CN113702619B - 一种基于三维波流港池试验的海底滑坡评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于三维波流港池试验的海底滑坡评价方法，包括三维地形重构，结构性软粘土的制备以及三维波流港池试验；其中，三维地形重构包括试验比尺的确定、三维地形数据搜集与绘制、动床区域选择、三维地形放样与施工；三维波流港池试验包括动床填筑、传感器标定与安装；结合波流港池，可研究由三维波流、坡脚冲刷以及快速沉积三者耦合对海底滑坡的影响，得到一套三维波流条件下海底滑坡稳定性的评价方法。该评价方法可更好地反映现场的波流条件对海底滑坡的影响。本发明所提供的基于三维波流港池试验的海底滑坡评价方法可更好、更真实地反映现场的波流条件对海底滑坡的影响。
Description
技术领域
本发明属于海洋工程研究技术领域，尤其是涉及一种基于三维波流港池试验的海底滑坡评价方法。
背景技术
我国是一个拥有漫长海岸线的海洋大国，海洋蕴藏着极其丰富的能源，包括海洋石油、天然气、可燃冰、海洋再生能源(风能、潮汐能、潮流能和波浪能)等。我国拥有海岸线长度32000km，大陆架面积130万km2，专属经济区200～300万km2，以开发、利用、保护、恢复海洋资源为目的的海洋工程建设是我国未来经济发展的重要方向，海洋资源开发与利用的意识正逐步增强。
但是，由于人类对海洋大规模的开发与利用，诸如海底平台、海底管道、电缆等海底工程设施的大量建造与使用以及由外力引起的海底自身环境的剧烈变化，海床本身或者海底构筑物的恶性破坏事件也日益增长，造成大量的经济财产损失和人员伤亡，这使得人类对于海洋地质灾害的研究变得越来越迫切和实用，对于认识海洋地质灾害的重要性也越发凸显。我国是一个典型的沿海大国，东部近海地区与西北太平洋几条大型地震带距离较近，极易受到海底地震的波及而造成损失；而南部中国海域处于大陆坡与海槽区域的交汇地带，这使得这一区域的海水水深变化极大，区域内地形条件(多海槽)与水体流动(洋流)剧烈变化，地质条件复杂多变，极易发生海底地质灾害。所以，对于海底地质灾害的研究应予以高度重视。
近海滑坡作为一种极具破坏力的海洋地质灾害，会对海洋工程建设造成不可估量的损失。大规模的海底滑坡还经常性的伴有破坏性极强的海啸发生；海底滑坡的频繁发生，严重威胁着海洋工程结构及海洋相关人员的生命安全。全面深入地研究认知近海滑坡的形成机制、影响因素以及风险评价方法，对于保障我国海洋能源开发、海洋空间利用中的工程设施建设意义重大。
然而，目前的研究中大多采用理论分析以及数值技术计算，并且试验中基本上都是二维条件下的研究，而且几乎没有同时考虑三维波流浅水化效果、坡脚冲刷以及快速沉积耦合作用对海底滑坡的影响。如申请号为CN108894182A的发明专利提供了一种应用于海底滑坡水槽试验研究的滑坡触发装置及方法，但是该专利仅考虑了坡角对斜坡稳定性的影响，而且是二维条件。申请号为CN207764186U的实用新型专利提供了一种模拟海底滑坡的试验装置，该装置主要研究滑坡触发以后的流滑过程，而且其触发因素也是仅考虑了坡角的影响，同样也只是针对二维条件。
发明内容
本发明的目的在于，针对现有技术不足，进一步探究海底滑坡的破坏机制，提出了一种基于三维波流港池试验的海底滑坡评价方法。
为此，本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
一种基于三维波流港池试验的海底滑坡评价方法，包括三维地形重构，结构性软粘土的制备以及三维波流港池试验；
其中，三维地形重构包括试验比尺的确定、三维地形数据搜集与绘制、动床区域选择、三维地形放样与施工；
结构性软粘土的制备可通过向海洋软土中掺入粘土颗粒质量的2％的硅酸盐525水泥，加水至土体2倍液限，然后在真空条件下搅拌均匀获得；
三维波流港池试验包括动床填筑、传感器标定与安装等；结合波流港池，可研究由三维波流、坡脚冲刷以及快速沉积三者耦合对海底滑坡的影响。
三维波流港池试验，可反映现场地形对波流条件的影响，反映现场真实滑坡情况，可研究三维地形以及波浪的三维效果，也可研究由波浪、坡脚冲刷以及快速沉积三者耦合作用对海底滑坡的影响，得到一套具有现场真实性和三维效果的海底滑坡评价方法。
试验比尺的确定是根据现场地形条件以及波流港池设备条件进行确定的；试验比尺依据弗洛德数相等的重力相似原则确定，几何比尺为nL，波高H比尺nH、波周期T比尺nT及流速v比尺nv之间的关系如下：
nH＝nL
nT＝nL 0.5
nv＝nL 0.5
三维地形数据搜集与绘制是搜集滑坡现场的多波束扫测结果以及浅地层剖面结果，根据滑坡现场的多波束扫测结果可绘制出现场三维地形图以及地形等高线图；
动床区域选择是根据现场地形图确定关键滑坡区域，如坡角较大区域、波流条件变化剧烈区域等；此区域为填筑人工制备结构性软粘土的区域，地形施工时在动床区域的两个侧面以及后面预先按照地形高程设计制作挡墙，以防止填筑的软粘土四处流动；
三维地形放样与施工包括放样和施工，三维地形放样为对按照试验比尺缩放的现场地形等高线图进行网格剖分：动床区域采用0.5*0.5米的正方形网格剖分，其他区域采用1*1米的网格剖分；网格剖分后在地形等高线图上形成横向剖面、纵向剖面，对这些剖面进行编号；放样时首先要确定整个地形布置在港池中的平面位置，然后根据地形上的点距离已编号剖面的横向、纵向距离来确定地形位置，以此方法将地形放样至三维波流港池中；三维地形施工时，在动床区域的两个侧面以及后面预先按照地形高程设计制作挡墙，以防止软粘土四处流动；三维地形施工是先根据三维地形放样的结果，按照整个现场地形的高程，采用红砖与硅酸盐水泥等材料在港池中制作出刚性三维地形，地形制作完成后需在水下浸泡2天，使水泥具有一定的强度，然后进行定床波流条件率定；率定完成后将动床区域刚性地形拆除，此区域即为动床填筑区域。
在采用上述技术方案的同时，本发明还可以采用或者组合采用如下技术方案：
作为本发明的优选技术方案：结构性软粘土的制备可通过向海洋软土中掺入粘土颗粒质量的2％的硅酸盐525水泥，加水至土体2倍液限，然后在真空条件下搅拌均匀获得，具体为：首先将天然软土以30-40r/min的转速搅拌均匀，然后测定软土含水率，根据土体含水率确定加入水泥和水的质量；加水至软土2倍液限，在真空条件下以30-40r/min的转速搅拌3小时，然后加入硅酸盐525水泥，在真空条件下以30-40r/min的转速搅拌1小时得到结构性软粘土。
作为本发明的优选技术方案：动床填筑为：将制备好的结构性软粘土填筑至动床填筑区域，然后在软土表层将地形变化情况重新放线制作，保证整个地形的完整性和真实性。然后向港池中注水至完全淹没软粘土，使其在水下自重固结2天。
作为本发明的优选技术方案：传感器的安装在传感器支架上，传感器外面套有传感器保护装置，用来保护传感器不受损坏；传感器支架用于将传感器固定于港池动床底部指定位置。
作为本发明的优选技术方案：传感器支架由扁钢条和空心圆管垂直焊接组成，所述空心圆管上固定有传感器。由于动床区域是一个斜坡，故空心圆管的高度需根据支架放置在动床区域的位置确定；为了更方便快捷的固定传感器，将空心圆管沿高度方向切掉1/2，然后根据试验监测的不同位置在空心圆管的不同高度处开螺栓孔，这样可以用手将事先开有螺纹的传感器固定在不同位置的螺栓孔上。
作为本发明的优选技术方案：传感器保护装置由3层有机玻璃刻制而成，内嵌滤网和透水石。传感器的探头外侧为透水石，透水石另一侧为滤网，以防止由于土颗粒过细导致传感器损坏。
作为本发明的优选技术方案：滤网为400目/英寸的ICr18Nig，透水石的厚度为5mm。
作为本发明的优选技术方案：波流港池为大型波流港池，长70米宽40米，具有L型造波装置；造波装置总长度90m，是由造波单元采用固定与移动相结合得到的结构，其中56m造波单元固定在一边，另外34m造波单元可根据实验需求灵活配置，实现多达三个方向的规则波、多向不规则波的模拟。
作为本发明的优选技术方案：坡脚冲刷是预先按照三维地形高程以及动床区域尺寸制作切土隔板，坡脚开挖量可根据具体试验工况具体确定，即需要制作多个隔板。试验时将切土隔板插至动床区域指定位置，然后用铁锹将坡脚处土体开挖。以此方法来模拟不同的坡脚冲刷程度对海底滑坡的影响。
作为本发明的优选技术方案：快速沉积效应是通过在动床区域坡顶压载重物来模拟现场快速沉积效应。加载位置、加载范围以及加载物的重量根据具体试验具体确定。
作为本发明的优选技术方案：可通过布设三维地形激光成像系统、多普勒流速计阵列、非接触式波高仪、激光位移计、微型孔压传感器及压力计等，监测全过程的水下地形演化、波浪非线性形态与压力、土体孔压与位移场等，量测滑坡土体的强度变化。
本发明提供一种基于三维波流港池试验的海底滑坡评价方法，包括包括三维地形重构，结构性软粘土的制备以及三维波流港池试验，可研究三维地形对波浪条件的影响，同时制造出三维波流效果，研究其波浪浅水化、坡脚冲刷以及快速沉积对海底滑坡的影响，得到一套三维地形以及三维波流条件影响海底滑坡的评价方法。本发明所提供的基于三维波流港池试验的海底滑坡评价方法可更好、更真实地反映现场的波流条件对海底滑坡的影响。
附图说明
图1为三维地形等高线网格剖分图。
图2a为传感器支架的图示。
图2b为传感器保护装置的图示。
具体实施方式
参照附图和具体实施例对本发明作进一步详细地描述。
一种基于三维波流港池试验的海底滑坡评价方法，包括三维地形重构，结构性软粘土的制备以及三维波流港池试验；
三维地形重构包括试验比尺的确定、三维地形数据搜集与绘制、动床区域选择、三维地形放样与施工；
结构性软粘土的制备可通过向海洋软土中掺入粘土颗粒质量的2％的硅酸盐525水泥，加水至土体2倍液限，然后在真空条件下搅拌均匀获得；
三维波流港池试验包括动床填筑、传感器标定与安装等；结合大型波流港池，可研究由三维波流、坡脚冲刷以及快速沉积三者耦合对海底滑坡的影响。
三维地形重构包括试验比尺的确定、三维地形数据搜集与绘制、动床区域选择、三维地形放样与施工；
试验比尺的确定是根据现场地形条件以及波流港池设备条件进行确定的；试验比尺依据弗洛德数相等的重力相似原则确定，几何比尺为nL，波高H比尺nH、波周期T比尺nT及流速v比尺nv之间的关系如下：
nH＝nL
nT＝nL 0.5
nv＝nL 0.5
三维地形数据搜集与绘制是搜集滑坡现场的多波束扫测结果以及浅地层剖面结果，根据滑坡现场的多波束扫测结果可绘制出现场三维地形图以及地形等高线图。
动床区域选择是根据现场地形图确定关键滑坡区域，如坡角较大区域、波流条件变化剧烈区域等；此区域为填筑人工制备结构性软粘土的区域，地形施工时会对此区域进行处理。
三维地形放样与施工包括对按照试验比尺缩放的现场地形等高线进行网格剖分；动床区域采用0.5*0.5米的正方形网格剖分，其他区域采用1*1米的网格剖分。这样就在地形等高线图上形成了许多横向、纵向剖面，对这些剖面进行编号。放样时首先要确定整个地形布置在港池中的平面位置，然后根据地形上的点距离剖面的横向、纵向距离来确定地形位置，以此方法将地形放样至三维波流港池中。
三维地形放样与施工是先按照整个现场地形在港池中制作成刚性三维地形，进行定床波流条件率定；率定完成后将动床区域刚性地形拆除，填筑人工制备的结构性软土。在动床区域的两个侧面以及后面预先按照地形高程设计制作挡墙，以防止填筑的软粘土四处流动。
结构性软粘土的制备可通过向海洋软土中掺入粘土颗粒质量的2％的硅酸盐525水泥，加水至土体2倍液限，然后在真空条件下搅拌均匀获得；首先将天然软土以30-40r/min的转速搅拌均匀，然后测定软土含水率，根据土体含水率确定加入水泥和水的质量。首先加水至软土2倍液限，在真空条件下以30-40r/min的转速搅拌3小时，然后加入软土颗粒质量的2％的硅酸盐525水泥，在真空条件下以30-40r/min的转速搅拌1小时得到结构性软土。
波流港池试验方法，可反映现场地形对波流条件的影响，反映现场真实滑坡情况，可研究三维地形以及波浪的三维效果，也可研究由波浪、坡脚冲刷以及快速沉积三者耦合作用对海底滑坡的影响，得到一套具有现场真实性和三维效果的海底滑坡评价方法。
坡脚冲刷是预先按照三维地形高程以及动床区域尺寸制作切土隔板，坡脚开挖量可根据具体试验工况具体确定，即需要制作多个隔板。试验时将切土隔板插至动床区域指定位置，然后用铁锹将坡脚处土体开挖。以此方法来模拟不同的坡脚冲刷程度对海底滑坡的影响。
快速沉积效应是通过在动床区域坡顶压载重物来模拟现场快速沉积效应。加载位置以及加载物的重量根据具体试验具体确定。
传感器的安装包括固定传感器的支架和传感器保护装置；传感器支架用于安装传感器，传感器保护装置套在传感器外面，用来保护传感器不受损坏；传感器支架用于将传感器固定于港池动床底部指定位置；
传感器支架由扁钢条和空心圆管垂直焊接组成，空心圆管上固定有传感器。
传感器保护装置由3层有机玻璃刻制而成，内嵌滤网和透水石。
滤网3为400目/英寸的ICr18Nig，透水石4的厚度为5mm。
本实施例中，波流港池为大型波流港池，长70米宽40米，具有L型造波装置；造波装置总长度90m，是由造波单元采用固定与移动相结合得到的结构，其中56m造波单元固定在一边，另外34m造波单元可根据实验需求灵活配置，实现多达三个方向的规则波、多向不规则波的模拟。该试验可通过布设三维地形激光成像系统、多普勒流速计阵列、非接触式波高仪、激光位移计、微型孔压传感器及压力计等，监测全过程的水下地形演化、波浪非线性形态与压力、土体孔压与位移场等，量测滑坡土体的强度变化。
三维波流港池试验可真实现场三维地形对波流条件的影响，以及三维波流效果、坡脚冲刷以及快速沉积对海底滑坡的影响。其具体实施步骤为：
(1)试验比尺的选定
试验比尺的确定是根据现场地形条件以及波流港池设备条件进行确定的；试验比尺依据弗洛德数相等的重力相似原则确定，几何比尺为nL，波高H比尺nH、波周期T比尺nT及流速v比尺nv之间的关系如下：
(2) nH＝nL
(3) nT＝nL 0.5
(4) nv＝nL 0.5
(5)三维地形重构；
首先确定三维地形在港池中布置的平面位置，确定一个基准点；然后根据比尺缩放地形并绘制三维地形等高线图；根据现场地形条件选定动床试验区域；将按照试验比尺缩放的现场地形等高线进行网格剖分；动床区域采用0.5*0.5米的正方形网格剖分，其他区域采用1*1米的网格剖分。这样就在地形等高线图上形成了许多横向、纵向剖面，对这些剖面进行编号。放样时首先要确定整个地形布置在港池中的平面位置，然后根据地形上的点距离剖面的横向、纵向距离来确定地形位置，再根据现场地形的高程，以此方法将地形放样至三维波流港池中。
(6)定床波流条件率定
刚性三维地形制作完成后，根据试验工况进行波流条件率定与调试。
(7)动床填筑区域制作
定床波流条件率定完成后，需要将事先选定的动床区域处的刚性地形拆除，这样地形中就会留出一个结构性软土的填筑区域。在动床区域的两个侧面以及后面预先按照地形高程设计制作挡墙，以防止软粘土四处流动。
(8)结构性软粘土的制备
首先对天然软粘土进行称重，将天然软土以30-40r/min的转速搅拌均匀，然后测定软土含水率，根据土体含水率计算确定加入水泥和水的质量。首先加水至土样的2倍液限，在真空条件下以30-40r/min的转速搅拌3小时，然后加入干软土颗粒质量的2％的硅酸盐525水泥，在真空条件下以30-40r/min的转速搅拌1小时得到结构性软粘土。
(9)传感器的标定与布置
对试验所用到的传感器进行标定及布置安装。
(10)结构性软粘土填筑与养护
将制备好的结构性软粘土填筑至港池动床试验区域，填筑完成后，在软土表层将地形变化情况重新放线制作，保证整个地形的完整性和真实性。然后向港池中注水至完全淹没软粘土，使其在水下自重固结2天，以达到较高的灵敏度。
(11)养护完成后开始试验
(12)打开数据采集仪等设备，施加事先率定好的波流荷载进行试验；或进行坡脚开挖、快速沉积试验。
如图1为三维地形重构网格剖分图，由图可知，对现场缩放后的地形等高线图进行网格剖分的情况，动床区域采用0.5*0.5米的正方形网格剖分，其他区域采用1*1米的网格剖分。然后，对这些横纵剖面进行编号。放样时首先要确定整个地形布置在港池中的平面位置，然后根据地形上的点距离已编号剖面的横向、纵向距离来确定地形位置，以此方法将地形放样至三维波流港池中。图中绿色区域为动床区域，在根据试验工况完成定床波流条件率定后，将该区域拆除掉，用以填筑结构性软粘土。
如图2a和图2b所示，传感器支架1用于将传感器固定于港池动床底部指定位置；传感器支架1由扁钢条和空心圆管垂直焊接组成，由于动床区域是一个斜坡，故空心圆管的高度需根据支架1放置在动床区域的位置确定。为了更方便快捷的固定传感器，将空心圆管沿高度方向切掉1/2，然后根据试验监测的不同位置在空心圆管的不同高度处开螺栓孔，这样可以手动将事先开有螺纹的传感器固定在不同位置的螺栓孔上。同时可根据试验具体工况确定传感器支架1布置位置；传感器保护装置2由3层有机玻璃刻制而成，内嵌400目/英寸的ICr18Nig滤网3和厚度为5mm的透水石4，传感器的探头外侧为透水石4，透水石4另一侧为滤网3。传感器保护装置2套在传感器外面，用来保护传感器不受损坏；以防止由于土颗粒过细导致传感器损坏。本实施例中采用的传感器包括孔隙传感器、压力传感器、加速度传感器。
上述具体实施方式用来解释说明本发明，仅为本发明的优选实施例，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改、等同替换、改进等，都落入本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种基于三维波流港池试验的海底滑坡评价方法，其特征在于：所述基于三维波流港池试验的海底滑坡评价方法包括三维地形重构，结构性软粘土的制备以及三维波流港池试验；
其中，三维地形重构包括试验比尺的确定、三维地形数据搜集与绘制、动床区域选择、三维地形放样与施工；
结构性软粘土的制备可通过向海洋软土中掺入硅酸盐525水泥并加水至软土的2倍液限，然后在真空条件下搅拌均匀获得，其中硅酸盐525水泥的加入量为软土颗粒质量的2％；
三维波流港池试验包括动床填筑、传感器标定与安装；结合波流港池，可研究由三维波流、坡脚冲刷以及快速沉积三者耦合对海底滑坡的影响；
试验比尺的确定是根据现场地形条件以及波流港池设备条件进行确定的；试验比尺依据弗洛德数相等的重力相似原则确定，几何比尺为nL，波高H比尺nH、波周期T比尺nT及流速v比尺nv之间的关系如下：
nH＝nL
nT＝nL 0.5
nv＝nL 0.5
三维地形数据搜集与绘制是搜集滑坡现场的多波束扫测结果以及浅地层剖面结果，根据滑坡现场的多波束扫测结果可绘制出现场三维地形图以及地形等高线图；
动床区域选择是根据现场三维地形图确定关键滑坡区域，此区域为填筑人工制备的结构性软粘土的区域；
三维地形放样与施工过程中，三维地形放样为对按照试验比尺缩放的现场地形等高线图进行网格剖分：动床区域采用0.5*0.5米的正方形网格剖分，其他区域采用1*1米的网格剖分；网格剖分后在地形等高线图上形成横向剖面、纵向剖面，对这些剖面进行编号；放样时首先要确定整个地形布置在港池中的平面位置，然后根据地形上的点距离已编号剖面的横向、纵向距离来确定地形位置，然后将地形放样至三维波流港池中；三维地形施工时在动床区域的两个侧面以及后面预先按照地形高程设计制作挡墙，以防止填筑的软粘土四处流动；三维地形施工是先根据三维地形放样的结果，按照整个现场地形的高程在港池中制作刚性三维地形，地形制作完成后需在水下浸泡2天，然后进行定床波流条件率定；率定完成后将动床区域刚性地形拆除，此区域即为动床填筑区域；
动床填筑为：将制备好的结构性软粘土填筑至动床填筑区域，然后在软土表层将地形变化情况重新放线制作，保证整个地形的完整性和真实性；然后向港池中注水至完全淹没软粘土，使其在水下自重固结2天。
2.根据权利要求1所述的基于三维波流港池试验的海底滑坡评价方法，其特征在于：结构性软粘土的制备具体包括如下步骤：首先，将海洋软土以30-40r/min的转速搅拌均匀，然后测定软土含水率，根据软土含水率确定加入水泥和水的质量；加水至软土2倍液限，在真空条件下以30-40r/min的转速搅拌3小时，然后加入硅酸盐525水泥，在真空条件下以30-40r/min的转速搅拌1小时得到结构性软粘土。
3.根据权利要求1所述的基于三维波流港池试验的海底滑坡评价方法，其特征在于：传感器安装在传感器支架上，传感器外部还套有传感器保护装置，所述传感器保护装置用于保护传感器不受损坏；所述的传感器支架固定于港池动床底部指定位置。
4.根据权利要求3所述的基于三维波流港池试验的海底滑坡评价方法，其特征在于：传感器支架由扁钢条和空心圆管垂直焊接组成，所述空心圆管上固定有传感器。
5.根据权利要求3所述的基于三维波流港池试验的海底滑坡评价方法，其特征在于：传感器保护装置由3层有机玻璃刻制而成，内嵌滤网和透水石。
6.根据权利要求5所述的基于三维波流港池试验的海底滑坡评价方法，其特征在于：滤网为400目/英寸的ICr18Nig，透水石的厚度为5mm。
7.根据权利要求1所述的基于三维波流港池试验的海底滑坡评价方法，其特征在于：波流港池为大型波流港池，长70米宽40米，具有L型造波装置；造波装置总长度90m，是由造波单元采用固定与移动相结合得到的结构，其中56m造波单元固定在一边，另外34m造波单元可根据实验需求灵活配置，实现多达三个方向的规则波、多向不规则波的模拟。
8.根据权利要求1所述的基于三维波流港池试验的海底滑坡评价方法，其特征在于：可以通过坡脚开挖以及动床区域坡顶加载的方式模拟坡脚冲刷和快速沉积效应对海底滑坡的影响。
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