论文摘要
近年来,随着海洋开发利用步伐的加快,海底管线的铺设数量、布设长度和作业水深不断增加,在服役期内这些管线是否稳定直接影响着海洋资源开采、跨海电信通讯、作业人员生命财产及海洋生态环境的安全,对国家的海洋经略影响深远。然而,受海底复杂地形条件限制,海底管线的铺设路线往往难以绕离潜在海底滑坡区,甚至有直接穿越滑坡高发区的案例,对管线工程的安全性提出了重大挑战。海底滑坡是一种发生频繁、影响区域广泛、预测困难的海洋土体灾害,其经触发滑动后,通过水-土交换作用逐渐演变成稀式流滑体,表现出土体和流体的双重属性,具有体积大、速度快、滑距长、冲击力强等特征,威胁十分巨大。因此,探究海底滑坡运动过程中的强度特性,完善海底滑坡对管线的灾害作用评价,具有重要的理论价值和现实意义。基于此,本文首先采用改进的新型全流动贯入仪对典型海洋软土的不排水剪切强度开展了测试与分析,并结合流变仪测试方法,系统地探讨了流滑阶段海底滑坡土体在不同剪切应变率下的流变强度特性。然后,基于水槽模型试验,研究了海底流滑体端部发生“滑水效应”的条件及其影响下的滑端变形机制,并对不同滑速条件下海底流滑体及其与周围水环境间界面质量输运通量的变化规律进行了分析与预测。最后,应用计算流体动力学（CFD）和流-固耦合（FSI）数值方法,分别研究了海底滑坡冲击管线的竖向作用力和海底管线遭受滑坡冲击产生的竖向位移,并进一步探讨了海底管线的流线型防护设计思路及减灾效果。根据上述工作,取得了以下成果:（1）基于土的全流动强度测试原理,开发了一种适用于极低强度、高含水率、高灵敏度海洋软土强度特性测试的新型全流动贯入仪,并通过一系列土工试验对新型仪器的测试可靠性和稳定性进行了验证;揭示了我国南海北部陆坡区典型海洋软土的强度分布特征、土体结构特征和阻力系数范围;基于重塑土的不排水剪切强度与含水率指标间的幂律关系,提出了适用于我国南海北部陆坡区海洋软土的归一化不排水剪切强度预测模型,并与前人研究结果进行了比较验证。（2）结合流变仪在剪切应变率测试方面的优势与全流动贯入仪在强度测试方面的优势,提出了一种组合试验方法,并对其效果进行了检验;针对三种具有代表性的海洋软土,得出了流变特性参数与土体含水率指标的相关性,以及剪切应变率对土体灵敏度测试结果的影响;基于非牛顿流体的剪切稀化行为理论,提出了一种分段流变强度模型,可以用来描述海底流滑体在全剪切应变率范围内的流变强度特性。（3）基于自主设计的水槽试验系统,成功实现了对流滑体端部发生的“滑水效应”进行图像捕捉与监测,检验了“滑水效应”发生的临界条件,并完善了海底滑坡在流滑过程中受“滑水效应”影响的滑端变形机制;基于土体颗粒的临界剪切应力启动条件,提出了一套用于测试土体颗粒向水环境扩散的试验系统,揭示了不同流速条件下海底流滑体的土-水界面处质量输运通量变化规律。（4）基于CFD数值方法,得出了海底滑坡体冲击管线竖向作用力的曲线特征与荷载量级,以及管线-海床间隙对其产生的影响;基于混合土力学-流体力学模型框架,逐步解释了管线-海床间隙对滑坡竖向作用力的土体强度组分与流体速度组分的影响,提出了临界管线-海床间隙的概念与计算方法,并进一步构建了考虑管线-海床间隙影响的海底滑坡冲击管线竖向作用力评价公式,且对该公式的应用效果进行了比较验证。（5）基于任意拉格朗日-欧拉法的FSI数值分析,实现了海底滑坡体与管线耦合作用过程的数值模拟,并通过流体力学经典颗粒沉降过程对其进行了验证;揭示了海底管线遭受滑坡灾害冲击作用下的竖向位移特征与规律;通过与固定管线工况的差异性比较,阐明了竖向冲击位移对海底管线工程设计参数的影响。（6）基于流线型减阻理论,将流线型设计思路应用于海底管线的外层设计之中,给出了四种具体的流线型式和对应的尺寸设计;基于CFD数值方法,揭示了流线型海底管线遭遇滑坡冲击作用下的降阻机制与减灾效果,并建立了各流线型管线的滑坡冲击作用力预测模型;根据当前海底管线工程从设计到运营的一般过程,阐明了流线型设计对海底管线工程各阶段性能及设计参数的影响。
论文目录
文章来源
类型: 博士论文
作者: 范宁
导师: 年廷凯
关键词: 海底滑坡,海底管线,强度特性,土水界面作用,滑坡管线耦合作用,流线型设计,模型试验,计算流体动力学,流固耦合
来源: 大连理工大学
年度: 2019
分类: 基础科学
专业: 海洋学
单位: 大连理工大学
分类号: P756.2
DOI: 10.26991/d.cnki.gdllu.2019.004163
总页数: 192
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标签：海底滑坡论文; 海底管线论文; 强度特性论文; 土水界面作用论文; 滑坡管线耦合作用论文; 流线型设计论文; 模型试验论文; 计算流体动力学论文; 流固耦合论文;