海底管线冲刷的理论研究

对海底管线的冲刷原理进行研究,通过对裸置于海床表面的管线下部的泥沙颗粒进行力学分析,导出了管线冲刷起动的临界条件。并且通过对管线冲刷达到平衡状态时冲刷坑内流速和泥沙颗粒进行分析,推导出了冲刷达到平衡时冲刷坑底部的冲止流速和最大冲刷坑深度。研究结果对于预测裸置于海床表面的海底管线的冲刷起动和平衡冲刷深度提供了一定的理论参考。     

海底管线作用下沙质海床冲刷深度的计算

针对海底管线在输送石油过程中出现的管线冲刷问题,采用物理模型试验并控制一系列不同的试验变量,研究了单向恒定流作用下,海底管线未安装阻流器、安装阻流器及不同间隙比作用下,其下方海床冲刷深度的变化规律。试验结果显示,冲刷深度随雷诺数及阻流器高度的增加而增加;冲刷深度随间隙比的增大而减小,同时根据海床冲刷停止的流速公式(冲止流速),认为动水休止角是冲止流速的主要影响参数。利用流体的连续性条件,从不同角度推导了管线安装阻流器且有间隙比条件下冲刷坑深度的计算公式。结果表明:冲止流速、管线周围流场分布是冲刷深度的决定因素。经试验数据与计算公式的对比验证发现,计算值与试验值吻合良好,本文建立的公式能反应冲刷坑深度的变化规律,在实际工程应用中可适当参考此公式。     

海洋立管的局部冲刷实验

海洋平台立管底部的局部冲刷容易造成海底管道的暴露悬空,在波浪和水流作用下产生疲劳破坏,以往的研究多偏重于海底管道水平段局部冲刷,而对立管底部开始的局部冲刷研究较少.针对这些问题,通过实验室物理模型实验,利用波流水槽对波 流共存以及纯波浪条件下海洋平台立管 桩系统基础周围的局部冲刷进行了研究.通过实验观测立管系统周围海底地形的冲淤变化过程,得到冲刷稳定后的地形形态、各冲深监测点的冲深历时曲线及最大冲刷深度.通过对实测数据的分析,探讨了水深、波高、恒定来流流速、立管 桩系统倾斜角度以及床面泥沙粒径等参数对冲刷形态和最大冲刷深度的影响.     

波浪作用下海底管线局部冲刷临界条件

为保护海底管线避免冲刷,对海底管线局部冲刷的临界条件进行研究是十分有必要的。基于海床多孔介质假设,通过添加源项方法来实现海床泥沙颗粒对水流的阻滞作用,建立了海底管线周围水动力场-渗流场耦合数值模型。利用前人数值试验结果对该数值模型进行了验证,在此基础上基于边界造波法和VOF方法对波浪作用下海底管线周围水动力场-渗流场进行了联合数值求解。分析了波浪KC数、相对埋深e/D对管线两端压差的影响,研究了管涌出口处水力梯度的变化规律。研究发现管线两端压差和渗流水力梯度随着KC和相对埋深e/D的增大而减小。管线冲刷的临界无量纲流速随着KC和相对埋深的增大而增大,并通过曲线拟合建立了一个用于计算管线冲刷无量纲流速的经验公式,为实际工程中海底管线的防护提供了重要的技术支持。     

导流板对海底管线防护功能的试验研究

提出一种防止海底管线冲刷的新方法.海底管线底部安装柔性导流板来改变周边流场及压力分布,减小管线两侧的压力差,达到减小甚至阻止管线冲刷的目的.通过理论分析和物理模型试验对单向流和往复流作用下安装柔性导流板、刚性导流板(spoiler)和无导流板的海底管线表面压力分布、管线两侧的压力差和底部的冲刷进行了比较分析.结果表明刚性导流板使管线两侧的压力差增大,冲刷深度和范围都踢显增大,并且使管线受到向下的压力,在砂质海床条件下可以实现管线的自埋.但是对于礁石性海床(礁石对管线形成部分管跨支撑)上铺设的管线容易因部分悬空而发生疲劳破坏.单向柔性导流板使管线两侧的压力差减小,冲刷深度减小,并且使管线受到的升力增大,对保持管线稳定有一定的防护作用;双向柔性导流板对管线防护效果更好,导流板达到一定长度后管线两侧压力差接近于0,管线底部冲刷基本消失,实现了对管线有效的防护.     

波浪荷载作用下海床的液化及参数分析

为研究波浪荷载作用下海床的液化和其主要影响因素,基于线性水波理论和Biot波动理论,得到波浪荷载作用下海床土体中孔隙水压力和有效应力的解析表达式。以海床的液化深度作为主要评价指标,选择合适的液化判别方法,通过算例分析得出海床在不同水波和土体物理力学性质参数时的瞬时液化深度。结果表明:水波和海床的物理力学性质对海床液化深度影响较大,如水波的周期、水深、海床土体的强度、渗透率、泊松比、流体的压缩性等,其中波浪周期和海床的剪切模量、渗透率对海床的液化深度影响最大,其他参数在一定变化范围内对海床的瞬时液化影响较为明显。根据数值分析结果,提出了海床液化的防治措施。     

波流共同作用下正斜桩局部冲刷试验研究

随着大规模开发和利用海洋资源的兴起,斜桩基础凭借良好的水平承载力特性在跨海大桥、海上平台、高桩码头等海洋结构物中得到了应用广泛。在波流强烈的非线性作用下,斜桩附近会发生严重的局部冲刷,降低结构物的安全性甚至会导致破坏。为了解不同波高、流速条件下,倾斜角度对正斜桩冲刷特性的影响,并对比与垂直桩冲刷特性的差异,在波流水槽中开展波流共同作用和纯流作用下的局部冲刷试验。通过对α=0°、10°、20°、30°的正斜桩进行试验,研究了倾斜角度对冲刷历时、相对时间尺度及冲刷坑形态的影响,开展了无量纲参数Fr、KC、Ucw对正斜桩最大冲刷深度的影响分析,并与前人的垂直桩数据进行详细对比。结果表明：当桩向下游倾斜时,倾斜角度对于波流共同作用下斜桩冲刷特性有着重要的影响。与垂直桩相比,随着倾斜角度的增加,正斜桩冲刷深度发展速率、冲刷坑尺度及深度逐渐减小,相对时间尺度逐渐增大;对于20°正斜桩,最大冲刷深度点由侧前方转移至正前方的时间约为60min,远大于垂直桩;正斜桩沙丘沿中轴线对称分布、呈双峰结构,且冲刷坑形态与垂直桩明显不同;动床条件下,床面形成规则的沙波,冲刷坑尺度进一步减小,双峰更加明显,冲刷历时曲线出现小范围波动;正斜桩相对冲刷深度为无量纲参数Fr、KC、Ucw的函数,与垂直桩拟合曲线的趋势保持一致。     

导流板对海底管线涡激振动的影响

为了分析在海床冲刷形成浅沟后,自埋现象发生前,海底管线处于悬空状态时,竖向导流板对海底管线涡激振动的影响,在此,通过ANASYS软件对不同导流板高度下,管线周围的流场、压力场等进行了数值模拟分析,得出如下结论:安装导流板后,管线受到的升力系数均值小于0,随着导流板高度与管径之比(h/D)的增加,升力系数幅值不断下降,在高度比h/D为0.375时,基本达到最小值,管线受力总体向下,有利于管线的下沉自埋。在导流板高度与管径比(h/D)为0.25时,发生了涡激振动中的"准周期拍击现象"。拖曳力随着导流板的增大而增加,管线受到的横向作用力增加,其对管线的强度要求增加。     

马鞍山长江大桥近岸桥墩对河岸稳定影响试验

水流作用产生的局部冲刷对桥墩自身安全、河岸稳定有重要影响.在桥墩局部冲刷和近岸岸坡相对不稳定性的共同作用下,近岸桥墩附近河床变形趋势更具复杂性,对河岸稳定影响更加直接.以马鞍山长江大桥左汊近岸桥墩为研究对象,分别建立桥址断面概化模型和岸坡概化模型,通过不同流量条件下水槽模型试验,研究近岸桥墩附近水流形态、最大冲刷深度、最大冲刷坑形态以及岸线变化的情况,分析近岸桥墩引起的绕流顶冲、水面涌波、局部冲刷、冲刷不对称对河岸稳定的影响,从利于河岸稳定角度提出近岸桥墩布置一般原则,为近岸桥墩选址、桥墩选型和岸坡防护设计提供参考.     

非恒定流作用下丁坝局部冲刷研究

丁坝水毁受多种因素的影响,通过水槽概化模型试验,在天然河流日均流量过程作用下,分别对比了相同重现期时年最大洪峰流量和有效洪水周期遭遇、年最大洪峰流量和半月最大洪水总量遭遇丁坝局部冲刷的程度,指出洪峰流量对冲刷深度起主导作用,洪水总量对坝头冲刷坑范围起主导作用,有效洪水周期对冲刷坑范围及冲刷深度均起其主导作用,并对非恒定流作用下坝头冲刷坑的发展过程进行了分析。     

越浪堤后透射波周期特性研究

为了研究不规则波越过光滑堤后的波周期变化,本文基于近岸波浪传播变形非静压模型分析了相对淹没深度、深水波陡、相对堤顶宽度和坡度对越浪堤波周期变化的影响。根据数值模拟的结果建立了光滑越浪堤波周期透射系数的预测公式。结果表明:堤后平均波周期受高频谐波的影响小于入射波周期;堤顶相对淹没深度以及深水波陡是波周期透射系数的主要影响因子,且与其线性相关;相对堤顶宽度的影响次之,且出水堤时对于波周期透射系数变化的影响大于淹没堤;斜坡坡度对波周期透射系数的影响最不明显。将预测公式得到的预测值与实测值相比,确定性系数高达0.95,表明其良好的预测效果。     

缓坡开槽沙坝海岸裂流特性分析

天然沙坝海岸存在的裂流槽影响近岸污染物扩散和排放,进行了由反射墙反射的交叉波浪叠加形成的沿岸波高周期性变化所产生的裂流实验研究,分析在开裂流槽的平直沙坝模型实验地形随机波浪交叉叠加形成的裂流特性。实验中裂流由波浪在垂直岸线的直墙上的反射所形成的两列交叉的波浪生成,交叉波浪具有等波幅和等频率但入射角相反的两波列叠加产生的。通过对交叉叠加波浪下裂流槽附近范围的波高分布、波浪增减水和ADV流速测量结果来分析了缓坡地形开槽沙坝情况下的裂流特性。裂流槽和两侧沙坝位置形成的波浪破碎不同步产生的沿岸平均波面压力梯度是产生裂流的原因。不同周期引起的叠加波浪节腹点位置的变化从而影响裂流槽中裂流的形态,表明周期和裂流槽共同影响着沟槽中的裂流特性。     

波流作用下海床稳定性和海底管道局部冲刷分析

针对深水油气开采中的海底管道安全铺设与运营问题,总结和归纳了可用于海床稳定性分析及管道周围局部冲刷预测的方法,并推导了水流作用下平衡冲深和悬跨长度间的关系式.在此基础上,利用Fortran和Visual Basic混合编程技术开发了专用分析程序.结合我国南海某工程海域的实际工程问题,对水流、波浪和波流共同作用下的天然底床稳定性进行了分析,同时给出了管道铺设以后,其局部冲刷的垂向极限平衡深度、横向扩展速率以及初级和次级横向扩展的转折点时刻等.结果表明：水流因素对深水区的底床稳定性起主要决定作用;同时若底床泥沙颗粒粒径越小,则其所起的黏性作用就越大,管道冲刷扩展速度越小.该分析结果为实际海底管道路由设计及工程施工方案的制定提供了技术依据.     

桩基冲刷对近海大跨斜拉桥地震响应的影响分析

为研究桩基冲刷对近海大跨斜拉桥地震响应的影响,本文以实际工程为背景,建立全桥三维模型,根据现有经典理论计算背景工程的最大冲刷深度,将土对桩基的作用等效为土弹簧,采用“m”法计算冲刷线以下的桩-土相互作用刚度,从而得到不同冲刷深度下的全桥分析模型。通过对结构进行动力特性分析及地震响应时程分析,对比研究了不同桩基冲刷深度对大跨斜拉桥抗震性能的影响。研究表明:冲刷使得桥梁结构整体变柔,自振周期变长;冲刷深度越大,桩基在地震作用下的位移响应也越大;冲刷深度对桩基剪力的影响与桩长有关,桩基越长,剪力变化趋势越复杂;IDA分析显示,冲刷对桥梁的不利影响随地震动强度的增大而增大;结果表明桩基的局部冲刷会进一步加剧桥梁在地震作用下的危险性,冲刷问题在抗震设计中应予重视。     

振荡水柱式防波堤的水动力特性

提出一种带水平底板的振荡水柱式新型防波堤. 借助二维物理波浪水槽,研究结构系统在3种不同水平底板宽度、12种不同波浪周期下的水动力特性. 通过实验探究波高对防波堤模型相关水动力参数的影响. 结果表明：合理布置水平底板能有效提升振荡水柱式防波堤的阻波性能;当水平底板宽度等于模型板间宽度时,入射波周期小于1.6 s的波浪的透射系数小于0.5;当水平底板宽度增大到2倍模型板间宽度时,入射波周期小于2.2 s的波浪的透射量小于50%. 水平底板的存在增加了系统的能量耗散,提高了系统对长波区间波浪的阻挡性能;波高的变化对相关水动力参数影响不大.     

桩基三维非对称局部冲刷坑条件下土体应力计算简化模型

桥梁桩基周围形成局部冲刷坑时会导致桩基有效埋深减小，增大工程结构的安全隐患。目前研究的冲刷坑模型多为对称形态，而工程实际中的冲刷坑多为非对称形态，使得桩基处于更不利状态。合理计算桩周形成非对称冲刷坑后土体的应力变化是评价桩基承载力的关键之一，目前尚没有严格的理论计算方法。针对该问题，根据试验实测的非对称冲刷坑形态提出了三维非对称冲刷坑的简化模型。将冲刷坑最大深度以上土体重度看做荷载并基于Boussinesq点荷载方程在半无限空间中的应用，推导得到了非对称局部冲刷坑内土体垂直及水平有效应力计算方法。采用有限元中“生死单元法”模拟了半无限空间地基中冲刷坑的形成，并将有限元计算结果与理论计算方法所得结果进行对比，验证了理论计算方法的正确性。基于理论计算方法考虑了冲刷坑内存在桩基的影响，并与有限元计算结果进行了对比，对比结果表明了理论计算方法的可行性。在此基础上，设计了一系列工况，对三维非对称冲刷坑简化模型中的参数进行了敏感性分析，得到了非对称冲刷坑条件下桩周土体的垂直及水平有效应力差的变化规律。     

堤防决口下游泥沙冲刷的三维数值模拟分析

堤防决口水流冲刷将直接影响建筑物的整体安全,基于Flow-3D软件建立了泥沙冲刷的三维数学模型并采用物理模型试验算例进行验证,验证结果表明数值模拟泥沙计算值和试验实测值拟合较好。随后采用所建模型模拟计算了不同型式(矩型、U型、T型、V型)堤防决口的冲刷过程并对计算结果进行比较分析,结果表明堤防决口出口堤脚处水流冲刷泥沙的程度最大,冲坑深度随着河道水流方向逐渐增大,矩型决口下游泥沙冲刷的的范围面最广,冲坑两侧泥沙堆积高度最大;V型决口下游泥沙冲刷的范围最小,泥沙堆积范围最小;U型和T型决口下游冲坑发展较为对称且规律相似,可相互参考分析。更多还原     

基于SPH的新型人工块体TB-CUBE设计优化和水动力特性数值模拟

为探究高透空性新型人工块体TB-CUBE的最优结构尺寸型式及其水动力特性,本文利用基于光滑粒子方法的Dualsphysics开源代码开展斜坡堤新型人工块体TB-CUBE数值模拟研究,探究其在规则波作用下的爬高和越浪等水动力特性及波浪变化规律。研究结果表明：数学模型所模拟的爬高和越浪与物理模型试验的实测值误差分别在6%和9%以内,可较好的刻画波浪在人工块体上的演变过程。基于此验证模型,分析不同细部尺寸参数下块体的水动力特性,综合块体爬高、反射系数、越浪、块体孔隙率和材料用量等因素,得到最优消浪效果所对应TB-CUBE块体的球相对半径R1、圆柱相对半径 R2与块体边长h的关系。此基础上,以优化后的TB-CUBE块体为对象,分析其爬高和越浪的过程,揭示出该块体的消浪机理主要为相邻块体之间的圆孔对波浪的爬高和回落均有阻滞作用,且块体内部孔隙可以容纳水体并形成紊流效能,可以相应地减少波浪的爬高。此外,研究斜坡坡度、堤前水深、入射波高和波周期等对波浪爬高的影响,得到TB-CUBE块体爬高随入射波高和波坦的增大而增大,而随坡度的变化呈现单峰曲线的变化趋势。进一步的考虑不同波浪破碎形态对波浪爬高的影响,拟合得出TB-CUBE块体的爬高经验公式,公式拟合值与模型计算值相关系数达0.981,能够真实反映该块体的爬高情况,为今后该块体在海岸工程中的实践运用提供科学依据。     

沿河路基三维数值模拟分析

对河道水流水力学特性变化及冲刷特性进行研究,确定沿河公路路基冲刷最大深度,对保障沿河公路安全有重大意义。运用物理模型试验设置河床质,在分析路基冲刷沿程分布特征和流量及弯道角度对路基冲刷影响的基础上,通过模拟临河公路路基冲刷沿程变化,建立沿河公路路基冲刷三维数值模型,采用FLOW-3D对其进行求解,模拟出河道沿程各点冲刷深度。结果表明,水流特性及河道冲刷实测值与模拟值符合度均较高,该方法可为沿河公路路基冲刷深度确定提供理论支持。     

海底管线周围海床的地震液化分析

地震荷载作用下海床液化是海底管线失稳的主要原因之一.本文建立了地震荷载作用下海底管线周围海床液化的有限元模型,采用土工静力-动力液压三轴-扭剪多功能剪切仪,将不排水循环扭剪试验条件下得到的孔隙水压力增长模式引入到二维动力固结方程中,基于有限元方法对推广的固结方程进行数值求解,得到了地震荷载作用下海床中累积孔隙水压力的发展过程与变化规律.通过变动参数计算了海床土性参数和管线几何尺寸对由地震所引起的管线周围海床中累积孔隙水压力分布的影响,进一步对管线周围海床的液化势进行了评判.