考虑不同影响因素的珊瑚岛礁场地地震响应分析

珊瑚岛礁场地在强地震条件下的稳定性是开展基础设施建设的首要挑战,而由于珊瑚岛礁海洋工程地质以及钙质砂动力特殊性,系统而深入地研究强震条件下珊瑚岛礁动力响应是进行场地地震稳定性评价的关键。文中基于UPFs在ANSYS软件中嵌入了模拟远场辐射阻尼和珊瑚砂非线性动力特性的用户子程序,建立了珊瑚岛礁场地地震响应分析时域计算模型,进而分别考虑地震动、相对密实度和有效围压3种因素,从加速度放大特性、加速度反应谱、加速度峰值变化以及相对位移等方面探究不同因素对珊瑚岛礁场地地震响应的影响规律。计算结果表明:珊瑚岛礁场地对长周期频谱有滤波作用,相对密实度和有效围压对岛礁场地的地震响应有一定影响,所建立模型表现出良好的适用性。

珊瑚岛礁淡水透镜体三维数值模拟研究

淡水透镜体是珊瑚岛礁上宝贵的淡水资源。为准确模拟淡水透镜体的动力学特性及其受降雨的影响,构建了西沙永兴岛淡水透镜体三维数学模型。根据试验和现场勘测获得的水文地质参数,运用有限差分法和VisualModflow对模型进行数值求解,获得了透镜体内淡水流向、水头分布、过渡带厚度与淡水贮量的季节变化。计算结果表明,以氯离子浓度600mg/L等值面为透镜体的包络面,永兴岛淡水透镜体最大厚度为16.9m,最大厚度处过渡带厚度为8.3m。透镜体淡水贮量4月最小、9月最大,9月淡水贮量较4月多8.5%。与降雨量变化相比,淡水贮量变化滞后1～2个月。本项成果可用于制定淡水透镜体的开采策略,为实现珊瑚岛地下淡水资源的持续开发利用提供参考。

雨量变化对珊瑚岛礁淡水透镜体的影响

为探索雨量变化对珊瑚岛礁淡水透镜体的影响,应用质量守恒、Darcy定律和Ghy-ben-Herzberg比率,推导了珊瑚岛礁淡水透镜体的数学模型。根据西沙地区1989年—1998年10年的月均降雨量及最高、最低年降雨量,用有限差分法计算了永兴岛淡水透镜体的外型和贮水量的变化。结果表明,永兴岛淡水贮量4月最小,10月最大,相差值为4月贮水量的10.5%,而10年间降雨量最大和最小年淡水透镜体贮量与平水年相比,分别多16.8%和少7.2%,这一结果可用于制定淡水透镜体的开采战略,实现淡水资源的安全、科学、持续开发利用。

珊瑚岛礁工程地球物理方法初探

梳理了国内珊瑚岛礁岩土工程物探调查的现状,结合钻孔原位测试,采用成熟的物探方法对珊瑚岛礁进行综合地球物理勘探,说明了各种物探方法的场地适应性和效果。主动源面波探测效果好,面波视速度剖面很好地反映了珊瑚碎屑层与礁灰岩的地层层序;水域地震反射波对外礁坪、向海坡、外海的沉积层界面反映清晰,发现某岛礁的西南、东北端的水底形态不对称,沉积层差异大,可能与珊瑚礁成长的海洋水动力环境有关。孔内电阻率原位测试数据表明,松散珊瑚碎屑层与礁灰岩的电阻率差异很小,在同一数量级,总体上无法采用电法类勘探方法进行地质分层。

潮汐流影响下珊瑚岛礁附近波浪传播变形和增水试验

为揭示潮汐流影响下珊瑚岛礁附近波浪的运动特征,通过波流水槽试验对潮汐流存在下规则波的传播变形和增水规律进行了研究,测试了一系列的潮汐流流量并对比正向流、反向流以及无流的情况。研究结果表明:反向流使波浪破碎点向远海侧移动,正向流则使其向海岸侧移动,反向流存在时破碎带内的湍流较正向流时更为剧烈;反向流时破碎点附近入射波能量由主频波向高次谐波发生转移更为显著;潮汐流的存在对波浪反射、透射和能量耗散并无明显影响;正向流造成礁坪上波浪增水减少,反向流则促进增水的增长,增水最大值与潮汐流流量间存在显著的线性关系。研究成果可望为岛礁工程的建设和维护提供一定的理论参考。

基于Navier-Stokes方程珊瑚岛礁附近孤立波传播变形数值模拟

为了分析珊瑚岛礁附近的孤立波的传播变形特征,本文基于Navier-Stokes方程利用Open FOAM开源程序包建立三维波浪数值水槽,数值模型采用大涡模拟法(LES)模拟湍流和修正的流体体积法(VOF)捕捉自由液面,并通过文献中的实验数据进行了模型验证。相较于传统的沿水深积分的Boussinesq模型,该模型可以更为准确地模拟水平流速的垂向分布,并且对波浪破碎和干湿交界线的模拟不需要人为的干预。研究发现所采用的模型能够合理的模拟孤立波在珊瑚礁礁前斜坡上的浅化、礁缘附近的破碎以及破碎波在礁坪上的演化过程,并能适应礁前斜坡坡度和礁坪淹没水深的变化以及礁冠存在的情况。研究结果为进一步认识珊瑚礁对海啸灾害的防御作用提供参考。

珊瑚岛礁场地非线性地震反应特征分析

南海珊瑚岛礁的地震安全问题是一个亟需解决的基础性科学问题。以某南海珊瑚岛礁为研究对象,开展了16组饱和珊瑚砂试样的动三轴试验,发现采用修正Matasovic本构模型描述珊瑚砂的动剪切模量折减和阻尼比增长特性是适宜的,并给出了相应的模型参数。详细考虑岛礁场地的工程地质特性和珊瑚砂的动力非线性特性、自由场非均匀网格划分和人工边界条件,尤其强调了土体应力–应变滞回曲线的不规则加卸载准则,建立珊瑚砂岛礁场地的二维非线性地震反应分析模型,分析了珊瑚岛礁场地峰值加速度放大系数的空间变异特征、地表加速度反应谱的谱形与持时特征。结果表明:①峰值加速度随场地高程的增加总体上呈增大的趋势,10 m以浅放大效应显著,灰沙岛和港池区域尤为显著;②基岩输入地震动频谱特性对珊瑚岛礁地表谱加速度的谱形影响显著,地表谱加速度在周期小于0.7 s部分的反应非常显著。③地表地震动持时较之输入地震动持时均有所减小,地形地貌特征对地表地震动持时有一定程度的影响。该研究结果对南海类似珊瑚砂岛礁军事和民事功能设施的抗震分析具有借鉴意义。

中国南海珊瑚岛礁第四系覆盖层钻探取心技术

中国南海珊瑚岛礁拥有巨大的资源潜力和科研价值。珊瑚岛礁第四系覆盖层结构为珊瑚砂和珊瑚骨架的松散堆积物,无胶结,钻探取心、成井极端困难。通过南海诸岛礁数百口钻井的施工实践,总结出“套管连续跟进干钻取心技术”,工艺要点为4个步骤循环操作,称为“四步法”。使用该技术:①能确保珊瑚岛礁第四系覆盖层岩心采取率达到95%以上,并基本保持岩心原状性;②能实现在珊瑚岛礁第四系覆盖层中不使用泥浆护壁情况下安全钻进成井,达到避免地层过水通道堵塞、满足抽水试验要求的效果。研究成果对于珊瑚岛礁钻探具有重要的借鉴作用。

珊瑚岛礁淡水透镜体的生物修复研究

运用半模理论，研制了高1．2m、直径1.5m的半圆柱体实验平台，对受到有机污染的珊瑚岛礁淡水透镜体进行原位曝气生物修复研究。研究了溶解氧（Dissolved Oxygen，DO）在地下水中的分布规律及脱色和化学耗氧量（Chemical oxygcn demand，COD）的去除效果。结果表明：（1）径向上，在主流区半径R为0．2～0．5m的范围内，DO的质量浓度随R的增大而增大。R〉0．5m，DO的质量浓度随R的增大而降低。垂向上，DO的质量浓度随高度的增大而迅速增大。（2）地下水色度和COD均随曝气时间的增加而降低，色度为40度、COD为96mg／L的原水，曝气18d后，色度均不超过15度，曝气30d后，色度不超过10度，COD为21～36mg／L。以色度不超过15度作为修复的标准，修复区半径R达0．7m，修复区高度H为0．9m。（3）修复1m^3的上述原水和1．3m^3土壤所需的空气量约为211m^3。

中国南海珊瑚岛礁泻湖砂层钻探取心技术

中国南海珊瑚岛礁拥有巨大的资源潜力和科研价值。科学钻探是珊瑚岛礁研究工作中获取地层资料的重要技术手段。南海珊瑚岛礁地下普遍存在多层厚层泻湖砂层,主要结构为无胶结或轻微胶结的细粒珊瑚砂,这种层位钻探取心极端困难,是影响钻探成果的主要难题之一。南海两个岛礁所实施的3口千米以上深井施工过程中,为解决泻湖砂层钻探取心难题,在分析泻湖砂层性状的基础上,综合研究钻具合理选用、钻进参数控制、钻井液性能控制等钻探工程核心内容,形成了较完整的适用于泻湖砂层钻探取心的“多要素组合钻探取心技术”。使用该技术能确保珊瑚岛礁泻湖砂层岩心采取率达到95%以上,并基本保持岩心原状性。该研究成果对于珊瑚岛礁钻探具有重要的借鉴作用。

珊瑚岛礁海岸多尺度波流运动特性研究新进展

珊瑚岛礁海岸波流动力复杂、地貌形态特殊、工程响应未知,波浪传播变形和波生环流对建筑物安全、地形地貌演变、防灾减灾和生态环境保护都有重要影响。本文从大范围大洋海脊导波与岛礁波浪俘获、中等尺度的礁坪-潟湖-裂口系统波流特性、建筑物前沿的局部波流特性及工程响应等三种不同空间尺度上综述了波流运动特性研究的新进展,主要包括深水大范围的海脊波浪引导与岛礁波浪俘获的理论解析、礁坪-潟湖-裂口系统整体物理模型实验、基于大水槽实验的建筑物影响下波流演化过程及越浪量和波浪力计算方法,并提出亟需深入研究的重点内容。

珊瑚岛礁CBERS-02B与资源二号融合影像的质量评价

南海海域分布着众多珊瑚岛礁,鉴于其蕴含着巨大的经济、军事和生态等价值,我国越来越重视对珊瑚岛礁的调查、监测和研究。在调查任务的推动下,选取国产中巴资源卫星-02B(CBERS-02B)多光谱影像与资源二号(ZY-2)全色影像数据,对其影像的质量进行评价研究,可验证其能否应用于珊瑚岛礁的监测。以西沙群岛中的珊瑚岛为例,应用主成分分析(PCA)、Brovey变换、乘积变换3种常用融合方法,对国产自主卫星CBERS-02B与资源二号影像进行了融合试验,并采用主观与客观相结合的评价方式,与国际主流的卫星SPOT-5自身融合影像进行对比分析。CBERS-02B、资源二号融合影像与SPOT-5融合影像质量对比分析结果表明:目视效果来看,SPOT-5卫星数据较高的分辨率使其融合影像的分辨能力明显高于CBERS-02B与资源二号融合影像。但在光谱信息方面,CBERS-02B与资源二号融合影像对绿色植被的分辨具有优势,有利于植被目视识别。客观统计指标显示,与SPOT-5融合影像相比,CBERS-02B与资源二号融合影像绿光波段灰度平均值较高,红光和近红外波段灰度平均值较低;两组融合影像的标准差相差不大;从影像的熵来看,CBERS-02B与资源二号融合影像的熵值较高;而平均梯度和相关系数低于SPOT-5融合影像。总体而言,由于受到空间分辨率的限制,CBERS-02B与资源二号融合影像目视效果逊于SPOT-5自身融合影像,但在空间细节分辨能力方面具有优势,能够反映出更多的光谱特征,尤其是对植被的光谱差异反映细腻。

古代中国探测南海珊瑚岛礁的历史意义

古代探测南海珊瑚岛礁是中国发现、管理和开发南海诸岛的重要组成部分,这一漫长历史活动集航海技术、渔民生产、岛礁地貌、海洋生态、领土主权于一体,是古代中国开发利用南海诸岛的重要历史证据。从属性来看,南海珊瑚岛礁的发现、管理和开发在古代中国历史中不断演进,古代中国各朝代对南海珊瑚岛礁管理既一脉相承,又独具特色,形成了中国南海多元、丰富多彩的海洋文化历史画卷;从归属来看,南海珊瑚岛礁的管理和开发推动了古代中国各个更替朝代在海洋领域发展的历史演进,历代中国人民在南海诸岛生产生活,进而推动南海诸岛主权归属很早进入中国领土版图的渊源历史;从主体来看,历史发展形成了多层次而又具传承性的南海珊瑚岛礁主体,南海问题发展中也应将南海珊瑚岛礁视为一个历史发展主体,它既拥有自身独特的历史发展积淀,又面临着颇具争议的南海问题。

珊瑚岛礁岩土工程特性研究

通过对珊瑚岛礁有关资料的研究,介绍了珊瑚的生长环境和珊瑚岛礁的形成过程,对礁坪的生物格架支撑结构作了进一步探讨,提出了珊瑚岛礁岩土工程特性的评价原则和方法,进行了合理的工程地质分区和地层划分,并对珊瑚岛礁的岩土工程特性进行了较详细的论述和评价,本研究成果对今后进一步研究珊瑚岛礁的岩土工程特性具有一定的借鉴意义。

南海珊瑚岛礁水域浅层地震反射波勘探

在南海某珊瑚岛礁的工程勘察中,采用快速高效的浅层水域地震反射波勘探方法配合钻探进行联合勘察,将钻孔的"点"与物探的"线"结合起来,相互对比、佐证,进行综合解释,查明了岛礁珊瑚松散沉积物的厚度、基岩起伏形态及大范围内的连续地质剖面。勘探结果为岛礁岩土工程性状调查、水文地质调查以及工程建设提供了可靠的地质依据和设计参数,取得了理想的效果。水域地震反射波对岛礁的不同地貌单元内礁坪、向海坡、潟湖、外海的沉积层界面反映清晰,但在外礁坪区域由于现代海滩岩的发育,声波较难穿透。

中国南海珊瑚岛礁钻探技术

中国南海珊瑚岛礁拥有巨大的资源潜力和科研价值。2013—2017年,贵州省地矿局一一五地质大队配合中国科学院在南海诸岛礁实施科研钻井数百口,施工过程中,合理解决了远离大陆封闭环境中的各种特殊困难,攻克了"珊瑚岛礁松散珊瑚砂层抽水试验成井下管"、"珊瑚岛礁第四系覆盖层钻探取心"、"珊瑚岛礁泻湖砂层钻探取心"、"珊瑚岛礁钻探事故预防与处理"等重要技术难题,形成了一套成熟完整的适用于岛礁勘查的钻探技术工艺体系,开我国岛礁钻探工程实践之先河。该技术体系能保证岛礁钻探工程安全和质量,对于我国今后岛礁勘查具有重要的指导意义。

高分一号卫星眼中的西沙群岛珊瑚岛礁

西沙群岛位于南海的西北部,海南岛东南面210km处,主体部分处于北纬15°40′至17°10′,东经110°至113°之间,在我国南海诸岛中拥有的岛屿最多,岛屿面积最大,海拔最高;同时拥有我国最具代表性的珊瑚礁生态系统,珊瑚种类多、珊瑚分布广。

基于高分一号卫星影像的珊瑚岛礁分类方法

在国内外学者对珊瑚岛礁分类体系的研究的基础上,提出了一种适用范围较广的分类体系,利用高分一号多光谱卫星数据,对西沙群岛华光礁和盘石屿进行了最小距离、马氏距离、最大似然、神经网络、支持向量机等基于像元的监督分类和使用面向对象分类,并对分类结果进行精度评估。两次实验结果表明,支持向量机和面向对象分类方法精度较高,且面向对象分类方法具有更好的目视效果,在一定程度上能满足当前珊瑚岛礁信息提取的需要。

吹填珊瑚岛礁钙质软泥的渗透特性试验研究

钙质软泥作为吹填珊瑚地基土的一部分,其渗透特性对于岛礁工程的建设具有重要意义。基于GDSPERM全自动环境岩土渗透试验系统对南海某岛礁钙质软泥进行系列固结渗透联合试验,探究孔隙比、固结历史、固结压力、水力梯度和孔隙液离子浓度对钙质软泥渗透特性的影响,并对钙质软泥孔隙比与渗透系数之间的非线性关系进行拟合分析,得出钙质软泥的系列渗透规律。结果表明:钙质软泥的渗透系数约为10-6 cm/s,且不随水力梯度的变化而变化,存在初始水力梯度;固结历史对钙质软泥渗透性有较大影响,在孔隙比相同的条件下,未经固结的土样呈现出更低的渗透性能;钙质软泥的渗透系数随固结压力的增大而减小,减小幅度不超过一个数量级;随着孔隙比的增大,钙质软泥的渗透系数也相应增大,两者呈非线性关系,“lg[k v(1+e)]-lg e”模型拟合效果较好,为适用于钙质软泥的最优非线性渗透模型;钙质软泥的渗透系数随孔隙液NaCl浓度的增大而减小。

珊瑚岛礁海域场地地震反应分析

基于南海某岛礁的实际工程地质剖面图建立了海水-岛礁-地震耦合的岛礁模型,利用FLAC有限差分方法,分析了是否考虑海水作用2种情况下水平输入海底地震动时岛礁的场地地震反应规律。结果表明:①灰砂岛PGA放大效应显著,灰砂岛及外礁坪角点处PGA放大效应取得极大或极小值;②考虑流固耦合及岛礁外部海水动力作用后,岛礁场地地震反应呈现与不考虑海水作用基本持平或降低的趋势;③岛礁水平向加速度放大系数整体随输入地震动峰值的增大而减小,随着砂层深度的减小总体呈增大趋势。