波浪对管线的作用
内波对海洋立管的作用
内波对海洋立管的作用海洋立管是一种海洋工程结构，可以承受大海风浪和洋流对于海上油气钻井平台的影响，保证钻井作业的安全。
然而，海洋环境中存在许多复杂的自然现象，如内波等，它们对于海洋立管的稳定和安全也起着至关重要的作用。
内波是一种在水中传播的重要的波浪现象，由于其在海洋中的特殊性质，内波既有助于海洋立管的稳定，同时也会带来一些潜在的危险。
内波能够改变海水中的水流形态，使得海水产生一个波峰和波谷之间的压缩和膨胀，这些波动可以传播到海面上。
在海洋中，当内波遇到底部变化太大的区域，会产生折射或者受到散射，使得内波的能量在不同层次间传递，从而改变海水的密度分布。
海洋立管建设在内波影响较大的水质区域内，不只要承受自由海面的影响，还要承受内波等更加复杂的影响。
内波作用的影响对于海底管线，在沉积物的振动和管道上腐蚀起着至关重要的作用。
内波产生的过程通常与潮汐有关，因此，深度较大的区域，如深海沟脉，因为内波的能量传播距离远，水流形态变化较小，对于海洋立管的影响较小。
但是，对于地势低洼、浅海的海洋立管，内波产生的影响就会更加明显。
内波会造成海水流动的变化，从而影响到海底沉积物的搬运和沉积速率，也将导致海底管线的振动和摩擦，这样极有可能导致海底管线的损坏和破裂，因此需要在设计和建设海洋立管时对内波的影响进行充分考虑。
为了更好地保证海洋立管的安全，需要考虑到内波的传播和强度，以及海洋立管所处的深度，海底的地形和底质条件。
根据这些因素来设计和建设海洋立管以及选择适合的材料和稳定措施，从而保证海洋立管的稳定和安全。
内波的产生和传播也需要进一步研究，以便更好地理解其对海洋领域的影响，为设计和建设海洋工程提供更加科学的依据和技术支持。
总之，内波是海洋立管建设中不可忽视的因素之一，需要充分考虑和评估其影响，以便更好地确保海洋立管的安全和可靠性。
地球科学家需要研究内波对海洋立管的作用，开发更好的方法来保护海洋工程，加强海洋工程领域的研究和发展，进一步推动海洋产业的发展。
管式沉砂装置的波浪响应和稳定性分析
管式沉砂装置的波浪响应和稳定性分析管式沉砂装置是一种常用于沿海工程中沙滩补给和围堤加固的重要工具。
在设计和应用过程中，了解管式沉砂装置的波浪响应和稳定性对确保工程的可靠性非常重要。
本文将探讨管式沉砂装置在波浪作用下的响应特性以及影响其稳定性的相关因素。
管式沉砂装置是一种通过管道输送沙粒的设备，通常由一个长管和适当固定结构组成。
在实际工程中，当波浪通过管道时，沙粒也会跟随波浪的运动而进入管道。
然而，当波浪的能量和波浪高度增加时，沙粒会对管道内的流动产生影响，从而导致管道的波浪响应变化。
波浪对管式沉砂装置的影响主要体现在以下几个方面。
首先，波浪会使沙粒在管道内产生悬移状态。
当波浪通过管道时，波动导致管道内的流动变得不稳定，同时也会使沙粒悬浮在水中，增加了沉砂装置的管道内摩擦阻力。
悬移状态的产生会对管道内的流动特性和沉砂效果产生显著影响。
其次，波浪也会影响管道的波浪响应。
在波浪作用下，管道会受到波浪力和流体力的作用，导致形变和位移。
这将影响管道的稳定性和可靠性，尤其是在大波浪条件下。
因此，对波浪响应的研究对于管式沉砂装置的设计和运行具有重要意义。
最后，管道的末端处理也是影响波浪响应和装置稳定的重要因素。
当波浪通过管道到达末端时，根据末端的不同处理方式，会产生不同的波浪反射和吸收效应。
合理设计末端处理结构，可以减小波浪反射并增加波浪能量的吸收，从而提高管式沉砂装置的稳定性和波浪响应。
在研究和应用管式沉砂装置时，需要考虑以下因素以确保其稳定性。
首先，沉砂装置的结构设计应具有足够的强度和刚度以抵抗波浪力和水流力的作用。
通过使用合适的材料和结构形式，可以增加装置的稳定性和抗倾覆能力。
其次，沉砂装置的管道内应保持合适的流速和沙粒悬移状态。
合理设计管道的形状和尺寸，以及控制波浪作用下的悬移沙粒浓度，可以有效减小管道内的摩擦阻力和沉积堵塞，保持流动畅通。
此外，末端的处理也需要综合考虑。
采用适当的末端结构和反射板，可以减小波浪反射和波浪能量的损失，提高装置的效率和稳定性。
波浪作用下的海底管道溢油扩散运移规律
波浪作用下的海底管道溢油扩散运移规律作者：王驰梁法春何振楠赵峰辉王梦琦来源：《河北工业科技》2021年第03期摘要：為了最大程度减少溢油事故造成的环境污染及经济损失，对海底管道溢油扩散行为的影响因素进行研究。
首先，利用流体力学软件建立了波浪条件下的二维有风模型，并进行了验证。
其次，通过二维有风模型进行溢油模拟，分析讨论了原油密度、海浪波长、水面风速等因素对溢油扩散的影响。
研究结果表明：1）建立的二维有风模型模拟结果比现有文献中模型更符合实验值，可靠性更高，可用于海底溢油情况的预测;2）原油密度会显著影响溢油到达海平面的时间及横向漂移距离;3）海浪波长对溢油上升速度有轻微影响，而对溢油横向扩散区域有显著影响;4）水面风速在溢油抵达海平面前几乎没有影响，但会加快抵达海平面后的扩散过程。
研究结果可为溢油事故应急处理方案的制定及溢油的回收利用提供科学依据。
关键词：海洋环境工程; 海底管道; 溢油; 数值模拟; 波浪; 二维有风模型中图分类号：TE88; X55文献标识码：ADOI： 10.7535/hbgykj.2021yx03002Abstract：In order to minimize the environmental pollution and economic losses caused by the oil spill accidents， the influencing factors of the oil spill diffusion behavior of submarine pipelines were studied. Firstly， a two-dimensional model with wind under wave conditions was established by using hydrodynamics software， and then verified. Secondly， the oil spill simulation was carried out by the model， and the effects of crude oil density， wave length， and wind speed on oil spill diffusion were analyzed and discussed. The research results show that： 1） the simulation results of the established two-dimensional model with wind are more consistent with the experimental values and more reliable than the literature model， which can be used to predict submarine oil spills; 2）the crude oil density significantly affects the time to sea level and the lateral drift distance of oil spill; 3） the wave length has a slight effect on the ascent speed of oil spill， but significantly affects the lateral spread; 4） the wind speed has little effect on the process before the oil spill reaches sea level but accelerates the spreading process after arrival. The research results can provide a scientific basis for the formulation of emergency treatment plans and the recovery and utilization of oil spill.Keywords：marine environmental engineering; submarine pipeline; oil spill; numerical simulation; wave; two-dimensional model with wind随着陆地油气资源的衰竭，海洋逐渐成为油气开发的战场。
管道的屈曲分析讲解
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K0，107N/m3
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土壤密度越大，埋深越大， K0越大，临界载荷也越大。
(2)假设管道失稳时为 上拱弯曲形状
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K0D Pcr ? 2 K0 DEI
两种失稳波形的失稳波长相差一倍， 而失稳的临界轴向压力相同 。
? 三种形式的止屈器。
第一章 地下管道
?埋地管道所受载荷（永久、可变、偶然）。 ?掌握管道的环向应力计算方法（薄壁、厚壁） ?掌握输油、输气管道壁厚设计公式（设计系数取值） ?掌握屈服强度概念，了解几种强度级别管道的规定最低屈服 极限。 ?管道产生轴向应力或变形的原因，掌握埋地直管段中的轴向 应力计算 ?掌握埋地管道中的固定支墩的作用，理解应从哪几个方面进 行固定支墩的设计计算（受力平衡、抗倾覆、地耐压） ?理解管道中弯曲应力计算，其大小与弯曲半径的关系 ?了解三通的几种加工方式，理解等面积补强法 ?会分析管道中某一点的应力状态（何种原因产生何种应力分 量），掌握进行管道中组合应力校核的方法（第三、第四强 度理论，例题）
浅谈海底油气管道事故危险因素分析与控制
109一、概况海底油气管道是海洋油气开采的重要部分，敷设于海床之下或平铺于海底，是海上油气生产设施与陆地终端连接的通路。
海底油气管道一旦发生事故，油气泄露可能会引发一系列连锁反应，可能造成严重的海洋环境污染和资源浪费。
据不完全统计，自1986年至2016年，中国海油投入运营的315条海底管道共发生了51起事故。
因此，做好海底油气管道事故危险因素分析及控制对其安全运行具有重要意义。
二、海底油气管道事故危险因素分析海底油气管道事故发生的主要原因包括设计缺陷、施工缺陷、腐蚀、第三方破坏、自然与地质灾害等。
1.设计缺陷（1）海管路由选择不当。
海管路由选择不当的主要风险为悬跨、第三方破坏及自然危害等。
悬跨：悬跨的主要风险是悬跨引起海管涡激振动，产生疲劳损伤，严重时会造成海管断裂。
第三方破坏：海管立管位置选择不当，可能会受到船舶碰撞等外载荷的作用，导致立管弯曲或断裂。
若海管路由穿越航道、船舶抛锚区等，船舶流量大，可能产生的危害主要包括拖锚、抛锚、落物及航道疏浚作业活动中切割头等对海管的损坏等。
海管路由海域若存在渔业活动区，海管沿线捕鱼作业频繁，尤其是海底捕鱼活动频繁，则可能对海管造成威胁。
（2）海管交叉、跨越设计缺陷。
随着海管敷设数量的增加，新建管道不可避免的与已有管道、海缆扥存在交叉、跨越现象。
交叉、跨越处的主要设计缺陷包括间距不合理、夹角过小、支撑稳定性不好、悬跨长度不合理等。
若间距过小，若敷设在上部海管出现较大振动，在海底自然环境的影响下可能对交叉处的海管/海缆造成影响；若交叉跨越处设置的水泥垫稳定性不好，则可能对悬跨的稳定性造成影响；若交叉跨越处悬跨长度不合理，海管可能发生应力集中的情况，造成海管破坏。
（3）其他设计缺陷。
海管其他设计缺陷主要包括海管输送工艺计算不准确、管道强度计算不准确、海管材料选材不合理、海管附属设备设施选型不合理、防腐设计不合理、柔性考虑不周、通球设施设置不合理、未考虑管道两端的紧急切断阀设置等。
海底管道液体运输与海洋浪涌的关系分析
海底管道液体运输与海洋浪涌的关系分析海洋是地球上最广阔的自然资源，拥有丰富的石油和天然气等能源。
为了将这些宝贵的资源从海底输送到陆地，海底管道成为一种常用的输送方式。
然而，海洋中的波浪和涌浪可能对海底管道液体运输产生一定影响。
本文将分析海底管道液体运输与海洋浪涌之间的关系，探讨液体运输中可能遇到的挑战，并介绍海底管道设计和运维中的应对措施。
海洋浪涌是一种可能影响海底管道运输的自然现象。
浪涌通常由风力、地震活动或飓风等各种因素引起，产生起伏不定的海浪。
这些海浪可能对海底管道造成直接的冲击力，导致管道振动和应力变化。
此外，浪涌还可能引起海底沉积物的悬浮和运动，使得管道受到颗粒物和腐蚀物质的侵蚀。
因此，了解海洋浪涌与海底管道液体输送之间的关系至关重要。
首先，海底管道的设计需要充分考虑海洋浪涌的特点和可能造成的影响。
为减少管道受到冲击力，通常会采用降低波浪对管道作用的防护罩。
这种罩子可以减缓波浪冲击，防止管道受到直接冲击破坏。
此外，管道的设计还会充分考虑浪涌引起的应力变化，通过合适的材料和结构设计来抵抗这种变化。
管道的吊浆和连接方式也需要考虑海洋浪涌的影响，确保管道能够在波浪中保持稳定。
其次，海底管道的运维需要密切关注海洋浪涌的变化。
监测海洋浪涌是预测和应对管道运输风险的关键。
通过安装浪涌观测设备，可以实时监测海洋浪涌的波高和波浪周期，并对可能出现的强浪进行预警和应对。
监测数据可以为运输计划提供依据，避免在波浪高度较大的时候进行液体运输，降低风险。
此外，在海洋浪涌情况下，管道的检修和维护也变得尤为重要。
定期检查管道的完整性和使用寿命，及时处理潜在的损坏和腐蚀问题，可以减少海洋浪涌对管道的影响。
在海洋浪涌较大的时候，可以采取暂停运输等方式，保护管道免受波浪冲击。
最后，海底管道液体运输中的安全问题也需要引起重视。
海底管道输送的液体通常是石油和天然气等易燃易爆的液体。
当海洋浪涌引起管道破裂或泄漏时，可能会导致严重的安全事故和环境污染。
波浪作用下海底管道振动与局部冲刷耦合作用数值研究
波浪作用下海底管道振动与局部冲刷耦合作用数值研究波浪作用下海底管道振动与局部冲刷耦合作用的数值研究是海洋工程领域的一个热门研究方向。
海底管道承载着海底油气资源的开发和传输，在波浪作用下，海底管道受到波浪力、水流力和海底侵蚀等多方面的作用，容易发生振动和局部冲刷。
为了保证海底管道的稳定和安全运行，需要进行深入的研究并提出相应的措施。
首先，波浪作用会产生周期性的水动力作用力，导致海底管道振动。
这种振动会对管道的稳定性和疲劳寿命产生不利影响。
因此，数值模拟分析可以通过求解海底管道的动力学方程，得到管道的位移、应力和振动响应等关键参数，从而评估管道的振动情况。
其次，局部冲刷是一种固体颗粒在水流作用下对管道表面进行冲刷的现象。
局部冲刷会导致管道表面的材料丧失，甚至破坏管道的完整性。
在波浪作用下，海底管道易受到局部冲刷，使得管道的寿命大大降低。
因此，研究局部冲刷对管道的影响，对于管道的设计和材料选择有着重要的实际意义。
为了研究波浪作用下海底管道振动与局部冲刷耦合作用，可以采用数值模拟方法进行分析。
数值模拟方法可以通过建立相应的数学模型，采用计算流体力学（CFD）或其他方法对管道系统进行模拟和仿真。
数值模拟可以考虑波浪力、水流力和局部冲刷等多重物理过程，得到管道的振动响应、应力分布和局部冲刷情况等关键参数。
在进行数值模拟时，需要对波浪力、水流力和局部冲刷等物理过程进行建模。
对于波浪力，可以采用线性波浪理论或非线性波浪理论进行建模。
对于水流力，可以通过求解雷诺平均Navier-Stokes（Reynolds-averaged Navier-Stokes，RANS）方程或湍流模型来分析。
对于局部冲刷，可以采用离散元法（Discrete Element Method，DEM）或颗粒流模型进行建模。
通过数值模拟分析，可以得到海底管道在波浪作用下的振动响应和局部冲刷情况，并评估管道的稳定性和耐久性。
基于数值模拟结果，可以进一步优化管道的设计和材料选择，提出相应的加固措施，以确保管道的安全运行和长期稳定。
港口施工设计中的波浪抑制措施研究
04
波浪抑制措施的施工与维护
施工要点与注意事项
施工前，应充分了解当地的水文、 气象条件，以及波浪的性质和特 点。
在波浪抑制措施的施工过程中， 应特别注意材料的选择和施工工 艺，以保证其耐久性和稳定性。
添加标题
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施工过程中，应严格按照设计图 纸和施工规范进行操作，确保工 程质量和安全。
波浪能吸收装置
结构：包括浮标、锚链、吸 能器等部件
原理：利用波浪能吸收装置 吸收波浪能量，减少对港口 的影响
工作原理：当波浪作用于浮 标时，锚链带动吸能器运动，
吸收波浪能量
优点：能有效减少波浪对港 口的影响，提高港口安全性
和稳定性
03
波浪抑制措施的设计与优化
设计原则与要求
安全性：确保波浪抑制措 施的安全性和稳定性
02
波浪抑制措施的种类
防波堤
防波堤的作用：减少波浪对港口的影响，保护港口设施和船只 防波堤的类型：直立式、斜坡式、弧形式等 防波堤的设计：需要考虑波浪高度、频率、方向等因素 防波堤的施工：需要选择合适的材料和施工方法，确保防波堤的稳定性和安全性
消浪设施
防波堤：阻挡波浪，减轻波浪对港口的影响 防波堤：减缓波浪的传播速度，降低波浪高度 防波堤：改变波浪的方向，使波浪对港口的影响减小 防波堤：保护港口内的船只和设施，减少波浪造成的损失
波浪干扰：影响施工设备的稳定 性，增加施工难度
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波浪侵蚀：破坏港口设施，影响 施工进度
波浪影响：影响施工人员的安全， 增加施工风险
波浪抑制措施的重要性和作用
保护港口设施：减少波浪对港口设施的冲击和破坏，延长使用寿命 提高港口运营效率：减少波浪对船舶和货物的影响，提高装卸效率 保障船舶安全：减少波浪对船舶的影响，保障船舶安全航行和停靠 保护环境：减少波浪对海岸和海洋环境的影响，保护生态环境
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影响海底管道安全因素管君阳 51082601024海底管线是一种经济、高效的近海油气输送设施，在海洋石油工程中应用非常广泛。
海底管线的液化失稳问题是海底管线设计中需考虑的关键问题之一。
波浪在传播过程中，会在海床表面引起周期性的波压力。
这种周期性的波压力作用会在海床中引起超静孔隙水压力及腿且道丝座立，改变了海床中的应力分布。
海线亦会对其附近海床中的超静孔隙水压力及附加有效应力产生影响，使海分布更加复杂，最终可能使海床发生变形、剪切破坏及液化等现象，导致海床的失稳破坏。
因此，研究波浪一管线一土体的相互祸合作用具有十分重要的理论意义和工程实用价值。
1． 海流作用对海底管线稳定性的影响海流对管线稳定性的影响主要是通过其对海底沉积物的作用。
尤其是当管线周围 土体主要是非粘性土时, 海流作用将会导致土体被冲蚀, 进而影响管线稳定。
水流对沉积颗粒的作用力主要用Sh ields 参数表达:gd s )1(-=ρτθ式中,τ为施加于颗粒上的剪应力; ρ为海水密度; s = ρρ/s 为颗粒相对密度; g 为重力加速度; d 为颗粒直径。
τ由海流的粘滞力和压力梯度2 部分组成。
对于相对稳定的海流, 剪应力τ可以由下式计算得出: 221U f c ρτ=式中, c f 为摩擦系数;U 为平均流速。
当θ的值超过临界Sh ields 参数cr θ时, 沉积颗粒开始起动。
对于完全紊流, cr θ为常数, 约为0. 06。
在相对稳定的海流作用下, 直径为D 的管线所受的作用力为:221//21DU C F U DU C F L z D x ρρ==式中, x F 代表水平分力, 称之为拖曳力; z F 代表垂直分力, 称之为上举力; D C 和L C 分别为拖曳和上举系数。
当管线所受的拖曳力满足下式时, 管线可发生移动:)(z x F W F -≥μ 式中, μ为管线与沉积物间摩擦系数; 管线的水中自重W 用下式计算:24)1(D s g W p πρ-= 式中, p s 为管线的比重。
用传统方法计算得到的使管线发生移动所需的流速, 与使沉积颗粒发生起动的流速比较, 前者约比后者大一个数量级左右[ 1 ] , 所以在管线发生移动之前, 其周围沉积颗粒早已失稳。
海流通过对管线周围土体颗粒的冲蚀, 使管线暴露、悬空, 进而导致管线失稳。
2． 波浪作用对海底管线稳定性的影响波浪对海底沉积物的作用很早就引起了人们的关注。
Sleath (1994) [ 2 ]提出了一个表征波浪对沉积物作用的参数S :)1()(0-=s g t S μ式中, 0μ代表波浪的轨迹速率; ϖ代表波浪的循环频率; Sleath 参数S 的本质是波浪作用在海底沉积物上的惯性力与沉积物自重的比率。
波浪运动的Sh ields 参数为:d s g f )1(2120-=ϖμθ式中, ϖf 为波浪与沉积物间的摩擦系数。
Sou lsby (1997) [ 3 ]认为, ϖf 为A d的函数：A dd A f ≈=-)12(39.152.0ϖ将上3 式合并, 可得出波浪作用下泥砂起动的临界S 值:A d S cr cr θ2=波浪对海底管线作用力的数学模型很多, 目前应用较多的是Mo rison 方程, 表达形式如下:200200214//21μρμρπμμρD C F D C D C F L z M D x =∂∂+=式中,垂向分量z F 向上为正; d 为管线直径;ρ为海水密度;D C ,L C ,M C 为相关系数。
在计算波浪对管线水平方向作用力x F 时,将此等式右侧分为2项,第一项表示拖曳力,主要为粘性阻力和压差阻力;第二项表示惯性力,也就是流体加速流动时对管线的作用力[ 4 ]。
在计算x F 的等式中, 当A /d 较大时,第一项“拖曳力”起主要作用;当A /d 较小时,第二项“惯性力”起主要作用。
波浪作用下管线的Sleath 参数为:)1()(0-=p S g t S μDam gaard [ 1 ]假定0μ的摆动变化是单频和正弦的, 在惯性力为主的条件下, 当管线的S 值超过临界p S 时, 管线失稳, 即:Mp C S /μ= Wilkinson 和Palmer [ 5 ] , 对管线承受的波浪作用力进行了现场量测, 得出当A/d 的值接近1. 5 时, M C 值的范围为2～ 5, 由此得出管线发生移动的临界p S 的值为0. 1～ 0. 3 。
近似地, 当拖曳力为主时,Damgaard [ 1 ]提出下式:DA A D C C S L D p 6.0)(12≈+=μπ当S 值超过S p 时, 管线失稳。
Damggard[ 1 ]在假定D /d 为3000时, 以A/d 和cr S 为主要参数分析了海底失稳过程, 认定惯性力与拖曳力二者谁取主导作用的分界线为A /d = 104。
周期性的波浪荷载作用会影响海底土的抗压与抗剪能力, 海底土的临界cr S 值远比管线值低。
李玉成等[ 6 ]研究了圆柱周围的速度矢量场(图1) , G/D 为有限元网格间隙比。
从图1 可看出, 管线周围发生绕流, 流场相对集中。
表明管线周围土体受波浪应力较为集中, 加速了土体的侵蚀, 从而影响了管线稳定性。
另外, 重力波的存在, 将会增加直接作用在管线和沉积物上的水力荷载, 进而影响海底土的抗压和抗剪能力。
图1 圆柱周围速度矢量场3． 管线周围土体性质及液化发生对管线稳定性的影响管线下部的土体作为持力层, 需能承受管线自重, 并且对管线的横向移动产生阻力。
因此周围土体的力学性质对管线的稳定性影响较大。
尤其是海底表层土多为砂土,在受到波浪海流的振动荷载作用下, 可能会发生液化, 自身承载力丧失, 导致管线下沉或横向移动。
如果土体受波浪、海流侵蚀严重, 甚至会导致管线悬空, 对其稳定性构成严重威胁。
3. 1 土体对管线的极限承载力铺设在海底的管线, 会因其自重作用而部分沉入土中, 直至承重土体对管线产生足够的支撑能力, 此时土体达到极限平衡状态。
海底土的极限荷载的一般公式:q c r u qN cN rbN p ++=21 式中, u p 为海底土极限荷载(kPa) ; r 为管线下海底土的天然重度(kN/3m ) ; c 为管线底面以下地基土的粘聚力(kPa) ; q 为管线的旁侧荷载,其值为管线埋深范围土的自重压力(kPa) ; r N ,c N ,q N 为海底土承载力系数, 为摩擦角ϕ的函数, 可查有关图表确定。
影响土体极限荷载的因素很多, 主要包括:(1) 土的物理力学指标土的物理力学指标很多, 与土体极限荷载有关的主要是土的强度指标ϕ, c 和密度指标r 。
凡土体的ϕ, c, r 越大, 则极限荷载u p 相应也越大。
其中土的内摩擦角ϕ值的大小, 对极限荷载影响最大。
(2) 荷载作用方向若荷载为倾斜方向, 倾斜角越大, 则相应的倾斜系数越小, 因而极限荷载u p 也越小, 反之则大。
倾斜荷载为不利因素。
(3) 荷载作用时间若荷载作用时间很短, 如地震荷载, 则可使极限荷载提高; 如管线周围土体为粘土,可塑性较高, 在长期荷载作用下, 可使土产生蠕变降低土的强度, 即极限荷载降低。
3. 2 土体对管线的横向阻力放置在海底表面的管线受波、流等横向荷载作用, 会对管线的稳定性带来影响。
为保持管线稳定, 土体需要产生足够的阻力来抵消波、流产生的横向荷载。
土对管线的横向阻力一般认为由两部分组成, 一部分是土与管线界面的摩阻力, 一部分是土在管线横向挤压作用下产生的被动土压力。
管线与土体之间的摩阻力大小主要取决于两者之间的摩擦系数, 摩擦系数大小随土体类型变化而不同, 一般砂土的摩擦系数为0. 70～ 0. 40, 粉质粘土的摩擦系数可取0. 55～ 0. 25, 对于粘土一般取0. 60～ 0. 25[ 7 ]。
土体与管线之间的被动土压力的计算一般依据如下公式:pp p K c rzK P 2+= 式中, p P 为被动土压力(kPa) ; r 为土体的天然重度, 在水下需用浮容重(kN/m 3) ; z 为管线的埋设深度(m ) ; p K 为被动土压力系数, p K = tg (45°+ ϕ/2) ; c 为土的粘聚力(kPa)。
如果土体为非粘性土, 则计算被动土压力式(15) 仅取第一项即可。
由式(15) 可见,影响土与管线之间的被动土压力大小的因素主要为埋设深度与土的强度指标和密度指标。
3. 3 土体液化对海底管线稳定性的影响海底表层土多为砂或粉土, 两者主要是单粒结构, 处于不稳定状态。
在地震或波浪海流的循环荷载作用下, 疏松不稳定的砂粒与粉粒移动到更稳定的位置, 海底表层土多为饱和状态, 土孔隙完全被水充满, 在地震或波浪的循环荷载作用下, 土中的孔隙水无法快速排出, 砂粒与粉粒被孔隙水漂浮。
此时土体的有效应力为零, 丧失承载力。
当海底土体发生液化时, 如果管线的比重大于液化土的比重, 则管线会下沉, 否则管线会悬空, 有发生断裂的危险。
海底土的液化判别可分为“两步判别”, 即初步判别和标准贯入试验判别。
凡经初判划为不液化或不考虑液化影响, 可不进行第二步判别, 以减少勘察工作量。
当海底土满足以下条件之一时, 可初步判别为不液化或不考虑液化的影响[ 8 ]:(1) 地质年代为第四纪晚更新世(Q 3) 及其以前时, 可判为不液化土;(2) 粉土的粘粒(粒径小于0. 005 mm 的颗粒) 含量百分率, 在地震烈度7 度、8 度、9 度分别不小于10, 13, 16 时, 可判为不液化土。
当初步判别认为需进一步进行液化判别时, 应采用标准贯入试验判别法。
在海底以 下15 m 深度范围内的液化土应符合下式要求:c w s cr crd d N N N N ρ3)](1.09.0[05.63-+=< 式中, 5.63N 为饱和土标准贯入锤击数实测值(未经杆长修正) , 地震烈度为7, 8, 9 时分别取6,10, 16; cr N 为液化判别标准贯入锤击数临界值; d s 为饱和土标准贯入点深度(m ) ; w d 为地下水位深度(m ) ; c 为粘粒含量百分率, 当小于3或为砂土时均应采用3。
如计算结果符合式(16) 的要求, 则认为砂土或粉土不液化; 反之则认为其可能发生液化。
4 结语影响海底管线稳定性的因素较多,波浪、海流的作用以及管线周围土体力学性质及液化发生对管线稳定性的影响。
波浪、海流主要作用在管线周围土体,通过冲刷、侵蚀或振动液化使其丧失承载力, 进而导致管线失稳。
因此, 海底管线铺设前应对其路由进行详细调查, 查明海底土体性质及力学参数。
同时, 注重对海底水动力特征的研究, 从动力机制方面对影响管线稳定因素进行深入分析。