CN114841092A - 海底沉管隧道基槽边坡回淤稳定性分析方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种海底沉管隧道基槽边坡回淤稳定性分析方法及系统，该方法包括步骤：S1，设置波流场数值参数以构造波浪，获取作用在沉管隧道基槽内外的海床表面的动水压力；S2，设置回淤层和基槽海床的岩土分析参数，构建基槽附近海床岩土模型，并将动水压力施加在海床岩土模型上；S3，基于所述基槽附近海床岩土模型，对海床及边坡上部回淤层采用强度折减法，并获得最危险时刻的安全系数FOS清淤前；S4，设置不同数值的清淤坡率，对步骤S2中回淤层的岩土分析参数进行相应修改，对海床及边坡上部回淤层采用强度折减法，并获得最危险时刻的安全系数FOS清淤后。本发明可以定量评价海洋环境下回淤和清淤对基槽边坡稳定性的影响。
Description
技术领域
本发明属于海洋工程灾害评价技术领域，尤其涉及一种海底沉管隧道基槽边坡回淤稳定性分析方法及系统。
背景技术
海底基槽边坡稳定性分析是海底沉管隧道设计和施工中的一个重要部分，因为它直接影响到水下工程土方开挖量以及沉管沉放之后回填量。随着我国港珠澳大桥、深中通道等大型跨海隧道的陆续建造，复杂地质条件和水力条件下的海底基槽边坡稳定性越来越多地受到关注。通常情况下，在保障施工安全和质量的前提下，增加开挖边坡的坡率，可以有效地减小开挖量，减少海床扰动，对海洋生态环境保护有利，因此在经济和生态方面有着重要意义。
在近海工程中，水下基槽开挖完成后，作用在基槽边坡上的作用力，除了海床自身的重力，还有复杂海洋环境下的水动力。因此，海底边坡和陆地上边坡的一个主要区别是波浪和海流的影响，这也是海底天然边坡坡率较陆地边坡显著平缓的原因，如挪威Storegga滑坡坡角为0.55°～1.32°，我国南海北部陆坡(存在较多滑坡发育)坡角为3.0°。通常而言，波浪中流体的周期运动会导致在波峰和波谷下方产生压力差，进一步改变土体内的孔隙压力大小和分布。过去的研究大部分关注与水平海床在波浪荷载下的动力响应和稳定性。受限于研究和评价方法，波浪荷载作用下人工海底(基槽)边坡的稳定性的相关研究并不多。现有研究大多集中在静水条件下的边坡稳定性，考虑海洋环境中波浪或海流动荷载影响的研究十分有限。
同时，跨海沉管隧道的回淤强度大，晾槽时间长，若回淤物在垫层施工或沉管结构沉放期间发生滑塌，将会严重威胁沉管隧道的安全。如何通过设置合理坡率以保证基槽边坡在清淤前后的安全性成为跨海沉管隧道需要重点研究的课题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种海底沉管隧道基槽边坡回淤稳定性分析方法及系统。
一方面，本发明提供了一种海底沉管隧道基槽边坡回淤稳定性分析方法，包括以下步骤：
S1，设置波流场数值参数以构造波浪，并进行流体动力分析，以获取作用在沉管隧道基槽内海床表面的动水压力和沉管隧道基槽外海床表面的动水压力；
S2，设置回淤层和基槽海床的岩土分析参数，构建基槽附近海床岩土模型，并将步骤S1中计算得到的动水压力施加在海床岩土模型上；
S3，基于所述基槽附近海床岩土模型，对海床及边坡上部回淤层采用强度折减法，分别分析不同时刻隧道基槽边坡以及边坡上回淤物在清淤之前的稳定性，并获得最危险时刻的安全系数FOS清淤前；
S4，设置不同数值的清淤坡率，对步骤S2中回淤层的岩土分析参数进行相应修改，对海床及边坡上部回淤层采用强度折减法，分别分析不同时刻隧道基槽边坡以及边坡上回淤物在清淤之后的稳定性，并获得最危险时刻的安全系数FOS清淤后。
进一步地，还包括步骤S5，从不同清淤坡率下得到的不同FOS清淤后中，找出一个能满足规范要求的FOS清淤后，并将其对应的清淤坡率作为最优清淤坡率。
另一方面，本发明提供了一种海底沉管隧道基槽边坡回淤稳定性分析系统，包括：
波流场数值分析构建模块，用于设置波流场数值参数以构造波浪，并进行流体动力分析，以获取作用在沉管隧道基槽内海床表面的动水压力和沉管隧道基槽外海床表面的动水压力；
海床岩土模型构建模块，用于设置回淤层和基槽海床的岩土分析参数，构建基槽附近海床岩土模型，并将步骤S1中计算得到的动水压力施加在海床岩土模型上；
清淤前稳定性分析模块，用于基于所述基槽附近海床岩土模型，对海床及边坡上部回淤层采用强度折减法，分别分析不同时刻隧道基槽边坡以及边坡上回淤物在清淤之前的稳定性，并获得最危险时刻的安全系数FOS清淤前；
清淤后稳定性分析模块，用于设置不同数值的清淤坡率，对步骤S2中回淤层的岩土分析参数进行相应修改，对海床及边坡上部回淤层采用强度折减法，分别分析不同时刻隧道基槽边坡以及边坡上回淤物在清淤之后的稳定性，并获得最危险时刻的安全系数FOS清淤后。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)现有技术通常只能够考虑海床自重应力和海水静水压力，本发明除此之外，还能定量地考虑海床上覆海水的波浪和海流荷载对海底沉管隧道基槽边坡稳定性，以及上覆海水压力在海床内部孔隙产生渗流压力的影响，更准确地考虑真实的海洋环境特点。
(2)本发明能够考虑覆盖有回淤层的海底基槽边坡3种潜在破坏形式，即破坏面仅发生在基槽边坡上覆回淤层、破坏面仅发生在原海床边坡内部、破坏面同时发生在原海床边坡内和上覆回淤层，并确定其中最有可能发生的模式(即安全系数最小值)，将其对应的安全系数作为基槽边坡回淤稳定性的最终评价指标。
(3)本发明可以分别计算得到海底沉管隧道基槽边坡经过晾槽回淤完成后(清淤前)以及经过清淤处理完成后(隧道管节准备沉放前)的稳定性指标，更贴合实际情况地进行了数值模拟，具有较强的实用性。
本发明还具有的其他优势请见实施例部分的相关描述。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中海底沉管隧道基槽边坡回淤稳定性分析方法的流程框图；
图2(a)和图2(b)分别为本发明实施例中建立的清淤前和清淤后波浪-海流作用下海底沉管隧道基槽边坡的几何模型示意图；
图3为图1中步骤2的细化流程图；
图4为图1中步骤3的细化流程图；
图5为本发明实施例中淤泥层平均厚度为2m时边坡安全系数随波峰和坡顶之间相对距离(D)的变化示意图；
图6为本发明实施例中三种不同失稳模式下安全系数随着回淤层厚度(l)的变化示意图；
图7(a)、(b)、(c)、(d)分别为本发明实施例中不同回淤厚度下基槽边坡的滑坡位移(单位：m)示意图；
图8为图1中步骤4的细化流程图；
图9为本发明实施例中不同清淤坡率(1:m’)下安全系数随回淤层厚度(l)的变化示意图。
图10为本发明实施例中海底沉管隧道基槽边坡回淤稳定性分析系统的组成框图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行详细描述：
如图1所示，本实施例中提供了一种海底沉管隧道基槽边坡回淤稳定性分析方法，包括以下步骤：
S1，设置波流场数值参数，包括水深、波浪高度、波浪周期、流速、基槽坡率、基槽底部宽度和基槽深度，以构造波浪，并进行流体动力分析，以获取作用在沉管隧道基槽内海床表面的动水压力和沉管隧道基槽外海床表面的动水压力。
试验例中波流场分析采用的参数如下表1所示。
表1
| 参数 | 数值 | 单位 |
| 水深 | 15 | m |
| 波浪周期 | 6 | s |
| 波浪高度 | 4 | m |
| 基槽深度 | 20 | m |
| 坡率 | 1:5 | |
| 流速 | 0 | m/s |
| 基槽底宽度 | 34 | m |
需要说明的是，本发明是通过对海底沉管隧道基槽边坡回淤稳定性分析，继而获得最优的坡率，以便实际施工时按照最优坡率执行。因此本步骤是根据实际采集的数据构造波浪进行真实环境模拟。
本实施例选用了Flow-3D有限元软件进行流体动力分析，图2(a)和(b)中海床位于波传播区域下方，流体运动的雷诺平均方程(Reynolds-averaged Navier-Stokesequations，RANS)控制，海水自由表面运动采用VOF(Volume of Fluid)方法计算，通过Flow-3D有限元软件可以方便快速地计算出沉管隧道基槽内海床表面的动水压力和沉管隧道基槽外海床表面的动水压力。
S2，设置回淤层和基槽海床的岩土分析参数，构建基槽附近海床岩土模型，并将步骤S1中计算得到的动水压力施加在海床岩土模型上。
S3，基于所述基槽附近海床岩土模型，对海床及边坡上部回淤层采用强度折减法，分别分析不同时刻隧道基槽边坡以及边坡上回淤物在清淤之前的稳定性，并获得最危险时刻的安全系数FOS清淤前。
需要说明的是，因为波浪是沿着一个方向传播，因此此处的“不同时刻”采用“波峰到坡顶的不同距离”来表示。
S4，设置不同数值的清淤坡率，对步骤S2中回淤层的岩土分析参数进行相应修改，对海床及边坡上部回淤层采用强度折减法，分别分析不同时刻隧道基槽边坡以及边坡上回淤物在清淤之后的稳定性，并获得最危险时刻的安全系数FOS清淤后。
需要说明的是，本步骤是在模拟分析清淤的影响，因此只对回淤层的参数进行修改，通过设置不同数值的清淤坡率，边坡上部回淤层发生变化了，一部分淤泥被清理了。清淤的目的是为了方便后面隧道施工，因为淤泥存在是不利于施工的，因此本步骤需要模拟分析清淤的影响。
设置不同数值的清淤坡率，然后对应修改不同清淤坡率下的回淤层参数，然后采用和步骤S3相同方法进行强度折减计算，得到最危险时刻的安全系数FOS清淤后。不同清淤坡率下会得到不同的FOS清淤后，然后找到一个能满足规范要求的FOS清淤后对应的最优清淤坡率，实际施工时以这个最优清淤坡率为指导，可以减小开挖量，节省成本的同时又避免破环环境。
本实施例中，如图3所示，步骤S2具体通过以下细节步骤实现：
S21：本实施例选用COMSOL Multiphysics有限元软件模拟分析海床岩土体的稳定性，采用莫尔-库伦本构描述土体行为，设置计算域海床宽度、海床厚度、土体参数(主要包括剪切模量、泊松比、弹性模量、渗透系数、浮重度、有效内聚力、有效内摩擦角)、回淤土层平均厚度等。其中，计算域包括回淤层和基槽海床，土体参数是从现场获取海底土样，再通过室内土力学试验得到。
试验例中岩土分析采用的参数如下表2所示。
表2
S22：通过饱和土的固结理论，建立海床在沉管隧道基槽开挖后的应力重分布状态，并将此作为海床初始状态，以便后续分析所用。
S23：提取步骤S1中计算得到的隧道基槽影响范围内的海床表面动水压力，并将其按照一定时间间隔，分步施加在隧道基槽影响范围内的相应海床表面，满足海水动水压力与海床内孔隙水压力连续。
S24：采用达西定律计算出多孔介质海床孔隙中的渗流压力，并将此作为步骤S3分析所需的海床内力。
传统的强度折减法对整个边坡(包括边坡上部土体)都进行强度折减，本发明进行了改进，是分别采用三种折减法，即S3-01～S3-03，然后取最小值。
具体的，如图4所示，步骤S3具体包括以下细节步骤：
S31：将步骤S2中渗流压力设置为海床内力，并假设原海床边坡土体强度指标不变，采用强度折减法仅对边坡上部回淤层土体的抗剪强度指标进行折减，将海底边坡的特征点位移或应变拐点作为判断边坡是否失稳的依据，失稳时刻的安全系数即为该时刻的边坡安全系数，计算得到不同时刻隧道基槽边坡的一系列安全系数以及坡上回淤物的一系列安全系数，如图5所示，再将安全系数最小值作为整体稳定性指标FOS1，可见波浪荷载显著降低了海底边坡的稳定性。
S32：将步骤S2中渗流压力设置为海床内力，并假设边坡上部回淤层土体强度指标不变，采用强度折减法仅对原海床边坡土体的抗剪强度指标进行折减，计算得到不同时刻隧道基槽边坡的一系列安全系数以及坡上回淤物的一系列安全系数，再将安全系数最小值作为整体稳定系数FOS2。
S33：将步骤S2中渗流压力设置为海床内力，并采用强度折减法同时对边坡上部回淤层土体和原海床边坡土体的抗剪强度指标进行折减，计算得到不同时刻隧道基槽边坡的一系列安全系数以及坡上回淤物的一系列安全系数，再将安全系数最小值作为整体稳定系数FOS3。
步骤S3-02和S3-03中的折减计算方法同步骤S3-01。
S34：取最小值min(FOS1、FOS2、FOS3)作为清淤之前基槽边坡回淤稳定性的评价指标FOS清淤前。
FOS是Factor of Safety的缩写，就是安全系数，一般规范要求FOS>一个值，比如1.5。
如图6所示，给出了步骤S3-01、S3-02、S3-03这三种不同失稳模式下安全系数随着回淤层厚度(l)的变化情况，FOS清淤前取FOS1、FOS2、FOS3这三者之中最小值。如图7(a)、图7(b)、图7(c)、图7(d)所示，进一步给出了本实施例中不同回淤厚度下基槽边坡的海床边坡土体位移(单位：m)。
本实施例中，如图8所示，步骤S4通过以下细节步骤实现：
S41：设置不同数值的清淤坡率，并对S2步骤中回淤层的岩土分析参数进行相应修改。每设置一个清淤坡率，就需要对回淤层的岩土分析参数进行相应修改。
S42：假设原海床边坡土体强度指标不变，采用强度折减法仅对基槽上部回淤层土体的抗剪强度指标进行折减，将海底边坡的特征点位移或应变拐点作为判断边坡是否失稳的依据，失稳时刻的安全系数即为该时刻的边坡安全系数，分别分析不同时刻隧道基槽边坡以及边坡上回淤物在清淤之后的整体稳定系数FOS1’。
本步骤以及后续步骤S4-03、S4-04中，均是在得到不同时刻隧道基槽边坡以及坡上回淤物的一系列安全系数后，再将安全系数最小值作为整体稳定性系数指标。
S43：假设基槽上部回淤层土体强度指标不变，采用强度折减法仅对原海床边坡土体的抗剪强度指标进行折减，得到清淤之后的整体稳定系数FOS2’。
S44：采用强度折减法同时对基槽上部回淤层土体和原海床边坡土体的抗剪强度指标进行折减，得到清淤之后的整体稳定系数FOS3’。
S45：取最小值min(FOS1’、FOS2’、FOS3’)作为清淤之后基槽边坡回淤稳定性的评价指标FOS清淤后。
图9给出了采用不同清淤坡率(1:m’)进行清淤时，安全系数随回淤层厚度(l)的变化结果。
如图10所示，基于相同的发明构思，本实施例中同时提供了一种海底沉管隧道基槽边坡回淤稳定性分析系统，包括：
波流场数值分析构建模块，用于设置波流场数值参数以构造波浪，并进行流体动力分析，以获取作用在沉管隧道基槽内海床表面的动水压力和沉管隧道基槽外海床表面的动水压力；
海床岩土模型构建模块，用于设置回淤层和基槽海床的岩土分析参数，构建基槽附近海床岩土模型，并将步骤S1中计算得到的动水压力施加在海床岩土模型上；
清淤前稳定性分析模块，用于基于所述基槽附近海床岩土模型，对海床及边坡上部回淤层采用强度折减法，分别分析不同时刻隧道基槽边坡以及边坡上回淤物在清淤之前的稳定性，并获得最危险时刻的安全系数FOS清淤前；
清淤后稳定性分析模块，用于设置不同数值的清淤坡率，对步骤S2中回淤层的岩土分析参数进行相应修改，对海床及边坡上部回淤层采用强度折减法，分别分析不同时刻隧道基槽边坡以及边坡上回淤物在清淤之后的稳定性，并获得最危险时刻的安全系数FOS清淤后。
更具体地，所述海床岩土模型构建模块包括：
参数设置子模块，用于采用莫尔-库伦本构描述土体行为，设置回淤层和基槽海床的岩土分析参数，包括海床宽度、海床厚度、土体参数、回淤土层平均厚度；
海床初始状态分析子模块，用于通过饱和土的固结理论，建立海床在沉管隧道基槽开挖后的应力重分布状态，并将此作为海床初始状态；
动水压力施加子模块，用于提取隧道基槽影响范围内的海床表面动水压力，并将其按照一定时间间隔，分步施加在隧道基槽影响范围内的相应海床表面，满足海水动水压力与海床内孔隙水压力连续；
渗流压力分析子模块，用于采用达西定律计算出多孔介质海床孔隙中的渗流压力，并将此作为步骤S3中分析所需的海床内力。
更具体地，所述清淤前稳定性分析模块包括：
清淤前第一折减分析子模块，将步骤S2中渗流压力设置为海床内力，并用于假设原海床边坡土体强度指标不变，采用强度折减法仅对边坡上部回淤层土体的抗剪强度指标进行折减，将海底边坡的特征点位移或应变拐点作为判断边坡是否失稳的依据，失稳时刻的安全系数即为该时刻的边坡安全系数，计算得到不同时刻隧道基槽边坡的一系列安全系数以及坡上回淤物的一系列安全系数，再将安全系数最小值作为整体稳定性指标FOS1；
清淤前第二折减分析子模块，将步骤S2中渗流压力设置为海床内力，并用于假设边坡上部回淤层土体强度指标不变，采用强度折减法仅对原海床边坡土体的抗剪强度指标进行折减，计算得到不同时刻隧道基槽边坡的一系列安全系数以及坡上回淤物的一系列安全系数，再将安全系数最小值作为整体稳定系数FOS2；
清淤前第三折减分析子模块，将步骤S2中渗流压力设置为海床内力，并用于采用强度折减法同时对边坡上部回淤层土体和原海床边坡土体的抗剪强度指标进行折减，计算得到不同时刻隧道基槽边坡的一系列安全系数以及坡上回淤物的一系列安全系数，再将安全系数最小值作为整体稳定系数FOS3；
清淤前稳定性取值子模块，用于取FOS1、FOS2、FOS3中的最小值作为清淤之前基槽边坡回淤稳定性的评价指标FOS清淤前。
更具体地，所述清淤后稳定性分析模块包括：
参数修改子模块，用于设置不同数值的清淤坡率，并对S2步骤中回淤层的岩土分析参数进行相应修改；
清淤后第一折减分析子模块，用于假设原海床边坡土体强度指标不变，采用强度折减法仅对基槽上部回淤层土体的抗剪强度指标进行折减，将海底边坡的特征点位移或应变拐点作为判断边坡是否失稳的依据，失稳时刻的安全系数即为该时刻的边坡安全系数，计算得到不同时刻隧道基槽边坡的一系列安全系数以及坡上回淤物的一系列安全系数，再将安全系数最小值作为清淤之后的整体稳定系数FOS1’；
清淤后第二折减分析子模块，用于假设基槽上部回淤层土体强度指标不变，采用强度折减法仅对原海床边坡土体的抗剪强度指标进行折减，计算得到不同时刻隧道基槽边坡的一系列安全系数以及坡上回淤物的一系列安全系数，再将安全系数最小值作为清淤之后的整体稳定系数FOS2’；
清淤后第三折减分析子模块，用于采用强度折减法同时对基槽上部回淤层土体和原海床边坡土体的抗剪强度指标进行折减，计算得到不同时刻隧道基槽边坡的一系列安全系数以及坡上回淤物的一系列安全系数，再将安全系数最小值作为清淤之后的整体稳定系数FOS3’；
清淤后稳定性取值子模块，用于取FOS1’、FOS2’、FOS3’中的最小值作为清淤之后基槽边坡回淤稳定性的评价指标FOS清淤后。
需要注意的是，本系统是基于前述方法相同的发明构思而进行，系统中各个模块的具体实现方式及原理请参见前述方法中的相关内容，此处不再赘述。
以上所述实施例，仅为本发明具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改、替换和改进等等，这些修改、替换和改进都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种海底沉管隧道基槽边坡回淤稳定性分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，设置波流场数值参数以构造波浪，并进行流体动力分析，以获取作用在沉管隧道基槽内海床表面的动水压力和沉管隧道基槽外海床表面的动水压力；
S2，设置回淤层和基槽海床的岩土分析参数，构建基槽附近海床岩土模型，并将步骤S1中计算得到的动水压力施加在海床岩土模型上；
S3，基于所述基槽附近海床岩土模型，对海床及边坡上部回淤层采用强度折减法，分别分析不同时刻隧道基槽边坡以及边坡上回淤物在清淤之前的稳定性，并获得最危险时刻的安全系数FOS清淤前；
S4，设置不同数值的清淤坡率，对步骤S2中回淤层的岩土分析参数进行相应修改，对海床及边坡上部回淤层采用强度折减法，分别分析不同时刻隧道基槽边坡以及边坡上回淤物在清淤之后的稳定性，并获得最危险时刻的安全系数FOS清淤后。
2.根据权利要求1所述的一种海底沉管隧道基槽边坡回淤稳定性分析方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述波流场数值参数包括水深、波浪高度、波浪周期、流速、基槽坡率、基槽底部宽度和基槽深度。
3.根据权利要求1所述的一种海底沉管隧道基槽边坡回淤稳定性分析方法，其特征在于，所述步骤S2包括：
S2-01：采用莫尔-库伦本构描述土体行为，设置回淤层和基槽海床的岩土分析参数，包括海床宽度、海床厚度、土体参数、回淤土层平均厚度；
S2-02：通过饱和土的固结理论，建立海床在沉管隧道基槽开挖后的应力重分布状态，并将此作为海床初始状态；
S2-03：提取步骤S1中计算得到的隧道基槽影响范围内的海床表面动水压力，并将其按照一定时间间隔，分步施加在隧道基槽影响范围内的相应海床表面，满足海水动水压力与海床内孔隙水压力连续；
S2-04：采用达西定律计算出多孔介质海床孔隙中的渗流压力，并将此作为步骤S3中分析所需的海床内力。
4.根据权利要求3所述的一种海底沉管隧道基槽边坡回淤稳定性分析方法，其特征在于，所述步骤S3包括：
S3-01：将步骤S2中渗流压力设置为海床内力，并假设原海床边坡土体强度指标不变，采用强度折减法仅对边坡上部回淤层土体的抗剪强度指标进行折减，将海底边坡的特征点位移或应变拐点作为判断边坡是否失稳的依据，失稳时刻的安全系数即为该时刻的边坡安全系数，计算得到不同时刻隧道基槽边坡的一系列安全系数以及坡上回淤物的一系列安全系数，再将安全系数最小值作为整体稳定性指标FOS1；
S3-02：将步骤S2中渗流压力设置为海床内力，并假设边坡上部回淤层土体强度指标不变，采用强度折减法仅对原海床边坡土体的抗剪强度指标进行折减，计算得到不同时刻隧道基槽边坡的一系列安全系数以及坡上回淤物的一系列安全系数，再将安全系数最小值作为整体稳定系数FOS2；
S3-03：将步骤S2中渗流压力设置为海床内力，并采用强度折减法同时对边坡上部回淤层土体和原海床边坡土体的抗剪强度指标进行折减，计算得到不同时刻隧道基槽边坡的一系列安全系数以及坡上回淤物的一系列安全系数，再将安全系数最小值作为整体稳定系数FOS3；
S3-04：取FOS1、FOS2、FOS3中的最小值作为清淤之前基槽边坡回淤稳定性的评价指标FOS清淤前。
5.根据权利要求1所述的一种海底沉管隧道基槽边坡回淤稳定性分析方法，其特征在于，所述步骤S4包括：
S4-01：设置不同数值的清淤坡率，并对S2步骤中回淤层的岩土分析参数进行相应修改；
S4-02：假设原海床边坡土体强度指标不变，采用强度折减法仅对基槽上部回淤层土体的抗剪强度指标进行折减，将海底边坡的特征点位移或应变拐点作为判断边坡是否失稳的依据，失稳时刻的安全系数即为该时刻的边坡安全系数，计算得到不同时刻隧道基槽边坡的一系列安全系数以及坡上回淤物的一系列安全系数，再将安全系数最小值作为清淤之后的整体稳定系数FOS1’；
S4-03：假设基槽上部回淤层土体强度指标不变，采用强度折减法仅对原海床边坡土体的抗剪强度指标进行折减，计算得到不同时刻隧道基槽边坡的一系列安全系数以及坡上回淤物的一系列安全系数，再将安全系数最小值作为清淤之后的整体稳定系数FOS2’；
S4-04：采用强度折减法同时对基槽上部回淤层土体和原海床边坡土体的抗剪强度指标进行折减，计算得到不同时刻隧道基槽边坡的一系列安全系数以及坡上回淤物的一系列安全系数，再将安全系数最小值作为清淤之后的整体稳定系数FOS3’；
S4-05：取FOS1’、FOS2’、FOS3’中的最小值作为清淤之后基槽边坡回淤稳定性的评价指标FOS清淤后。
6.根据权利要求5所述的一种海底沉管隧道基槽边坡回淤稳定性分析方法，其特征在于，还包括步骤S5，从不同清淤坡率下得到的不同FOS清淤后中，找出一个满足规范要求的FOS清淤后，并将其对应的清淤坡率作为最优清淤坡率。
7.一种海底沉管隧道基槽边坡回淤稳定性分析系统，其特征在于，包括：
波流场数值分析构建模块，用于设置波流场数值参数以构造波浪，并进行流体动力分析，以获取作用在沉管隧道基槽内海床表面的动水压力和沉管隧道基槽外海床表面的动水压力；
海床岩土模型构建模块，用于设置回淤层和基槽海床的岩土分析参数，构建基槽附近海床岩土模型，并将步骤S1中计算得到的动水压力施加在海床岩土模型上；
清淤前稳定性分析模块，用于基于所述基槽附近海床岩土模型，对海床及边坡上部回淤层采用强度折减法，分别分析不同时刻隧道基槽边坡以及边坡上回淤物在清淤之前的稳定性，并获得最危险时刻的安全系数FOS清淤前；
清淤后稳定性分析模块，用于设置不同数值的清淤坡率，对步骤S2中回淤层的岩土分析参数进行相应修改，对海床及边坡上部回淤层采用强度折减法，分别分析不同时刻隧道基槽边坡以及边坡上回淤物在清淤之后的稳定性，并获得最危险时刻的安全系数FOS清淤后。
8.根据权利要求7所述的一种海底沉管隧道基槽边坡回淤稳定性分析系统，其特征在于，所述海床岩土模型构建模块包括：
参数设置子模块，用于采用莫尔-库伦本构描述土体行为，设置回淤层和基槽海床的岩土分析参数，包括海床宽度、海床厚度、土体参数、回淤土层平均厚度；
海床初始状态分析子模块，用于通过饱和土的固结理论，建立海床在沉管隧道基槽开挖后的应力重分布状态，并将此作为海床初始状态；
动水压力施加子模块，用于提取隧道基槽影响范围内的海床表面动水压力，并将其按照一定时间间隔，分步施加在隧道基槽影响范围内的相应海床表面，满足海水动水压力与海床内孔隙水压力连续；
渗流压力分析子模块，用于采用达西定律计算出多孔介质海床孔隙中的渗流压力，并将此作为步骤S3中分析所需的海床内力。
9.根据权利要求8所述的一种海底沉管隧道基槽边坡回淤稳定性分析系统，其特征在于，所述清淤前稳定性分析模块包括：
清淤前第一折减分析子模块，用于假设原海床边坡土体强度指标不变，将步骤S2中渗流压力设置为海床内力，并采用强度折减法仅对边坡上部回淤层土体的抗剪强度指标进行折减，将海底边坡的特征点位移或应变拐点作为判断边坡是否失稳的依据，失稳时刻的安全系数即为该时刻的边坡安全系数，计算得到不同时刻隧道基槽边坡的一系列安全系数以及坡上回淤物的一系列安全系数，再将安全系数最小值作为整体稳定性指标FOS1；
清淤前第二折减分析子模块，用于假设边坡上部回淤层土体强度指标不变，将步骤S2中渗流压力设置为海床内力，并采用强度折减法仅对原海床边坡土体的抗剪强度指标进行折减，计算得到不同时刻隧道基槽边坡的一系列安全系数以及坡上回淤物的一系列安全系数，再将安全系数最小值作为整体稳定系数FOS2；
清淤前第三折减分析子模块，用于采用强度折减法同时对边坡上部回淤层土体和原海床边坡土体的抗剪强度指标进行折减，将步骤S2中渗流压力设置为海床内力，计算得到不同时刻隧道基槽边坡的一系列安全系数以及坡上回淤物的一系列安全系数，再将安全系数最小值作为整体稳定系数FOS3；
清淤前稳定性取值子模块，用于取FOS1、FOS2、FOS3中的最小值作为清淤之前基槽边坡回淤稳定性的评价指标FOS清淤前。
10.根据权利要求7所述的一种海底沉管隧道基槽边坡回淤稳定性分析系统，其特征在于，所述清淤后稳定性分析模块包括：
参数修改子模块，用于设置不同数值的清淤坡率，并对S2步骤中回淤层的岩土分析参数进行相应修改；
清淤后第一折减分析子模块，用于假设原海床边坡土体强度指标不变，采用强度折减法仅对基槽上部回淤层土体的抗剪强度指标进行折减，将海底边坡的特征点位移或应变拐点作为判断边坡是否失稳的依据，失稳时刻的安全系数即为该时刻的边坡安全系数，计算得到不同时刻隧道基槽边坡的一系列安全系数以及坡上回淤物的一系列安全系数，再将安全系数最小值作为清淤之后的整体稳定系数FOS1’；
清淤后第二折减分析子模块，用于假设基槽上部回淤层土体强度指标不变，采用强度折减法仅对原海床边坡土体的抗剪强度指标进行折减，计算得到不同时刻隧道基槽边坡的一系列安全系数以及坡上回淤物的一系列安全系数，再将安全系数最小值作为清淤之后的整体稳定系数FOS2’；
清淤后第三折减分析子模块，用于采用强度折减法同时对基槽上部回淤层土体和原海床边坡土体的抗剪强度指标进行折减，计算得到不同时刻隧道基槽边坡的一系列安全系数以及坡上回淤物的一系列安全系数，再将安全系数最小值作为清淤之后的整体稳定系数FOS3’；
清淤后稳定性取值子模块，用于取FOS1’、FOS2’、FOS3’中的最小值作为清淤之后基槽边坡回淤稳定性的评价指标FOS清淤后。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115630557A (zh) * | 2022-12-20 | 2023-01-20 | 中交天津港湾工程研究院有限公司 | 一种沉管隧道管节安装中基槽回淤物剩余量的预测方法 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN110263449A (zh) * | 2019-06-25 | 2019-09-20 | 四川大学 | 一种滑体形变的滑坡涌浪的数值模拟方法 |
| CN112257140A (zh) * | 2020-09-16 | 2021-01-22 | 南京工业大学 | 一种海底边坡稳定性的安全系数计算方法 |
| CN113221335A (zh) * | 2021-04-21 | 2021-08-06 | 河海大学 | 弯曲河道中滑坡涌浪衰减后的浪高计算方法、装置及其存储介质 |
-
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| 曹影峰, 等: "深中通道沉管隧道基槽回淤及边坡稳定性研究", 《岩土工程学报》, vol. 42, no. 7, 31 July 2020 (2020-07-31), pages 1350 - 1358 * |
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| CN115630557A (zh) * | 2022-12-20 | 2023-01-20 | 中交天津港湾工程研究院有限公司 | 一种沉管隧道管节安装中基槽回淤物剩余量的预测方法 |
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