深中通道岛隧结合部波流特性及覆盖层稳定性试验研究

基于岛隧工程结合部与传统隧道、近岸陆地工程衔接存在明显差别,以及在设计上面临的新难题,为保证深中通道岛隧结合部沉管隧道覆盖层在极端恶劣条件下的安全性和可靠性,对结合部区域范围内波流特性和防护结构的稳定性进行了研究。通过开展物理模型试验,模拟了包括波浪和水流之间变化角度的水动力场,以及波流耦合作用护面块体稳定性;揭示了岛隧结合部波流耦合效应,总结了波高比(H_(s)′/H_(s))和流速比(U′/U)与相对流速(U/C)、波陡(H_(s)/L)、相对水深(d/L)和波流夹角(α)变化规律,并导出了相应的计算公式;同时通过多组试验对比优化,获得了护面块体最优稳定重量,导出了波流耦合作用下护面块体稳定重量的计算方法。研究结果不仅解决了深中通道重大工程的实际问题,也为今后海底沉管隧道覆盖层的建设提供基础数据和技术支撑。

苏北高液限土的工程特性试验研究

通过原位测试和室内试验等手段,对苏北高液限土的工程特性进行了研究。研究结果表明:高液限土的液限对分类定名、状态等物理性质有显著影响,含水量相同时,液限越高,土的状态越硬,高液限土的强度及承载力远高于同含水量的淤泥质土,高液限土的压缩系数大,压缩模量小,固结系数随液限的增大而减小。苏北地区高液限土具有高含水率、高压缩性、固结系数低、强度相对高的特点,必然会表现出不同于一般粘性土的工程性质,研究结论可为高液限土地基处理等岩土设计和研究提供参考。

岱山—洋山跨海通道水沙环境影响数值模拟研究

杭州湾是世界闻名的强潮河口,具有不规则的岸线边界、独特的地形地貌特征和复杂的水动力泥沙环境。岱山—洋山跨海通道位于杭州湾湾口水域,将岱山与洋山近35km连通,实现了上海—洋山—岱山—舟山—宁波跨海通道的全线贯通,其建设具有非常重要的意义。基于考虑波浪作用的潮流泥沙数值模型,讨论了岱山—洋山跨海通道几种工况对杭州湾大范围海域水沙环境的影响。研究结果表明:跨海通道实施后潮位变化在大桥轴线附近较为敏感,远离则基本没有影响,高低潮位变化幅度大多在2 cm以内。杭州湾涨落潮量减小小于0.6%。水流流态和水下地形仅在大桥附近水域存在明显变化。从对杭州湾水沙环境影响角度考虑,岱山—洋山跨海通道几种工况均可行,建议关注桥墩和人工岛附近的局部冲刷问题。

弹性胶囊振荡水柱式波能转换装置的水动力特性研究

波浪能是一种极具潜力的可再生能源。为推进波能资源的利用,开发具有应用前景的新型波能转换装置(WEC),提出了创新性的弹性胶囊振荡水柱式(EC-OWC)波能转换装置,设计建立了物理试验模型。通过膨胀波试验,研究了弹性胶囊的膨胀特性和自由膨胀波的运动特性;通过波浪试验,研究了装置与波浪耦合作用时的水动力性能,以及波浪和模型参数对系统振荡和波高放大比的影响。结果显示:装置内外水头差由0增加至30 cm时,自由膨胀波波速由约3.02 m/s减小至1.90 m/s,与一维纵波理论结果规律相符;相对水深在0.0644~0.0782范围内时,稳定后的波高放大比基本均超过4,其中相对水深值为0.0706时达到最大波高放大比6;波高放大比随相对水头的增大先增大后减小,相对水头值为6时达到最大波高放大比6.5;波高放大比在相对管长为1.77时达到最大值6.35。结果表明:一维纵波理论可为弹性胶囊的设计提供支撑;控制水头差可有效调整装置的自然振荡周期;当装置内外振荡周期相匹配时,系统达到近似共振,装置内部膨胀波为驻波,且当胶囊长度接近半波长时,波高放大比达到最大。通过对EC-OWC模型的初步水动力性能试验研究,展示了该装置的优越性能和共振特性,可为此类WEC的开发提供参考。

短峰畸形波生成、演化过程的外部特征研究

在实际海况中,由于波浪组分方向不同,使海浪常表现为三维短峰波,与二维长峰波相比,有诸多异同特征。为了研究三维畸形波生成和演化过程中异常大波的外部特征以及大波间的关联,本文采用色散和方向聚焦方法在物理水池中模拟了短峰畸形波的整个生成和演化过程。研究结果表明,生成和演化过程中出现的异常大波沿着方向分布函数峰值方向演化,具有一定程度“对称”特征;根据异常大波的特征参数可将该过程分成3~4个典型的阶段,这意味着可以根据异常大波的特征参数判断其所处阶段及预测其演化趋势;三维畸形波生成和演化过程可能会跳过“波群”或者“深谷”阶段,与二维畸形波相比,时−空范围较小,这意味着在三维波浪场中,与畸形波相关的深谷和波群的发生概率较低。

霍尔锚拖曳运动状态离心模型试验与数值模拟研究

对于平铺或浅埋在海床中的海底管道和电缆,意外的拖锚作业是影响其安全运营的重要因素之一。由于锚在土中的拖动过程中时刻发生着土的大变形和破坏,涉及材料非线性、几何非线性及接触非线性等诸多力学问题,通过解析的研究手段很难准确地分析拖锚过程。采用离心模型试验和数值分析相结合的手段展开拖锚研究,测试和计算了不同重量的船锚在不同类型海床上的运动趋势、拖曳力发展规律、入土深度等。结果表明,在低强度的黏性土海床上拖锚,极有可能会产生一种假抓底现象;在中高强度的黏性土海床上拖锚,锚的拖动过程可以分为土台形成阶段、锚爪楔入阶段和运动稳定阶段三个阶段;在无黏性土和黏性土海床上,达到稳定阶段时拖动的距离分别是锚长的4倍和1.27~1.96倍;对于质量大于6 t的霍尔锚,无论在黏性土海床还是非黏性土海床上,锚爪的入土深度均大于1 m,拖锚作业很有可能会对海管或海缆造成直接损坏,需要引起重视。

基于AFL的海上风电单桩基础冲刷动力响应研究

单桩式基础作为海上风电应用最为广泛的支撑型式,其周围普遍存在不同程度冲蚀。目前,海上风电基础冲刷后的结构动力响应研究较少考虑叶片、机舱、轮毂等细节特征,而是将上部结构简化为质点或静止状态,缺乏基础-结构-荷载一体化数值仿真方法,难以反映冲刷后风机结构振动规律。为此,依托菩提岛海上风电场,通过多波束扫测探明了单桩基础最大冲刷深度,基于AFL(等效嵌固长度)法考虑桩基柔性特征,计算不同冲刷深度下桩基等效嵌固长度,建立风、浪共同作用下风机仿真模型,揭示不同冲刷深度下单桩式海上风电动力响应规律。结果表明,现有桩基冲刷深度难以引起结构共振,且风机的整体振幅较小。塔架和桩基均在F-A(前后)向出现最大振幅,而S-S(侧)向和YAW(垂)向的位移幅值相对较小,故需要对F-A向振动进行重点监测。随着桩基局部冲刷深度增加,风机结构固有频率单调递减,当冲刷深度达到12 m,结构整体刚度不足,给出了海上风电单桩基础冲刷安全阈值。提出的单桩式海上风电动力响应分析方法可为工程中不同冲刷深度引起风机振动安全性评价提供依据。

人工岛与多工程影响下的潮流动力响应特征

人工岛常与连岛桥、海岸防护等工程构成复杂的人工岛工程系统,科学评估人工岛与多工程对周围海域潮流动力的影响,对海洋空间资源的开发与利用具有重要的指导意义。以海南三亚新机场工程为对象,建立了工程海域潮流数学模型,采用实测的潮位、流速、流向数据对模型进行了验证,模拟研究了人工岛、离岸潜堤和连岛桥等多工程作用下的潮流场响应特性。结果表明:工程海域的主体潮流特征为往复流,人工岛建设后其周围产生绕流,人工岛东北偏北和西南偏南两侧流速增大,西北偏西和东南偏东两侧形成缓流区,流速显著减小;弧形离岸潜堤修建后,其南北两侧由于绕流作用流速增大,弧内与东西两侧因阻水影响流速减小;连岛桥建设对潮流场的影响相对较小,主要表现为连岛桥背流侧的流速总体减小,而在人工岛与离岸潜堤的部分掩护区域,连岛桥则会导致流速有所增加。总体而言,在人工岛、离岸潜堤和连岛桥的共同作用下,工程海域潮流动力的时空变化将更为复杂,工程对不同位置处水流运动的影响规律存在明显的差异。

航道开挖对护岸结构影响的离心模型试验研究

为了研究航道开挖对新老护岸结构的影响,依托东宗线航道四改三工程,利用大型土工离心模型试验平台研究航道开挖对老挡墙护岸结构、新施工钢板桩的受力和变形特征的影响,得出航道开挖过程中板桩两侧土压力的分布规律。结果表明,随开挖深度增加,靠岸侧(主动侧)土压力逐渐减小;受板桩位移、变形及离心模型试验重液影响,临水侧(被动侧)土压力部分减小,底部土压力增大。开挖卸载导致老挡墙呈现向水侧移动且向后翻转的趋势。设计工况的极限开挖深度约为3.6 m,此时钢板桩顶部帽梁的水平位移达到0.069 m;对于6、8和10 m 3种长度的板桩,其极限开挖深度约为0.5~0.6倍桩长,且随着桩长增加极限开挖深度逐渐降低。研究得出不同板桩长度下开挖深度的阈值,可为工程建设提供技术参数。

板桩防波堤设计参数试验验证与规范对比研究

板桩防波堤是一种对深厚软土地基有较高适应性的防波堤结构,目前国内外应用较少。以某海外板桩防波堤工程为例,采用不规则波对不同水深处的防波堤断面开展设计波浪要素断面试验,判断护底块石、沙垫层稳定性,测量模型越浪量和防波堤迎浪侧所受波浪力分布,验证防波堤结构的安全性和合理性。最后将试验结果与国内外规范公式计算结果进行对比研究。结果表明,试验得到的波浪力及越浪结果偏于安全,防波堤设计高程合适;不同波浪状态下规范公式计算结果与试验值之间的差异不尽相同,进行具体工程设计时,需将规范公式计算与物理模型试验结合,力求设计参数合理,保证防波堤自身结构及掩护港区的安全性。

隧道开挖引起上部建筑物沉降的离心模型试验研究

地下隧道选线时,常不可避免的出现下穿建筑物的情况。为保证上部建筑物的安全稳定性,需要控制下穿隧道引起的建筑物基础的沉降。不同基础型式的建筑物在下穿隧道施工中,沉降变化不同。通过三维离心模型试验,研究了双管大型隧道开挖引起的浅基础办公楼和桩基础厂房的沉降情况。由于隧道开挖引起的应力释放,建筑物基础的实测沉降随隧道的开挖而增加。距离隧道开挖距离近的位置沉降值较大,距离开挖距离远的位置沉降值较小。桩基础厂房的沉降值都明显小于浅基础办公楼。而开挖近点的沉降值大于远点的沉降值,最大可相差2.8倍。开挖初期浅基础的不均匀沉降量明显高于桩基础,最大值可相差6倍。最终隧道开挖完成后,桩基础的不均匀沉降量小于浅基础。

跨海大桥沉井水中沉放流场及水流力模拟研究

水中沉放是设置沉井施工的重要环节,明晰沉放过程中周围流场结构及受力特性是开展沉井沉放施工的基本前提。文章以西堠门公铁两用跨海大桥#4墩嵌入式设置沉井为研究对象,通过采用数值模拟方法分析了沉井基坑开挖对周围流场的影响,研究了不同沉深及不同流速条件下的沉井内外流场形态与所受水流力,获得了绕流特征与沉井受力随沉深及流速的变化规律。结果表明:受沉井形态及基坑地形影响,三维绕流特性较为显著;入水沉放深度对竖向绕流形态、紊动强度等参量具有显著影响;不同来流速度下的绕流形态、流场速度分布规律、相对紊动强度较为一致;受尾涡脱落影响,沉井所受横、纵向水流力均会伴随一定幅值的波动,均值与沉深、来流速度具有较好的正相关关系;基坑的存在降低了沉井竖向阻塞作用,会减小沉井所受水流力。

长江上游典型碍航滩段航道整治数学模型及船舶仿真模拟研究

长江是重要的航运通道,碍航滩段对船舶安全航行造成严重影响,以长江涪陵至丰都老虎梁河段为研究对象,基于实测的水文地形资料,采用二维水流数学模型,对典型滩段的碍航特性、整治参数、整治方案进行了研究。基于二维水流数学模型及船舶操纵模拟,对整治方案的效果进行了评估,并确定窄深型挖槽方案为最优整治方案,为消除通航瓶颈、保障船舶安全和航道畅通提供技术支撑。

澜沧江水域溢油风险多级模糊综合评价研究

目前溢油风险评价研究多集中在海洋方面,受河流溢油事故风险源和风险受体复杂性影响,现有溢油风险评价方法难以满足多样性环境条件下河流溢油区域风险管理需要。从风险源危险性、控制机制有效性和风险受体敏感性等三个方面建立了澜沧江水域溢油风险多级评价指标体系,包含8个准则层指标和22个细化指标,构建了基于层次分析法的澜沧江水域溢油风险度量化计算方法,并由此得出中缅输油管道—糯扎渡电站、糯扎渡电站—思茅港、思茅港—景洪大坝、景洪大坝—景洪港、景洪港—关累港等不同区域的溢油风险值,为澜沧江溢油应急资源配备和应急防控提供依据。

基于港口码头安全的隧道埋置深度研究

本文依据江阴二通道隧道工程穿越了.码头及船坞,通过数值模拟试验来分析双隧道工程.与码头桩.基的影响.。当地层损失率为05%时,分别模拟了隧道顶部距离桩底的距离为100m、130m和160m的情况,研究结果表明,随着隧道与桩底距离的增加,隧道间及其上方土体均产生较大沉降,且最大地基沉降随隧道与桩底距离的增加而逐步递减.。码头桩基沿隧道各方向的位移在逐步.减小,最终桩基沿隧道横向最大.水平位移降低了156%,沿隧道纵向最大水平位移降低了64%,码头的最大沉降降低了196%。并且,在本次的数值模拟试验中,还得出码头模拟试验的影响范围为136m。

海南莺歌海渔业码头与岸滩整治修复方案研究

近20 a来莺歌海附近岸段一直存在着岸滩侵蚀现象。在利用实测资料分析莺歌海海域自然条件的基础上,采用理论计算和数学模型的方法,研究了莺歌海渔业码头与岸滩整治修复方案实施前后水流变化和岸线变化趋势等,为缓解莺歌海附近海岸侵蚀问题,实施海南莺歌海渔业码头与岸滩整治修复工程方案提供基本依据。研究结果表明:潮汐性质为不规则全日潮,潮汐强度较弱,潮流为规则全日潮流,运动形式以往复流为主,潮流流速较强,最大可达1.74 m/s以上;波浪以风浪为主,常浪向为SE向,强浪向为ESE向;海床表层沉积物以中细沙(MFS)为主,泥沙活跃性较强,在平均波浪条件下,床面泥沙完全起动水深集中在1.5 m水深以浅的水域;近岸水域存在明显的侵蚀,最大达到5 m左右;工程方案对海域流场会产生一定影响,渔港内明显存在环流和缓流,港区内流速明显减小;渔港南侧和整治工程之间水域、岸滩整治工程内部水域流速也明显减小;工程建成后,渔港码头北防波堤堤根处会形成向外淤涨,渔港南防波堤与岸滩整治工程之间区域也呈向外淤涨趋势,岸滩整治工程内部形成多个小弧形。

中长周期波作用下的斜坡堤胸墙波浪力试验研究

在印度洋、大西洋沿岸,海岸工程设计波浪周期多在14 s以上,具有显著的中长周期波特征。通过以往工程项目的试验结果发现中长周期波下,规范计算的斜坡堤胸墙波浪力明显小于试验结果。因此,通过系列物理模型试验研究了中长周期波下的斜坡堤胸墙波浪力。分析斜坡坡度、肩台宽度和波浪条件对胸墙波浪力的影响。通过将试验结果与我国现有规范中的经验公式计算所得结果进行对比,发现规范更适用于胸墙底淹没的情况,而对于肩台出水情况,规范计算结果小于试验结果。由此提出了一种新的波浪力计算方法,计算准确度得到明显提高。

输油管道在海底软土中的受力分析研究

利用离心模型试验、三维数值模拟方法和拟合公式方法对12寸输油管道的侧向管土相互作用问题开展研究。研究结果表明:不同工况条件下,管道侧向运动的土体抗力曲线均随位移呈现硬化型曲线。随着管重的增加,破土抗力增加。破土抗力方面,水压试验和操作工况比安装工况分别增加44.87%和18.72%;u/D=2.5时的侧向抗力,则分别约增加38.11%和13.05%。针对不同工况,基于前人研究成果进行公式参数的修正,得到了侧向运动条件下的土抗力计算方法,可以较好地反映实际工程的土抗力发挥情况。

三维畸形波生成、演化过程的试验研究

畸形波是一种具有能量集中、强非线性和宽谱等特征的波浪,会对船舶和海上工程结构和设备造成严重的危害,在其发生前后还可能伴随深谷和连续大波(波群)等灾难性异常波浪现象。因此除了畸形波外,与其相关的异常波浪也非常值得关注。在真实的海况中,波浪常具有多向或短峰等三维特征,其动力学特征与二维波浪有显著差异。本研究采用聚焦不同频率和方向组成波的方法,在试验水池中模拟三维畸形波的生成、演化过程,根据试验结果,分析三维畸形波生成、演化过程中出现的异常大波的演化特征以及异常大波间的关系。研究结果表明:三维畸形波生成、演化过程中出现的异常大波沿着方向分布函数峰值方向演化,具有对称特征;根据异常大波的特征参数可将该过程分成3~4个典型的阶段,即可根据异常大波的特征参数预测其演化趋势;与二维畸形波相比,三维畸形波生成、演化过程的时空范围较小,可能会跳过“大波群”或者“深谷”阶段,表明在真实的三维随机波浪场中,与畸形波相关联的深谷和大波群的发生概率会降低。

天津港大港港区LNG 船舶进出港通航时段研究

针对天津港大港港区LNG船舶的进出港时间问题,载运散装液化天然气的船舶不宜夜航。经计算统计,LNG船舶进港所需时间取4.5 h,全年均可满足LNG船在12:00进港,66.3%比例天数可满足LNG船在13:00进港,41.9%的天数可满足LNG船在14:00之前进港。LNG船舶出港所需时间取2.8 h,全年均可满足LNG船在14:00出港,58.6%比例的天数可满足LNG船在15:00出港,41.9%的天数可满足LNG船在15:30出港。