海底沙波地貌演变及其对管道工程影响研究进展

海底沙波是一种常见近似规则的起伏地貌形态,通常具有较强的活动性,能引起海底管道的裸露和悬空,进而造成管道的疲劳失效甚至断裂等重大危害。根据近几年海底沙波领域的最新研究成果,介绍了当前海底沙波的主要研究方法,包括现场实测观测、稳定性模型分析和数值计算模拟等的适用性和局限性以及未来发展方向。对海底沙波的成因和迁移机制进行了归纳分析,明确了多种主要的水动力环境因素,以及对于极端天气因素的考虑。从海底管道施工期和服役期分别讨论了海底沙波对于海底管道工程的影响,并建议将沙波活动和局部冲刷两种不同尺度的海床地貌改变耦合分析,以评估海底管道稳定性,最后提出了悬空海底管道的一些有效治理和维护手段。     

埕岛油田海底管道悬空治理和检测

埕岛油田位于废弃的黄河水下三角洲前缘,海底地形变化较快,该区域的海底管道悬空现象比较严重。本研究介绍了海底管道悬空的治理措施和检测方法,提出了海底管道悬空治理效果的三种检测方案,并以埕岛油田某输油管道一端的悬空治理效果的检测为例,说明了防冲刷仿生海草防护技术对海底悬空管道有一定的治理效果。     

黄河口埕岛海域粉土波致孔压现场监测

波浪会对海床产生反复的作用力，由此引起的土体颗粒间孔隙水压力变化是造成土体液化的主要原因。使用自行研发的孔压监测设备，对黄河口埕岛海域易液化区海底孔压进行了长时间、高精度的观测，并对孔隙水压力、波高以及潮位间的关系进行分析。监测结果显示，本次监测条件下波浪最大作用深度介于0.5～1.5 m之间，超过该作用深度后孔压无明显变化。土体内部孔隙水压力的变化主要由潮位和波高决定，潮位的作用可使孔压缓慢平滑的变化且对超孔压无影响；波高的作用可使孔压快速、剧烈地振荡并导致超孔压的出现。     

孟加拉湾MADE KYUN河三角洲海底斜坡稳定性数值分析

对MADE KYUN河三角洲海底斜坡所在区域地形地貌、地层岩性等进行阐述分析,结合调查资料确定了斜坡坡体组成与特征:该斜坡坡体主要为淤泥、淤泥质黏土,厚度6~9m。基于GEO-SLOPE软件的SLOPE/W模块计算斜坡稳定性安全系数并确定最危险滑动面,利用BING软件的Herschel-Bulkley模型、双线型模型对最危险滑动面的滑移距离进行模拟预测。数值分析结果表明:在考虑孔隙水压力的情况下,4种计算方法得到的稳定性系数均有所下降,M-P法计算得到的斜坡稳定性安全系数为0.606,处于不稳定状态;2种模型计算得到的滑移距离分别为207和213m,峰值滑移速率分别为7.80和9.33m/s,会对较大范围的海底管道等海底设施造成破坏性影响。     

潮流及单向流作用下海底沙波形成和运移试验

基于量纲分析理论进行水槽试验,研究了潮流以及单向流作用下海底沙波的形成和发展过程。通过分析 海床地形数据,对海底沙波的特征尺度和发展过程进行定量描述,得出了潮流流速、周期、水深以及叠加单向流等因素对沙波特征尺度的影响。结果表明,潮流作用产生的海底地貌由大尺度的沙波和小尺度的沙纹共同组成,大尺度沙波在地貌形态塑造中占主导地位。从平坦海床开始,沙波波高和波长随水流作用逐渐增大,增长速度越来越慢,最终达到动态平衡。沙波特征波高和特征波长随流速和水深增大而增大,同时随往复流周期的增大而增大,并不断趋近于单向水流的情况。进一步对小尺度的沙纹地貌进行分析,得出了沙纹特征尺度随水流条件的变化规律。     

辽东半岛东部庄河海域海岸带工程地质特征及开发适宜性分析

辽东半岛东部庄河海域分布有大量的人类工程活动设施,研究其工程地质特征和开发适宜性有助于提升海洋工程开发的安全和效率。利用海洋高精度地球物理调查、海底沉积物表层取样和历史工程地质数据收集等方法获取的各类调查数据,对庄河海域海岸带工程地质特征进行了系统分析。调查资料分析结果表明,研究区水深在11.5～15.6 m、坡度较小、海底地形较为平坦、存在4个连续声学反射界面;海底存在软弱土层、埋藏古洼地和埋藏古河道等不良地质因素。表层沉积物液塑限性质测试结果表明,研究区海底沉积物较为稳定,不需考虑软土的震陷问题。综合分析研究区各类地质影响因素,认为研究区各类环境指标较为稳定,适宜开展海洋工程开发活动,但是具体施工时需要重点考虑探测到的各类不良地质因素。     

海床式静力触探在黄河口海底土工程特性研究中的应用

海床式静力触探设备工作效率高,能够实现从垂向上对地层的连续探测,数据分辨率较好。通过对黄河口海域3个静力触探孔和1个地质钻孔的分析,将研究区20m以浅地层自上而下划分为粉土、粉质黏土、粉土夹粉砂或粉砂、粉质黏土、粉土五层,静力触探曲线对粉土层中的硬壳层和粉质黏土层中的贝壳夹层等特殊地质现象有很好的反映。对粉质黏土的静力触探参数与物理力学参数进行相关性分析,得到适合该区域的回归方程。采用基于CPT数据的液化判别法,对研究区表层粉土液化可能性进行评判,通过Seed简化法计算的周期应力比(CSR)与Olsen法计算的周期阻力比(CRR)的大小比较,得出当抗震设防烈度为7度时,研究区表层粉土不会液化,当抗震设防烈度为8度时,粉土层将发生液化,计算最大液化深度3.7m。     

黄河水下三角洲海底粉土微观结构分形特征研究

以黄河水下三角洲海底粉土为研究对象,基于扫描电子显微镜技术获得了大量的海底粉土SEM(scanning electron microscopy)图像,综合运用Image-Pro Plus(IPP)和Photoshop图像处理软件来提取粉土的微观结构参数,以分形理论为指导,运用"周长-面积法"对海底粉土进行了分形特征研究,分析了阈值、放大倍数对粉土分形维数的影响及确定方法,并探讨了分形维数的环境及工程地质意义。研究结果表明,黄河水下三角洲海底粉土的颗粒及孔隙具有特殊的分形特征,分形维数为1.6~1.8;不同分维值在一定程度上反映了波浪扰动强度的不同;分形维数可以表征抗剪强度参数,粉土的黏聚力和内摩擦角随分维值的增大而增大。     

辽东湾近海海底土小应变动力特性试验研究

开展场地地震动反应分析是众多海洋工程活动顺利实施和长期安全运行的重要保障,其中查明海底土小应变动力特性是十分关键的。文章借助海上原位钻孔取样和室内共振柱仪对辽东湾近海海底土小应变动力特性开展试验研究,探讨前人总结提出的滨海海底土初始动剪切模量G_max预测经验公式在辽东湾海域的适用性,对比文章试验结果与周边海域已有海底土剪切波速测试结果,分析小应变范围内海底土动剪切模量的衰减特征和阻尼比发展演变趋势,并同时进行定量化模拟预测,评价海底土动剪切模量衰减曲线的归一化特征。研究结果表明：(1)共振柱试验得到的原状海底土剪切波速与周边海域已有海底土剪切波速测试结果吻合良好;(2)相比起陆地土,海洋土在小应变范围内归一化动剪切模量G/G_max衰减得更慢,阻尼比增长得也更慢;(3)通过引入临界剪应变,不同土类和埋深对应的海底土小应变动剪切模量衰减曲线可以进行归一化。研究成果对合理开展海洋工程场地地震动反应分析评价具有一定的指导意义。     

南海北部海底沙波迁移规律及其在台风作用下的响应研究

本文在南海北部海底沙波已有研究的基础上，总结分析了研究区表层沉积物以及沙波的形态、分布、迁移特征；使用区域海洋模式（ROMS）模型模拟了研究区2010-2011年的底部流场数据；利用Rubin公式模拟计算了海底沙波的迁移规律，并与搜集所得资料进行对比分析；结合台风资料及底流数据，分析了台风对海底沙波运移的影响。研究结果显示:海底沙波运移方向的计算结果与搜集所得资料比较吻合，均为向东向南方向；不同站点的迁移距离在0~21.8 m之间，且为往复累积的结果。这表明:Rubin公式在ROMS模型模拟所得底流资料的支撑下，可以再现海底沙波的迁移过程。模拟计算的研究区内两个站位在"凡亚比"台风影响期间的迁移距离分别为2.0 m、2.9 m，分别占其年运移量的9.17%和26.36%，说明台风过境能对海底沙波的迁移产生重大的影响。