国内外近20年来在海底滑坡领域的研究基本保持一致,但最近几年在触发机制研究中,全球学者更关注海啸诱发海底滑坡,而中国学者更关注水合物分解引起的海底滑坡,这将是未来海底滑坡领域研究的新趋势。
海底滑坡是危害最大的海洋地质灾害之一,可以沿海底斜坡搬运超大体积的沉积物,并作高速运动。滑水是海底滑坡高速和长距离滑动的主要原因,涉及复杂的滑坡体-环境水相互作用。本文采用新型数值方法物质点法对滑水的危害性进行研究,分别对室内试验和真实滑坡案例中滑坡体的运动过程进行了反分析。考虑滑水发生的力学条件,将上部流体拖曳阻力、底部海床阻力和滑水发生时的水垫层阻力共同作用于滑坡体,得到的滑坡体运动距离与试验和观测结果一致。分析了滑坡体在滑水发生后的动力特性,研究表明滑水大幅增强了海底滑坡的运动距离和滑动速度。 海底滑坡是危害最大的海洋地质灾害之一,可以沿海底斜坡搬运超大体积的沉积物,并作高速运动。滑水是海底滑坡高速和长距离滑动的主要原因,涉及复杂的滑坡体-环境水相互作用。本文采用新型数值方法物质点法对滑水的危害性进行研究,分别对室内试验和真实滑坡案例中滑坡体的运动过程进行了反分析。考虑滑水发生的力学条件,将上部流体拖曳阻力、底部海床阻力和滑水发生时的水垫层阻力共同作用于滑坡体,得到的滑坡体运动距离与试验和观测结果一致。分析了滑坡体在滑水发生后的动力特性,研究表明滑水大幅增强了海底滑坡的运动距离和滑动速度。
水下滑坡是常见的地质灾害之一,为解决离散元PFC难以模拟水下流体环境的问题,提出采用计算流体力学OpenFOAM与离散元PFC耦合的计算方法。针对流固耦合中的尺度相似性问题,提出了适用于该耦合方法的相似性方法并验证了其可行性。通过典型案例分析了基于该耦合方法的水下滑坡动力学特性及堆积形态,并与单向耦合水下滑坡和陆上滑坡结果进行了对比。结果表明该耦合方法能够较好地模拟水下滑坡运动规律,主要表现为滑坡体前端厚度较大并呈椭圆面;水下滑坡运动过程和堆积形态与陆上滑坡差异较大,OpenFOAM-PFC双向耦合与单向耦合方法相比具有优越性。 水下滑坡是常见的地质灾害之一,为解决离散元PFC难以模拟水下流体环境的问题,提出采用计算流体力学OpenFOAM与离散元PFC耦合的计算方法。针对流固耦合中的尺度相似性问题,提出了适用于该耦合方法的相似性方法并验证了其可行性。通过典型案例分析了基于该耦合方法的水下滑坡动力学特性及堆积形态,并与单向耦合水下滑坡和陆上滑坡结果进行了对比。结果表明该耦合方法能够较好地模拟水下滑坡运动规律,主要表现为滑坡体前端厚度较大并呈椭圆面;水下滑坡运动过程和堆积形态与陆上滑坡差异较大,OpenFOAM-PFC双向耦合与单向耦合方法相比具有优越性。
小尺度的水槽实验和数值模型被广泛应用于真实尺度条件下海底碎屑流对海底管道冲击力的研究,但模型与某一特定原型之间的相似性一直未能得到保证,从而严重影响模型结果的适用性。为此,本文采用幂律本构关系(Power-law)描述海底碎屑流的流变特性,并基于雷诺相似准则,推导出海底碎屑流冲击海底管道时模型与原型之间各物理参数的比尺关系。根据该比尺关系,本文对现有水槽实验中模型与某一特定原型之间的相似性进行了分析,发现该水槽实验与预期的原型工况并不相似,继而推算出与该水槽实验相似的原型工况,并设计出与预期的原型工况相似的模型工况。此外,本文还对基于幂律本构关系和雷诺相似准则推导得到的比尺关系的适用性进行了讨论,认为该比尺关系适用于常重力环境下(1g)海底碎屑流冲击海底管道的小尺度水槽实验和数值模型,但不适用于超重力环境下(Ng)的土工离心机实验,也不适用于海底碎屑流的低剪切应变率工况。本文的研究结果将为保证常重力环境下(1g)海底碎屑流冲击海底管道时模型与某一特定原型之间的相似性提供理论依据。 小尺度的水槽实验和数值模型被广泛应用于真实尺度条件下海底碎屑流对海底管道冲击力的研究,但模型与某一特定原型之间的相似性一直未能得到保证,从而严重影响模型结果的适用性。为此,本文采用幂律本构关系(Power-law)描述海底碎屑流的流变特性,并基于雷诺相似准则,推导出海底碎屑流冲击海底管道时模型与原型之间各物理参数的比尺关系。根据该比尺关系,本文对现有水槽实验中模型与某一特定原型之间的相似性进行了分析,发现该水槽实验与预期的原型工况并不相似,继而推算出与该水槽实验相似的原型工况,并设计出与预期的原型工况相似的模型工况。此外,本文还对基于幂律本构关系和雷诺相似准则推导得到的比尺关系的适用性进行了讨论,认为该比尺关系适用于常重力环境下(1g)海底碎屑流冲击海底管道的小尺度水槽实验和数值模型,但不适用于超重力环境下(Ng)的土工离心机实验,也不适用于海底碎屑流的低剪切应变率工况。本文的研究结果将为保证常重力环境下(1g)海底碎屑流冲击海底管道时模型与某一特定原型之间的相似性提供理论依据。
作为一种常见的海洋地质灾害,海底滑坡会对油气管道的安全造成巨大威胁。由于海洋底流的冲刷作用,海底管道往往会悬跨于海床之上,稳定性较差。当悬跨管道遭受到海底滑坡的冲击作用后,其动态响应预测及安全性评估尤为重要。本文建立了海底滑坡-管道相互作用的有限元模型,将油气管道分为悬跨段和埋地段,考虑了悬跨长度和高度变化条件下,油气管道遭受海底滑坡冲击作用时的动态响应。数值计算结果表明,管道悬跨长度和高度对其塑性变形影响显著,海底滑坡引起的管道应变会随着悬跨长度和高度的增加而增大。最后,提出了综合考虑悬跨长度和高度影响下海底管道安全性评估方法,该成果可直接用于海底滑坡作用下油气管道安全性的动态评估。 作为一种常见的海洋地质灾害,海底滑坡会对油气管道的安全造成巨大威胁。由于海洋底流的冲刷作用,海底管道往往会悬跨于海床之上,稳定性较差。当悬跨管道遭受到海底滑坡的冲击作用后,其动态响应预测及安全性评估尤为重要。本文建立了海底滑坡-管道相互作用的有限元模型,将油气管道分为悬跨段和埋地段,考虑了悬跨长度和高度变化条件下,油气管道遭受海底滑坡冲击作用时的动态响应。数值计算结果表明,管道悬跨长度和高度对其塑性变形影响显著,海底滑坡引起的管道应变会随着悬跨长度和高度的增加而增大。最后,提出了综合考虑悬跨长度和高度影响下海底管道安全性评估方法,该成果可直接用于海底滑坡作用下油气管道安全性的动态评估。
双排钢板桩结构是由两排钢板桩、桩间土和拉杆组成的挡土、止水复合结构,由于其较土石围堤占地面积小、施工速度快,较钢板桩整体性好,抗地震和波浪等动力稳定性好,在水利、水运、海岸工程中广泛应用。但由于钢板桩受地质条件影响较大,其使用效果和投入成本不尽相同。本文重点搜集和调查了国内外海岸带工程中使用双排钢板桩的工程案例,分别针对岩溶发育的岩性地基,高渗透性的砂性地基和深厚淤泥质软土地基对双排钢板桩的性能影响和设计约束进行分析。结合原有地质条件和设计资料,采用有限元软件补充计算分析,分析研究在各种不同类型的工程地质条件和水文条件下双排钢板桩的应用效果,总结双排钢板桩在海岸带不同工程地质条件下的适用性。发现在岩溶发育地层施工双排钢板桩需要防止打桩造成垂直度差和岩溶连通性带来的渗漏问题;在砂土地层需要防止钢板桩倾斜变形造成锁扣止水性能劣化,进而导致渗漏水甚至出现流砂;在淤泥地层施工时打入桩施工和桩身止水性能都能得到保证,但可能发生较大桩身整体变形,同时应考虑内侧坑底加固以避免踢脚稳定性破坏。本文的研究对发展海岸带生态工程地质和沿海韧性水工建筑物具有工程指导价值。 双排钢板桩结构是由两排钢板桩、桩间土和拉杆组成的挡土、止水复合结构,由于其较土石围堤占地面积小、施工速度快,较钢板桩整体性好,抗地震和波浪等动力稳定性好,在水利、水运、海岸工程中广泛应用。但由于钢板桩受地质条件影响较大,其使用效果和投入成本不尽相同。本文重点搜集和调查了国内外海岸带工程中使用双排钢板桩的工程案例,分别针对岩溶发育的岩性地基,高渗透性的砂性地基和深厚淤泥质软土地基对双排钢板桩的性能影响和设计约束进行分析。结合原有地质条件和设计资料,采用有限元软件补充计算分析,分析研究在各种不同类型的工程地质条件和水文条件下双排钢板桩的应用效果,总结双排钢板桩在海岸带不同工程地质条件下的适用性。发现在岩溶发育地层施工双排钢板桩需要防止打桩造成垂直度差和岩溶连通性带来的渗漏问题;在砂土地层需要防止钢板桩倾斜变形造成锁扣止水性能劣化,进而导致渗漏水甚至出现流砂;在淤泥地层施工时打入桩施工和桩身止水性能都能得到保证,但可能发生较大桩身整体变形,同时应考虑内侧坑底加固以避免踢脚稳定性破坏。本文的研究对发展海岸带生态工程地质和沿海韧性水工建筑物具有工程指导价值。
海岸带位于海陆交互地带,其独特的地理、地质和环境条件导致其灾害地质现象发育,地质灾害易发性和危险性高。考虑到海岸带的重要经济和社会属性,开展海岸带的地质灾害风险评价显得极为重要。本文首先建立了基于模糊贝叶斯网络的地质灾害风险评价模型,结合网络层次分析法(ANP)确定模糊贝叶斯网络的条件概率,并简化了贝叶斯网络的结构图谱。在此基础上,以辽东半岛东部海岸带作为研究区,以崩塌、滑坡、地面塌陷、海岸侵蚀和海水入侵等5个主要地质灾害类型作为评价对象,开展了基于ANP-模糊贝叶斯网络模型的地质灾害易发性、危险性和风险性评价,并编制了综合地质灾害风险分布图;结果显示,区内高、较高风险区主要分布于研究区的西南部海岸带,面积为249km2,约占全区面积的9.1%。研究成果可为海岸带国土资源开发、经济建设规划、防灾减灾救灾等提供重要参考,对同类地区的海岸带地质灾害风险评价具有一定借鉴意义。 海岸带位于海陆交互地带,其独特的地理、地质和环境条件导致其灾害地质现象发育,地质灾害易发性和危险性高。考虑到海岸带的重要经济和社会属性,开展海岸带的地质灾害风险评价显得极为重要。本文首先建立了基于模糊贝叶斯网络的地质灾害风险评价模型,结合网络层次分析法(ANP)确定模糊贝叶斯网络的条件概率,并简化了贝叶斯网络的结构图谱。在此基础上,以辽东半岛东部海岸带作为研究区,以崩塌、滑坡、地面塌陷、海岸侵蚀和海水入侵等5个主要地质灾害类型作为评价对象,开展了基于ANP-模糊贝叶斯网络模型的地质灾害易发性、危险性和风险性评价,并编制了综合地质灾害风险分布图;结果显示,区内高、较高风险区主要分布于研究区的西南部海岸带,面积为249km2,约占全区面积的9.1%。研究成果可为海岸带国土资源开发、经济建设规划、防灾减灾救灾等提供重要参考,对同类地区的海岸带地质灾害风险评价具有一定借鉴意义。
埋地管道应用广泛,而在管道铺设过程中穿越的大范围可液化土层,面临着地震作用下管道液化上浮和变形破坏等风险。依托某临海火电站直埋管道工程,采用室内振动台模型试验方法,分析了海洋液化地基中输水管道的变形特性和动力响应,探究了砾石压重法和排水板加固法的抗液化效果。结果表明:海洋饱和砂土地基在动力荷载作用下发生液化,不同深度土层加速度出现不同程度的衰减,上部土层加速度衰减幅度最大且沿深度减小;不同土层中土体超孔压先快速上升达到峰值并维持稳定直至振动停止;在振动过程中,管道发生了明显上浮,且上浮速率逐渐降低,当振动停止时达到最大上浮位移;砾石压重法对于管道抗液化效果不佳,加速度和超孔压时程曲线与标准工况基本一致,中上层砂土出现明显液化现象,但超孔压峰值存在一定下降,且管道上浮与标准工况相比下降65.4%;而宽、窄排水板加固法效果更加显著,整体土层液化现象得到抑制,超孔压峰值与标准工况相比较小,且在振动期间持续降低,平均峰值与标准工况相比分别下降48.30%和38.91%,同时管道竖向位移与标准工况相比降幅均超过100%。在实际工程应用中,推荐使用排水板加固方案,同时需要选择适当的排水通道宽度。 埋地管道应用广泛,而在管道铺设过程中穿越的大范围可液化土层,面临着地震作用下管道液化上浮和变形破坏等风险。依托某临海火电站直埋管道工程,采用室内振动台模型试验方法,分析了海洋液化地基中输水管道的变形特性和动力响应,探究了砾石压重法和排水板加固法的抗液化效果。结果表明:海洋饱和砂土地基在动力荷载作用下发生液化,不同深度土层加速度出现不同程度的衰减,上部土层加速度衰减幅度最大且沿深度减小;不同土层中土体超孔压先快速上升达到峰值并维持稳定直至振动停止;在振动过程中,管道发生了明显上浮,且上浮速率逐渐降低,当振动停止时达到最大上浮位移;砾石压重法对于管道抗液化效果不佳,加速度和超孔压时程曲线与标准工况基本一致,中上层砂土出现明显液化现象,但超孔压峰值存在一定下降,且管道上浮与标准工况相比下降65.4%;而宽、窄排水板加固法效果更加显著,整体土层液化现象得到抑制,超孔压峰值与标准工况相比较小,且在振动期间持续降低,平均峰值与标准工况相比分别下降48.30%和38.91%,同时管道竖向位移与标准工况相比降幅均超过100%。在实际工程应用中,推荐使用排水板加固方案,同时需要选择适当的排水通道宽度。
在近海海域修建海底隧道必须考虑地震灾害的潜在威胁,进行海底隧道地震响应研究时考虑海水动水压力的影响将更贴合实际情况。为研究考虑海水-海床耦合效应的海底隧道地震响应规律,本文基于某海峡海底盾构隧道工程,考虑了海床土体和隧道混凝土的动力非线性特性以及海水与海床之间的耦合效应,建立了海水-海床-隧道动力相互作用的有限元模型,研究了在不同地震动输入、不同地震激励方向、不同上覆水深条件下海底隧道的地震响应规律。结果表明:使用ABAQUS中的声学模块能够有效地实现流-固耦合作用的模拟;在水平地震作用下,隧道在左右拱肩及拱脚位置应力集中显著;地震作用时水域最大动水压力出现在隧道正上方左右两侧海床表面处;当处于双向地震激励时,海床表面动水压力显著增大,隧道各点处的应力峰值也随之显著增大;相较于高频丰富的地震动,低频丰富的地震动输入对海底隧道的影响更大;海底隧道地震损伤随着水深增加逐渐减小。研究结果有助于更好地掌握实际海底隧道地震响应规律。 在近海海域修建海底隧道必须考虑地震灾害的潜在威胁,进行海底隧道地震响应研究时考虑海水动水压力的影响将更贴合实际情况。为研究考虑海水-海床耦合效应的海底隧道地震响应规律,本文基于某海峡海底盾构隧道工程,考虑了海床土体和隧道混凝土的动力非线性特性以及海水与海床之间的耦合效应,建立了海水-海床-隧道动力相互作用的有限元模型,研究了在不同地震动输入、不同地震激励方向、不同上覆水深条件下海底隧道的地震响应规律。结果表明:使用ABAQUS中的声学模块能够有效地实现流-固耦合作用的模拟;在水平地震作用下,隧道在左右拱肩及拱脚位置应力集中显著;地震作用时水域最大动水压力出现在隧道正上方左右两侧海床表面处;当处于双向地震激励时,海床表面动水压力显著增大,隧道各点处的应力峰值也随之显著增大;相较于高频丰富的地震动,低频丰富的地震动输入对海底隧道的影响更大;海底隧道地震损伤随着水深增加逐渐减小。研究结果有助于更好地掌握实际海底隧道地震响应规律。
为精确模拟海底盾构隧道掘进过程的施工力学效应,以厦门地铁2号线海底盾构段工程为依托,建立盾构机-注浆体-围岩-海水相互作用的三维数值模型,全面考虑施工影响因素,如开挖面泥水压力、千斤顶推力、盾构机超挖、机身与土体相互作用、注浆压力、海水压力、壁后注浆的时空变化性质等,通过计算结果与实测的验证后,对开挖面支护压力、地层损失率、注浆压力和千斤顶力等4种因素进行参数变化分析。结果表明:初期管片水土压力受到的施工扰动较为强烈,之后先大幅快速下降,降幅在100kPa左右,再缓慢降低,降幅在20kPa左右,最后趋于稳定;开挖面支护压力设为320kPa左右最为合理,增大支护压力,仅对开挖面前方一定范围内土体变形有影响,由于埋深较大,对地表竖向位移基本没有影响;地层损失率对地层沉降、管片上浮及管片内力的影响较大,随着地层损失率增大1%,地表沉降增大241.3%,管片上浮量降低38.2%,弯矩减少23.9%;注浆压力对管片上浮和管片内力有较大影响,注浆压力增大10%,管片上浮量增大32.1%,弯矩增大24.3%;千斤顶力主要对沿隧道轴向的管片轴力有一定影响,对管片上浮和管片弯矩影响很小。研究成果可为管片结构设计及海底盾构施工参数控制提供更加合理的参考建议。 为精确模拟海底盾构隧道掘进过程的施工力学效应,以厦门地铁2号线海底盾构段工程为依托,建立盾构机-注浆体-围岩-海水相互作用的三维数值模型,全面考虑施工影响因素,如开挖面泥水压力、千斤顶推力、盾构机超挖、机身与土体相互作用、注浆压力、海水压力、壁后注浆的时空变化性质等,通过计算结果与实测的验证后,对开挖面支护压力、地层损失率、注浆压力和千斤顶力等4种因素进行参数变化分析。结果表明:初期管片水土压力受到的施工扰动较为强烈,之后先大幅快速下降,降幅在100kPa左右,再缓慢降低,降幅在20kPa左右,最后趋于稳定;开挖面支护压力设为320kPa左右最为合理,增大支护压力,仅对开挖面前方一定范围内土体变形有影响,由于埋深较大,对地表竖向位移基本没有影响;地层损失率对地层沉降、管片上浮及管片内力的影响较大,随着地层损失率增大1%,地表沉降增大241.3%,管片上浮量降低38.2%,弯矩减少23.9%;注浆压力对管片上浮和管片内力有较大影响,注浆压力增大10%,管片上浮量增大32.1%,弯矩增大24.3%;千斤顶力主要对沿隧道轴向的管片轴力有一定影响,对管片上浮和管片弯矩影响很小。研究成果可为管片结构设计及海底盾构施工参数控制提供更加合理的参考建议。
渤海海峡跨海通道工程的前期研究一直停留在规划层面,系统性的工程地质勘察工作基本是空白。本文通过资料搜集、现场调查、海上钻探、海洋物探、室内试验等手段,重点围绕跨海通道沿线工程地质特征、特殊岩土性质、不良地质作用和主要工程地质问题等开展了系统研究。研究表明:(1)海峡通道内海底第四系覆盖层厚度深浅不一,邻近岛屿附近埋藏较浅,海峡腹地、峡道中部厚度较大;老铁山水道中央位置处覆盖层最厚,附近ZK1钻孔深度达到186.3m,仍未见基岩;(2)通道沿线地层岩性主要有石英片岩、变质砂岩、长石砂岩、片麻岩等,岩性较为坚硬,岩体基本分级以Ⅲ~Ⅳ级为主;(3)沿线特殊岩土有填筑土、新近黄土、软土和泥质膨胀岩4类,不良地质作用有危岩落石、人为坑洞、有害气体和地震地质灾害等;(4)工程地质问题主要有跨越断裂带和海底隧道突涌水两方面,隧道突涌水风险集中在断裂破碎带附近。研究成果对科学论证渤海海峡跨海通道工程建设方案具有重要意义。 渤海海峡跨海通道工程的前期研究一直停留在规划层面,系统性的工程地质勘察工作基本是空白。本文通过资料搜集、现场调查、海上钻探、海洋物探、室内试验等手段,重点围绕跨海通道沿线工程地质特征、特殊岩土性质、不良地质作用和主要工程地质问题等开展了系统研究。研究表明:(1)海峡通道内海底第四系覆盖层厚度深浅不一,邻近岛屿附近埋藏较浅,海峡腹地、峡道中部厚度较大;老铁山水道中央位置处覆盖层最厚,附近ZK1钻孔深度达到186.3m,仍未见基岩;(2)通道沿线地层岩性主要有石英片岩、变质砂岩、长石砂岩、片麻岩等,岩性较为坚硬,岩体基本分级以Ⅲ~Ⅳ级为主;(3)沿线特殊岩土有填筑土、新近黄土、软土和泥质膨胀岩4类,不良地质作用有危岩落石、人为坑洞、有害气体和地震地质灾害等;(4)工程地质问题主要有跨越断裂带和海底隧道突涌水两方面,隧道突涌水风险集中在断裂破碎带附近。研究成果对科学论证渤海海峡跨海通道工程建设方案具有重要意义。
我国南海北陆坡水合物富集区广泛发育古滑坡,若水合物开采不当可能导致古滑坡再次滑动。为了探究水合物开采诱发古滑坡再启滑机制,针对含下卧型水合物藏和伴生型水合物藏的两个典型古滑坡体,在边坡极限平衡分析框架内考虑了水合物开采过程中的瞬态孔压与土体抗剪强度变化,分析了水合物开采过程中不同古滑坡体的稳定性演变与失稳模式。研究表明,水合物分解导致所赋存土体的胶结强度弱化,同时逸出气体可能被阻滞于渗透性较低的古滑坡体下方,从而形成横向扩展的高压区。下卧型储层边坡的潜在滑移面贯穿古滑移面,一般表现为滑动型滑坡;开采初期因孔压积聚而导致边坡稳定性降低,开采中后期因二次水合物生成可能导致边坡稳定性有所回升,在本文计算条件下未触发古滑坡复活。伴生型储层边坡的稳定性受土体强度劣化与孔压积聚的共同影响,水合物开采导致古滑坡重新滑动,表现为滑塌型滑坡。 我国南海北陆坡水合物富集区广泛发育古滑坡,若水合物开采不当可能导致古滑坡再次滑动。为了探究水合物开采诱发古滑坡再启滑机制,针对含下卧型水合物藏和伴生型水合物藏的两个典型古滑坡体,在边坡极限平衡分析框架内考虑了水合物开采过程中的瞬态孔压与土体抗剪强度变化,分析了水合物开采过程中不同古滑坡体的稳定性演变与失稳模式。研究表明,水合物分解导致所赋存土体的胶结强度弱化,同时逸出气体可能被阻滞于渗透性较低的古滑坡体下方,从而形成横向扩展的高压区。下卧型储层边坡的潜在滑移面贯穿古滑移面,一般表现为滑动型滑坡;开采初期因孔压积聚而导致边坡稳定性降低,开采中后期因二次水合物生成可能导致边坡稳定性有所回升,在本文计算条件下未触发古滑坡复活。伴生型储层边坡的稳定性受土体强度劣化与孔压积聚的共同影响,水合物开采导致古滑坡重新滑动,表现为滑塌型滑坡。
天然气水合物是一种重要的潜在替代能源,降压法是现阶段水合物开采的首选方法。水合物降压开采涉及传热、多相渗流、分解相变和储层变形等多个相互影响的物理效应,深入理解其在降压开采过程中的演化规律,对于促进水合物开采效率、实现商业化开发具有重要的指导意义。本文基于一维实验模拟系统,开展了水合物降压开采储层多物理场演化模拟实验,在非均匀温度条件下采用过量气法合成水合物,分析了水合物非均匀性分布特征,探讨了降压过程中样品孔隙压力和温度的演化规律,对比了产气过程与传热演化过程的对应关系。结果表明:水合物合成后温度分布呈两侧高中间低的抛物线形状,水合物分布具有中间多而两侧无的非均匀性特征,且温度回升具有由两侧向中间发展的特点;降压分解产气过程与传热演化过程具有良好的对应性,稳态产气阶段由传热效应控制。控制降压模式、以对流换热替代热传导等方式有益于提升水合物开采产气效率。 天然气水合物是一种重要的潜在替代能源,降压法是现阶段水合物开采的首选方法。水合物降压开采涉及传热、多相渗流、分解相变和储层变形等多个相互影响的物理效应,深入理解其在降压开采过程中的演化规律,对于促进水合物开采效率、实现商业化开发具有重要的指导意义。本文基于一维实验模拟系统,开展了水合物降压开采储层多物理场演化模拟实验,在非均匀温度条件下采用过量气法合成水合物,分析了水合物非均匀性分布特征,探讨了降压过程中样品孔隙压力和温度的演化规律,对比了产气过程与传热演化过程的对应关系。结果表明:水合物合成后温度分布呈两侧高中间低的抛物线形状,水合物分布具有中间多而两侧无的非均匀性特征,且温度回升具有由两侧向中间发展的特点;降压分解产气过程与传热演化过程具有良好的对应性,稳态产气阶段由传热效应控制。控制降压模式、以对流换热替代热传导等方式有益于提升水合物开采产气效率。
天然气水合物是未来极具潜力的新型高效清洁替代能源。在分析水合物开采面临的瓶颈问题的基础上,提出了一种全新的天然气水合物开采方法——原位补热降压充填开采法。该方法将氧化钙(CaO)粉末注入天然水合物储层,降压开采天然气,天然气水合物分解产生的水和氧化钙粉末迅速反应,产生的大量热量补充天然气水合物的分解热。本文利用基于有限体积法的新型天然气水合物模拟器,构建三维地质模型对该方法进行产能数值模拟评价。模拟结果表明相较于常规水平井方法以及水平井结合压裂开采方案,该方法对生产的促进效应明显,尤其是与水平井结合压裂开采方案相比该方法的累积产气量明显提高,但累积产水量没有显著变化,开采效率显著提升。施工工艺中裂缝等效渗透率和氧化钙注入量两个关键参数的敏感性分析结果表明在压裂过程中,压裂技术的增产效果会随着等效渗透率的提高而逐渐减弱。除此之外,氧化钙注入量越大,增产效应越明显,并且提高氧化钙注入量只会提高产气量,不会显著提高产水量,所以理论上注入量越大,产气效率越高。与此同时,该方法在不同渗透性能的天然气水合物储层中均有一定的适用性,其中针对低渗储层的促进效应更为显著。综合上述结论,本文从三维模型理论计算的角度定量化验证了原位补热降压充填开采方法的潜在价值,期待为将来的水合物试采工作提供一定参考。 天然气水合物是未来极具潜力的新型高效清洁替代能源。在分析水合物开采面临的瓶颈问题的基础上,提出了一种全新的天然气水合物开采方法——原位补热降压充填开采法。该方法将氧化钙(CaO)粉末注入天然水合物储层,降压开采天然气,天然气水合物分解产生的水和氧化钙粉末迅速反应,产生的大量热量补充天然气水合物的分解热。本文利用基于有限体积法的新型天然气水合物模拟器,构建三维地质模型对该方法进行产能数值模拟评价。模拟结果表明相较于常规水平井方法以及水平井结合压裂开采方案,该方法对生产的促进效应明显,尤其是与水平井结合压裂开采方案相比该方法的累积产气量明显提高,但累积产水量没有显著变化,开采效率显著提升。施工工艺中裂缝等效渗透率和氧化钙注入量两个关键参数的敏感性分析结果表明在压裂过程中,压裂技术的增产效果会随着等效渗透率的提高而逐渐减弱。除此之外,氧化钙注入量越大,增产效应越明显,并且提高氧化钙注入量只会提高产气量,不会显著提高产水量,所以理论上注入量越大,产气效率越高。与此同时,该方法在不同渗透性能的天然气水合物储层中均有一定的适用性,其中针对低渗储层的促进效应更为显著。综合上述结论,本文从三维模型理论计算的角度定量化验证了原位补热降压充填开采方法的潜在价值,期待为将来的水合物试采工作提供一定参考。
静力触探探测具有原位性、连续性、高效性以及高分辨率的优点,利用海洋静力触探探测成果计算海上平台桩基承载力具有非常大的应用空间。以胜利油田埕岛海域某平台为例,使用ROSON100型海洋静力触探仪对平台各桩腿开展原位探测,同步进行钻探取样及室内土工参数测试。分别利用静力触探和钻探取样测试成果计算了平台桩基承载力,对比讨论了3种桩基承载力计算方法之间的异同。结果表明:3种方法对应的桩侧摩阻力随埋深变化整体趋势基本一致;基于一定区域工程经验,钻探规范法和静探间接法得到的桩端阻力、单桩极限承载力基本吻合,而静探直接法得到的桩端阻力和单桩极限承载力相较前两者明显偏大;考虑以粉砂作为持力层的前提下3种桩基极限承载力计算方法表现出较好的兼容性。研究成果可为海洋工程桩基承载力计算提供新的借鉴,具有一定科学意义和应用价值。 静力触探探测具有原位性、连续性、高效性以及高分辨率的优点,利用海洋静力触探探测成果计算海上平台桩基承载力具有非常大的应用空间。以胜利油田埕岛海域某平台为例,使用ROSON100型海洋静力触探仪对平台各桩腿开展原位探测,同步进行钻探取样及室内土工参数测试。分别利用静力触探和钻探取样测试成果计算了平台桩基承载力,对比讨论了3种桩基承载力计算方法之间的异同。结果表明:3种方法对应的桩侧摩阻力随埋深变化整体趋势基本一致;基于一定区域工程经验,钻探规范法和静探间接法得到的桩端阻力、单桩极限承载力基本吻合,而静探直接法得到的桩端阻力和单桩极限承载力相较前两者明显偏大;考虑以粉砂作为持力层的前提下3种桩基极限承载力计算方法表现出较好的兼容性。研究成果可为海洋工程桩基承载力计算提供新的借鉴,具有一定科学意义和应用价值。
海洋工程建设已步入深海,但与之匹配的浅表层沉积物不排水剪切强度原位测试技术尚不成熟。为此,本文开发了可用于评估深海浅表层沉积物土力学性质的多探头原位测试系统,包括锥形触探仪、球形贯入仪和十字板剪切仪,可实现对深海沉积物土力学性质的快速、准确和智能化评价。进一步,通过CEL大变形数值模拟和足尺土工模型试验确定锥形触探仪的锥尖阻力系数,基于离心模型试验给出球形贯入仪的贯入阻力系数,从而完善深海浅表层沉积物不排水剪切强度的评价方法;在此基础上,探讨3种特定仪器各自适合的强度测试区间。结果表明:对于深海浅表层沉积物不排水剪切强度的评估,锥形触探仪和球形贯入仪的阻力系数建议分别取值为9.5和11.1。 海洋工程建设已步入深海,但与之匹配的浅表层沉积物不排水剪切强度原位测试技术尚不成熟。为此,本文开发了可用于评估深海浅表层沉积物土力学性质的多探头原位测试系统,包括锥形触探仪、球形贯入仪和十字板剪切仪,可实现对深海沉积物土力学性质的快速、准确和智能化评价。进一步,通过CEL大变形数值模拟和足尺土工模型试验确定锥形触探仪的锥尖阻力系数,基于离心模型试验给出球形贯入仪的贯入阻力系数,从而完善深海浅表层沉积物不排水剪切强度的评价方法;在此基础上,探讨3种特定仪器各自适合的强度测试区间。结果表明:对于深海浅表层沉积物不排水剪切强度的评估,锥形触探仪和球形贯入仪的阻力系数建议分别取值为9.5和11.1。
对2021年度工程地质领域(涵盖地质学学科下属的工程地质和环境地球科学学科下属的工程地质环境与灾害)的基金申请情况、资助情况、研究队伍等进行详细分析。工程地质领域的基金项目申请数量稳步上升,主要是青年基金、面上基金等申请数量持续增长,其他类型项目申请数量保持相对稳定。近10年的统计数据表明,同行评议专家对申请书的评议尺度稳定。面上项目申请者的年龄结构趋于年轻化,青年科学基金申请者的年龄结构比较合理。工程地质领域在多个不同的项目类型中都获得了资助,表现出较强的竞争力。 对2021年度工程地质领域(涵盖地质学学科下属的工程地质和环境地球科学学科下属的工程地质环境与灾害)的基金申请情况、资助情况、研究队伍等进行详细分析。工程地质领域的基金项目申请数量稳步上升,主要是青年基金、面上基金等申请数量持续增长,其他类型项目申请数量保持相对稳定。近10年的统计数据表明,同行评议专家对申请书的评议尺度稳定。面上项目申请者的年龄结构趋于年轻化,青年科学基金申请者的年龄结构比较合理。工程地质领域在多个不同的项目类型中都获得了资助,表现出较强的竞争力。

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