[發(fā)明專利]一種海底邊坡穩(wěn)定性的安全系數(shù)計(jì)算方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010972434.3
• 申請(qǐng)日: 2020-09-16
• 公開（公告）號(hào): CN112257140B
• 公開（公告）日: 2022-10-25
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陳煒昀;劉成林;徐令宇
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 南京工業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): G06F30/13
• 分類號(hào): G06F30/13;G06F30/23;G06F30/28;G06F111/10;G06F113/08;G06F119/14
• 代理公司: 南京經(jīng)緯專利商標(biāo)代理有限公司 32200
• 代理人: 羅運(yùn)紅

本發(fā)明公開了一種海底邊坡穩(wěn)定性的安全系數(shù)計(jì)算方法，其包括：獲取計(jì)算海域的波浪特征參數(shù)及海底土體強(qiáng)度參數(shù)；基于波浪動(dòng)力特征和土體強(qiáng)度參數(shù)建立數(shù)值模型；分別基于數(shù)值造波和有限元強(qiáng)度折減法對(duì)波浪場(chǎng)動(dòng)力模型和海底邊坡數(shù)值模型進(jìn)行分析，得到邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)；基于波浪和邊坡相對(duì)位置不同得到一定坡率下的穩(wěn)定性變化分析估計(jì)。本發(fā)明可以估計(jì)水下邊坡受波浪荷載下的穩(wěn)定系數(shù)，為水下臨時(shí)邊坡施工坡率選擇提供便利。本發(fā)明利用數(shù)值模擬計(jì)算的便利，基于不同的設(shè)計(jì)參數(shù)和計(jì)算工況，得到優(yōu)化后的設(shè)計(jì)坡率。滿足一定安全性要求的同時(shí)，減小整個(gè)基槽的土方開挖及回填量，一定程度上減少對(duì)海底自然生態(tài)環(huán)境的破壞。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及海底監(jiān)測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種海底邊坡穩(wěn)定性的安全系數(shù)計(jì)算方法。

背景技術(shù)

波浪荷載下水下人工邊坡的穩(wěn)定性判別是近海工程建設(shè)需要考慮的基本問題，如水下管道、防波堤和沉管隧道。水下邊坡失穩(wěn)問題在近海工程建設(shè)中是個(gè)常見問題，滑坡的發(fā)生往往伴隨著邊坡結(jié)構(gòu)以及周圍結(jié)構(gòu)物的破壞。所提及的近海工程結(jié)構(gòu)物、預(yù)埋式結(jié)構(gòu)物通常在干塢預(yù)制完成后放置于海床沉積物開挖后的臨時(shí)基槽中，之后進(jìn)行回填。

由于人工開挖形成的基槽和水下邊坡引起應(yīng)力釋放，新形成的邊坡沒有在波浪、海流、潮汐作用的作用下壓實(shí)，因此穩(wěn)定性相應(yīng)較弱。同時(shí)，對(duì)于這些臨時(shí)人工水下邊坡的穩(wěn)定性判別對(duì)工程安全性和經(jīng)濟(jì)性有很大影響。如坡率較大(較陡)的穩(wěn)定邊坡可以同時(shí)滿足安全和經(jīng)濟(jì)合理要求，減小沉積物搬運(yùn)回填量和海底生態(tài)環(huán)境擾動(dòng)。

目前已有多種方法用于判別邊坡穩(wěn)定性，如極限平衡法(LEM)和強(qiáng)度折減法(SRM)。由于傳統(tǒng)的極限平衡法不需要考慮土體內(nèi)部復(fù)雜的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，已被廣泛用于工程實(shí)踐。而強(qiáng)度折減法的迅速發(fā)展得益于計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，其相較于極限平衡法有以下優(yōu)點(diǎn)：不需要對(duì)內(nèi)部剪應(yīng)力成層分布進(jìn)行假定，土體的力學(xué)性能表現(xiàn)可以被更合乎實(shí)際地描述。

強(qiáng)度折減法的定義為：在外荷載保持不變的情況下，邊坡內(nèi)土體所發(fā)揮的最大抗剪強(qiáng)度與外荷載在邊坡內(nèi)所產(chǎn)生的實(shí)際剪應(yīng)力之比。這里定義的抗剪強(qiáng)度折減系數(shù)，與極限平衡分析中所定義的土坡穩(wěn)定安全系數(shù)在本質(zhì)上是一致的。處于極限滑動(dòng)狀態(tài)的滑動(dòng)面滿足摩爾-庫倫強(qiáng)度準(zhǔn)則，在對(duì)模型施加重力荷載和抗剪強(qiáng)度參數(shù)折減進(jìn)而引起剪應(yīng)變后，可以自動(dòng)產(chǎn)生臨界滑動(dòng)面。更為重要的是，強(qiáng)度折減法不僅適用于具有復(fù)雜邊界條件和復(fù)雜加載條件的地形，同時(shí)可以得到很多重要數(shù)據(jù)，如應(yīng)力、位移和孔壓。

數(shù)值分析方法是基于滑坡體內(nèi)部應(yīng)力、應(yīng)變特征，通過本構(gòu)模型來分析海底斜坡的變形和穩(wěn)定性問題。常用的數(shù)值分析方法包括有限差分法、有限元法、邊界元法等。數(shù)值方法的優(yōu)點(diǎn)是可以得出斜坡內(nèi)部各部位的穩(wěn)定狀態(tài)，可以描述應(yīng)變和應(yīng)力的發(fā)展過程，可以解釋失穩(wěn)發(fā)生的機(jī)制，還可以定量估計(jì)海底斜坡的穩(wěn)定性。

開發(fā)一種海底人工邊坡穩(wěn)定性計(jì)算方法，采用強(qiáng)度折減法和有限元數(shù)值分析結(jié)合的手段對(duì)海底斜坡的失穩(wěn)過程進(jìn)行模擬。同時(shí)，基于動(dòng)量源造波的有限元數(shù)值方法可以與海床邊坡失穩(wěn)判別形成耦合機(jī)制，對(duì)海底邊坡失穩(wěn)形態(tài)識(shí)別、失穩(wěn)過程模擬進(jìn)行全面的衡量。如此在行進(jìn)波動(dòng)水壓力下的邊坡穩(wěn)定性定量判斷、求解海底邊坡失穩(wěn)變形的演變過程，對(duì)近海工程建設(shè)和海底開采過程中的海底穩(wěn)定性問題具有重要的指導(dǎo)價(jià)值和工程實(shí)踐意義。

發(fā)明內(nèi)容

發(fā)明目的：針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)和方法中存在的不足，本發(fā)明擬解決的技術(shù)問題是提供一種海底臨時(shí)邊坡穩(wěn)定性的計(jì)算方法，對(duì)近海工程人工開挖形成的海底邊坡受波浪荷載影響下的穩(wěn)定性進(jìn)行定量分析。

技術(shù)方案：本發(fā)明提出一種海底邊坡穩(wěn)定性的安全系數(shù)計(jì)算方法，該方法包括以下步驟：

首先，構(gòu)建波浪場(chǎng)動(dòng)力模型，造波的波浪參數(shù)取自計(jì)算海域，包括波高、波周期、波長(zhǎng)、水深、波向角，采用動(dòng)量源造波實(shí)現(xiàn)模擬波浪傳遞區(qū)域的特征波浪形態(tài)，采用動(dòng)網(wǎng)格和水平集方法實(shí)時(shí)捕捉自由水面；