足球比分直播

基于SPH深度积分模型的海底滑坡数值分析.pdf

返回
基于SPH深度积分模型的海底滑坡数值分析.pdf_第1页
第1页 / 共75页
基于SPH深度积分模型的海底滑坡数值分析.pdf_第2页
第2页 / 共75页
基于SPH深度积分模型的海底滑坡数值分析.pdf_第3页
第3页 / 共75页
基于SPH深度积分模型的海底滑坡数值分析.pdf_第4页
第4页 / 共75页
基于SPH深度积分模型的海底滑坡数值分析.pdf_第5页
第5页 / 共75页
点击查看更多>>
资源描述:
基于SPH深度积分模型的海底滑坡数值分析The Analysis on Submarine Landslide Based on a SPHDepthintegrated ModelAbstractSubmarine landslides call cause serious damage to the structures of ocean engineering.Submarine landslides generally characterized by 11i曲velocity,long sliding distance,even theslope is smooth,submarine landslides may Occur,sliding mass has a strong impact onsubmarine pipelines,sliding mass will direcfly endanger the safety of ocean engineeringfacilities and cause huge economic losses.In this paper.the flow process of the submarine landslide is studied.也e submarinelandslides under the different eonditiOIlS of water depth,slope angle,contact frictionalcoefficient and erosion rate are simulated,Comparing the time history curve of velocity,height,length of sliding body under the differem conditions,the maximum sliding distanceand velocity are summarized and the underlying influence of related physical parameters arediscussed。Research results are helpful for providing technical reference for disaster warningof submarine landslide and site selection of the submarine pipelines route.Firstly,this paper systematically summarizes the type of submarine landslide,triggermechanism,the characteristics of the submarine 1andslides,general research situation ofsubmarine landslides and SPH depth integration .Secondly.the basic也eory of the SPH Depth.integrated and the frictionrheological model and erosion model were introduced in detail.ne interaction between thesliding mass with water body should be considered during the process of submarine landslides,the free surface of sliding mass is affected by hydrostatic pressure before landslide and by thedynamic water pressure afar landslide.The contact friction coefficient effect changes withthe consolidation of sliding mass and the change of dynamic pressure.111e inertia of erosionsoil will increase the shear resistance at the bottom of the sliding mass.Thirdly,the SPH Depth-imegrated and B啦program are used to simulate thesubmarine landslide.the caleulation results are analyzed.SPH Depth.integrated simulate the three.dimensional submarine landslides.and compared the three.dimensionaloffshole 1andslides.the slip process of sediment is intuitively showed.Finally.也e results of numerical simulation are summarized and the pattem is discussedthe influence of water depth is not obvious on the maximum sliding distance and velocity ofsubmarine landslide.but the change of the slope and contact friction toe伍cient effect is万方数据大连理工大学硕士学位论文obvious,“弧Pi lerl the erosion reaches 1 0‘4m~,the erosion effect is obvious.The SPHDepth-integrated model can consider the influence of water environment,also can considerthe effect of the consolidation and erosion.The calculation is simple,SPH Depth-integrated is suitable for simulation ofunderwater landslides.Key WordsSliding velocity;sliding distance;SPH depth integrated model;frictionarheological model;erosion effect·III-万方数据基于SPH深度积分模型的海底滑坡数值分析目 录摘 要..IAbstract..........................II1 绪论l1.1立题意义11.2 国内外研究概况31。2.1 海底滑坡研究概况31.2.2海底滑坡机理41.2.3 SPH深度积分法的发展一101.3主要研究内容.112 SPH深度积分法的基础理论132.1 SPH深度积分法的控制方程一132.2 SPH深度积分模型.142.2.1 核函数~142.2.2深度积分法..162.2.3流变模型..1 82.2.4侵蚀定律222.3离散化的准拉格朗日控制方程252.4 SPH深度积分算法..262.5 小 结.273 SPH深度积分数值模型283.1 SPH深度积分程序计算流程.283.1.1 SPH深度积分代码结构一283.1.2海底滑坡初始文件..303.2海底滑坡模型的建立.313.3 小 结.324数值计算与对比分析.334.1 Bing程序模拟海底滑坡334.2二维海底滑坡的SPH深度积分法模拟354.2.1水深影响一354.2.2坡度影响一39万方数据大连理工大学硕士学位论文4.2.3摩擦角影响..424.2.4侵蚀率影响444-3三维海底滑坡的仿真模拟.474.3.1无水情况下的滑坡..474.3.2海底滑坡仿真模拟一504.4 小 结.545结论与展望565.1 结 论.565.2存在问题及展望.56参考文献58附录A关于SPH深度积分法基本方程推导.64攻读硕士学位期间发表学术论文情况..73致 谢..74大连理工大学学位论文版权使用授权书..75万方数据大连理工大学硕士学位论文1绪论1.1 立题意义海底资源丰富,是自然对人类的馈赠。20世纪70年代“国际10年海洋勘探阶段”战略使海底不断被开发。然而人类已探索的海底只有5%,还有95%大海的海底是未知的,且资源开发的同时还面临海洋灾害频发等问题。因此,优先发展海洋科学,增加对海洋灾害研究和海洋工程技术装备开发的投入也成为目前各个国家向海洋迈进的先行策略。表1.1海洋资源的分布Tab.1.1 The distribution ofmarine resources海洋地貌类别 海洋资源海岸带大陆架大陆坡大陆隆大洋底旅游、生物、矿砂石油和天然气、生物、矿砂水势能海流、潮汐、生物海底油气、海底矿产矿藏海洋资源的形成和分布受一定的自然规律支配,其分布受海底地貌和地质条件的影响。在不同海底地貌区,形成了不同类型的海洋物质资源、海洋能源和海洋空间资源。由表1.1可知,海上油气资源主要位于海洋大陆架,大陆隆也可能会有海底油气,全球对海上油气开采已经有近50年的历史,且不断向深海发展,如图1.1所示。图1.1海上油气开采历史Fig.1.1 The exploration history of offshore oil and gas万方数据基于SPH深度积分模型的海底滑坡数值分析随着我国经济的腾飞发展,能源需求急骤增长,仅靠原油进口已经制约了经济发展的步伐,陆地油气资源的日益枯竭使我国能源安全问题已经刻不容缓。我国海岸线全长全球第十,总长18000km,海岸线资源是国家赖以生存和发展的命脉,制约国家的发展进程。我国虽然具有的丰富煤资源,但天然气和石油资源却面临储量不足和稳产难度很大的问题,尤其是海上油田;目前,天然气资源已知储量约为全球分布的的1.2%,由于较为落后勘探开采技术,天然气依然未能替代主流能源。我国海洋事业起步较晚,海洋工程技术装备相对落后,且向深海发展的技术还不够成熟。现如今我国海上油气开采区主要位于在南海北部大陆架、东海、黄海、渤海等沉积盆地;一半以上的油气产量由南海周边海域产得,是国家重点开发油气的区域【l】。然而油气田所处地质条件非常恶劣,地质构造、地貌类型、海底水动力条件非常复杂,其中峡谷纵横、活动沙波、珊瑚礁,并且发育着滑塌体及断层等地质灾害,天然气水合物广泛分布在海床沉积物中,导致斜坡稳定性较差,潜在的海底滑坡会给海洋工程结构物,生物栖息区造成严重的威胁,如图1.2【2】所示,油气田周围区域可能存在潜在滑坡、海底碎屑流、块体运动等地质灾害,滑移体的高速运动会给海底石油管线,作业平台等造成严重威胁,严重时会产生海啸。图1.2海洋地质灾害【2】Figure 1.2Offshore geohazards[2]综上所述,随着深海陆坡区域海洋油气资源的开采,海底滑坡也成为海洋研究的热点【3’81。勘探区域的小至中型滑坡诱发频率较高,引发海洋工程设施破坏事件;大陆架万方数据大连理工大学硕士学位论文上大量的沉积物可能在地质或自重作用下高速运移到深海盆地【9-1 21,可能会诱发海啸,对近海地区的生命财产造成威胁;研究海底滑坡滑移过程,分析滑移速度、流径覆盖范围、滑移体量对海底管道的路由设计和保障深水油气的安全开发,以及对灾害预警具有重要意义。1.2国内外研究概况1.2.1海底滑坡研究概况滑坡包括陆上滑坡【13.1刀和海底滑坡[18-21】。不同于陆地滑坡,海底滑坡的真实数据往往难以获得,主要原因有海洋环境复杂、诱发因素种类繁多、诱发时间地点的不可预知性,直接观察监测难度系数大等,因此,人类对海底滑坡的关注相比之下较少【引。现今的理论和装备技术应用于深水之中仍有较大的局限性,需要对其开发完善,为人类向深海迈进提供支持。稳定性分析是研究海底斜坡的重要内容之一田’24】。对海底滑坡的主要分析内容为滑坡不同阶段的灾害类型和物理机制【251。海底滑坡在力学机制与陆上山体滑坡具有很多相似之处【26’2 71。不过,两者之间也存在一些重要的和显著的差异,海底滑坡通常表现为体量大、距离长、流速快的滑动【2睨91;软弱土层、天然气夹层、飓风、地震、海底火山喷发等均能触发海底滑坡p01。海底滑坡经常发生在深水海底陆坡区域,严重威胁海上作业平台及海底管线【3l-34]等设施的安全运行,破坏近海和沿海设施如石油和天然气生产井、平台、管道、海底通信电缆,以及海洋生物栖息地。有时甚至会引发巨浪、海啸,造成巨大的经济损失13 5l。针对陆上滑坡问题,国内外学者多采用无网格伽辽金法【361、细胞自动机法网、非连续变形分析方、法【381、离散单元法【39】、SPH法[401等方法进行研究,并取得了一定研究成果,但目前关于海底滑坡的研究成果相对少见。针对海底滑坡,Inlranf41]等采用双线性流变模型和Herschel.Bulkley模型模拟碎屑流;Blasio等142]在Imrall基础上提出了改进的粘性流变模型,该模型能够反映水与碎屑流之间的动态作用,与实验符合较好,但人为假定参数较多;Harbitz等【43】基于润滑理论建立了一维稳态滑水条件下的解析模型,该模型没有考虑滑移体前部、尾部及顶部的动水压力影响;Zakeri、Gauer掣似5】采用多相流理论模拟了海底碎屑流运动,为海底滑坡的流动机理研究提供了新的途径;Gue[21采用DAMPM模型模拟了滑坡滑动过程,与离心机实验结果符合较好。但上述方法在模拟过程中都没有考虑侵蚀效应和土水混合物中的孔隙水压力的消散。海底滑坡需要考虑流动过程中滑移体与水环境的相互作用,滑坡发生前滑移体的自由面受到的静水压力的作用及滑动后受到的动水压力的作用,海水对滑移体底部的润滑万方数据基于SPH深度积分模型的海底滑坡数值分析作用,即减小了滑动过程中基底的摩擦力,计算中表现为接触摩擦系数随着滑移体固结和动水压力的改变而改变。同时被侵蚀、挟带的滑移体的惯性阻力会增加滑移体底部的剪切阻力【蚓。1.2.2海底滑坡机理1.2.2.1海底滑坡的分类深海陆坡失稳滑动可能是由于多种因素耦合导致的,本节对海底滑坡的破坏形式、诱发类型、滑移体形态等进行了详细的分类有助于深入研究滑移体在海床上的运动规律。海底滑坡从其形态变化和运动形式上可分为以下几种主要类型原地塌陷、短距离滑动、块状流、浊流M。Locat深入研究了海底滑坡,并根据海底滑坡的运动机理把海底破坏形式分为滑坡、倾倒、扩张、塌落、流动这几种基本类型[221。海底滑坡的按照其运动形式可分为平移滑动、旋转滑动。滑移体流动可进一步分成崩塌流、碎屑流、泥石流;在滑动到一定程度后由于水体进入土体而进一步稀释为浊流,如图1.3所示。滑坡影鸭范围·_-。。。。‘。。。。。‘·。’。’~‘’。。‘--‘。。。。‘。-。‘’。。●滑坡 泥石流 浊流。蕊,3k-阳30 10 kPa御a 0.01-0.1渤土体容重 1318 kN/m3 10一”RN]m3l一110 kmI一10100 km一图1.3滑移体状态演变过程Fig.1.3 The evolution process ofthe state ofthe sliding mass目前,许多以往假想的海底滑移体运动形式和沉积特性都被证明,人们也意识到海底滑坡的复杂和多样性,各种各样的海底滑坡形式共存或在较小的滑动区域内连续演变。通过研究分析海底滑坡的主要特性和滑移体最初变形位置,Canall28】定义了5种海底滑坡类型蠕变、岩屑崩落、滑水或块体平移、碎屑流、泥流。以上情况为海底沉积物在斜坡上失稳破坏、高速流动过程,尽管在海底块体运移的过程中可能存在旋转和跳万方数据大连理工大学硕士学位论文跃,尤其在块体最初破坏的位置,但是滑移体的纯旋转和跳跃运动在海岸工程学中没有研究。蠕变是一种慢的、渐进的的海底滑坡行为,由于外荷载作用下土体产生的永久的,不可恢复的变形【4s巧¨。大部分文献都是从机理、深度、速度场、蠕变层厚度这几个方面描述蠕变类型的海底滑坡事件,但还应注意蠕变的横向伸展【52】。Mulder和Coehonatl531认为蠕变通常是粘土的弹性变形,在恒载作用下,应变率非常低。如果海底斜坡沉积物超过塑性变形极限,蠕变可以发展成滑坡或塑性流动。蠕变是海底斜坡区域沉积物失稳的一项指标。Correggiari等【54巧61发现在一些海底沉积物内部存在蠕变层,且蠕变时间很长,蠕变层坡度很小,有的仅有0.550。Sultan[了7】等试图通过孔隙水压力的变化和变形速率研究蠕变层的变化。重力流是海底滑坡的一种主要形式,其中包括岩崩、碎屑流、块体运动。重力流初始是块体组成的运动,块体破坏的区域能够被预测。滑移块体一般来自于比较陡峭的部位,首先破碎运动的小块体可能会是大滑坡事件发生的预兆。例如Storegga和Traenadjupet滑坡事件,最终滑移体中即包含在陡峭部位最初破坏的岩体,又包含大量的粘性泥砂[58刮】。岩崩是在陡峭的斜坡上岩体脱落自由运动的一种滑坡机制,坠落速度非常快,可能是垂直向下,还有可能是在斜坡上跳跃运动等,无潜在滑动层152J。岩崩体积一般小于碎屑流的体积,岩崩是陡峭区域海底滑坡的主要组成部分。碎屑流是一种沿斜坡岩石碎片快速滑动的一种海底滑坡。碎屑流的特点就是在滑动过程中岩石进一步破碎成小碎片,内部结构和流体形态复杂无序,流动厚度较小,但覆盖范围很广,孔隙率较高。海洋岛屿的附近碎屑流被广泛深入的研刘62郴】。碎屑流主要成分来自于峭岩壁部位直径很大的岩体崩落后进一步破碎的碎石块,其滑移体量可能超过500kin3【69。7 0|。有人认为碎屑流滑动过程快速,在斜坡上运动时间较短,主要在平坦区运动1631。碎屑流规模很大,一旦发生就是灾难性的事件。滑坡形态学和沉积特点往往能够解释滑动过程中的岩石破碎,岩崩,碎屑流等。狭义上滑坡可定义为滑移体、积雪、岩体由于剪应力破坏沿一个或多个剪切面滑动或坠落。滑移体的滑动变形不一定很大,也可能是转动或平移【521。Mulder和Cochonat【53】认为海底斜坡滑移体的滑坡其中一部分滑动面平行于沉积物的分层面。浅板滑形式即在浅滩发生的沿一定滑动面平移的一种滑坡类型,这种滑坡滑移深度与长度的比值可以小于0.15t 71]。若按照此比例分类,大多数海底滑坡都属于平移滑坡。这种平移运动块体或重叠块式的滑坡,其中外界块体作为个体嵌入滑移体一起运动形成碎屑流或泥石流,其沉积结构形式与海床相似,如Canary滑坡[72-731。塑性流一般指的是海底欠固结沉积物塑性破坏流动,包含三种形式泥石流、液化流、液态流。泥石流在滑移过程中的基体强度可避免泥石流的进一步流化形成液化流和万方数据基于SPH深度积分模型的海底滑坡数值分析液态流,出于这个原因,许多学者未将液化流和液态流列入塑性流范畴。泥石流中悬浮着粗大固体碎屑物并富含粉砂及粘±的粘稠泥浆,这也是泥石流与泥流的差别,泥石流中包含的颗粒、块体、砾石、砂石成分高达50%。海底滑坡中泥石流通常是黏性沉积物将颗粒物如砂石、粘土、水等团聚在一起沿着斜坡层状流动[。74】。粘土含量低至5%足以诱发粘性破坏【75-76l。泥石流基体的强度保证凝聚机制,可以很容易地包裹各种大小的碎屑和块体材料。泥石流的流动速度差别很大,当顺坡方向的应力小于抗剪强度时或当沿坡方向的摩擦力足够大时,泥石流开始沉积。泥石流沉积物中包含角砾岩和泥碎屑,许多泥石流沉积物中卵石或巨砾会随坡度减缓而旋转被分拣出来。无论海底斜坡处于何种情况下,通常泥石流主体的强大凝聚力使其很难演变成浊流,然而也有特殊案例,在Madeira深海平原和Canary海底滑坡事件中就出现了浊流现象【77]。泥流也属于塑性流的范畴,其流动性很大程度上来源于流动体中的细颗粒。泥流也可以认为是一种泥石流,只不过其中碎屑还要小50%。事实上,在海底环境中很难确定这些数据;因此,一些学者将其描述成泥石流,而也有学者将其描述成泥流,泥流同样也是按包含水、粘土、岩石碎屑的比例来分级。泥流中水和粘土的质量在60%以上,水的含量严重影响泥流的粘滞性、流动速度、流动形态和泥流的沉积。泥流中,流动粘滞性和屈服强度是控制泥流初始流动的主要参数,屈服强度接近于剪切强度。1.2.2.2海底滑坡诱发机制海底复杂的环境条件使斜坡极易发生破坏,当沿着坡方向的剪应力大于材料的抗剪强度时,滑移体就会发生破坏。根据Mohr≮oulomb表达式可知rfC r莎一“tan≯’ 1.1式中,『f为抗剪强度,C’为有效粘聚力,庐7为内摩擦角,盯破坏面法线方向的总应力,“为孔隙水压力,∥仃一U为有效应力。一般来说,地震、潮汐变化,沉积物自身欠固结,波浪荷载,气体化合物的分解等都会导致抗剪强度的降低。其中地震、波浪荷载、潮汐变化、底劈作用、沉积和侵蚀会增加应力[271。海底斜坡的最终平衡还是取决于抗滑力与滑动力之间的关系。海底大部分沉积物粘聚力可以忽略,其内摩擦角取决于沉积物的组成、内部结构形式等。由式1.1可知抗剪强度与有效应力之间是线性关系,有效应力的减小直接导致抗剪强度的降低。重力、地震、风暴潮诱发的应力是海底滑坡下滑力的重要组成部分。重力和其他作用形成下滑力超过材料的抵抗力,就会发生滑坡。Canal认为在以下海洋环境中容易发生海底滑坡,例如1沉积物快速堆积区2海底斜坡;3环境围压很大的区域等;万方数据
展开阅读全文
收藏
下载资源

加入会员免费下载





足球比分直播