[發明專利]一種海底邊坡穩定性的安全系數計算方法

有效

• 申請號: 202010972434.3
• 申請日: 2020-09-16
• 公開（公告）號: CN112257140B
• 公開（公告）日: 2022-10-25
• 發明（設計）人: 陳煒昀;劉成林;徐令宇
• 申請（專利權）人: 南京工業大學
• 主分類號: G06F30/13
• 分類號: G06F30/13;G06F30/23;G06F30/28;G06F111/10;G06F113/08;G06F119/14
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 羅運紅

1.一種海底邊坡穩定性的安全系數計算方法，其特征在于，該方法包括以下步驟：

首先，構建波浪場動力模型，造波的波浪參數取自計算海域，包括波高、波周期、波長、水深、波向角，采用動量源造波實現模擬波浪傳遞區域的特征波浪形態，采用動網格和水平集方法實時捕捉自由水面；

其次，在海底邊坡數值模型中通過有限元方法計算出輸入波浪壓力下的海床孔隙壓力，同時采用有限元強度折減法進行海底邊坡穩定性數值模擬計算，結合上述波浪場動力模型和海底邊坡數值模型實現海底邊坡穩定性及優化坡率耦合計算；

海底邊坡數值模型的構建首先需要選取必要的計算參數，隨后構建有限元模型并通過控制方程描述相應物理場，最后設定相應初始條件和邊界條件以及剖分合適的網格使得模型可以計算，通過求解偏微分方程組得到控制方程中的計算變量，首先在波浪動力模型中得到流速和壓力結果，其次計算海底邊坡數值模型得到土體的應力和應變結果，最終通過強度折減法計算出海底邊坡的安全儲備系數；

在滿足計算要求的前提下，對海底邊坡數值模型進行如下五點定義：一是海床底部和兩側無滲流和變形發生；二是波浪運動的細部破碎和非線性變化不在計算范圍內；三是波浪底壓力等于海床表面處孔壓；四是海床沉積物的力學性能遵循摩爾-庫倫強度準則；五是多孔介質海床孔隙內部流體運動符合達西定律；

通過波浪場動力模型模擬計算區域的特征波浪形態，將波浪場動力作用下的實時波浪底壓力輸入達西定律和摩爾-庫倫本構描述的海底邊坡數值模型進行耦合計算，通過改變折減系數對土體強度參數進行折減，在某一折減系數下得出海底邊坡最終的滑動破壞形態和相應安全系數FOS，亦即最終返回折減系數值；

海底邊坡數值模型建立過程中的參數需要收集特定計算海域內的實際參數值，首先賦予波浪及流體運動參數，同時賦予人工海底邊坡相應的物理力學參數，計算參數包括波浪參數和土體參數：波高H、波周期T、波長L、水深d、水體密度ρ_w、上層海床厚度h₁和下層海床厚度h₂、剪切模量G、泊松比υ、彈性模量E、土體滲透系數k_f、飽和度S_r、土體密度ρ_s，所述土體物理力學參數包括有效重度、彈性模量、剪切模量、泊松比、有效內聚力、有效內摩擦角和體積模量、壓縮性、滲透系數。

2.根據權利要求1所述的一種海底邊坡穩定性的安全系數計算方法，其特在于，在實現模型計算之前需要進行幾何模型建立和網格剖分，包括以下步驟：

建立波浪運動和海底邊坡幾何模型，將人工海底邊坡坡頂作為X、Y坐標原點；

所述海底邊坡數值模型建立過程中的幾何參數包括基槽底部寬度、基槽深度、斜坡坡角、沉積物各分層層厚，幾何模型建立參考鉆孔設計參數和基槽設計參數，在建筑繪圖軟件AutoCAD中完成之后導入有限元計算軟件中；

根據各物理場計算特性劃分物理網格，具體的劃分參數包括：最大最小單元尺寸、單元增長率、曲率因子、迭代平滑次數、細分方法，之后對邊界條件界定，在基槽開挖部分對海床土體的網格進行局部細化，從而更加細致地捕捉滑動破壞的形狀和破壞面。