[口头报告]液化海床内埋置线缆的破坏机制与防护措施研究

液化海床内埋置线缆的破坏机制与防护措施研究
编号:3809 稿件编号:2906 访问权限:私有 更新:2023-04-19 09:45:28 浏览:309次 口头报告

报告开始:2023年05月07日 11:46 (Asia/Shanghai)

报告时间:8min

所在会议:[3A] 3A、地质灾害与工程地质 » [3A-2] 3A-2 地质灾害与工程地质

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摘要
       当前对于海洋油气资源的开发利用主要集中在近岸区域,通过海上石油平台的形式将开采出的石油输送到岸上,为了维持海上石油平台的运作,往往需要铺设大量管道和线缆。近岸区域的水深较浅,在风暴潮等的极端天气条件下海床受到的动力作用尤其强烈。同时,对于黄河三角洲这样的河口区域,大量含水量高的松软沉积物在此堆积,致使海床的工程性质较差,在水动力作用下非常容易发生失稳。波致液化作为一种重要的海床失稳形式,对埋置管道、线缆等海洋结构物的危害十分巨大。
       以往研究多关注于液化海床内埋置管道的破坏问题,破坏原因为埋置结构物与液化土体之间的密度差异所导致的上浮/下沉;而对于埋置线缆这样的柔性结构物,液化土体丧失承载力后,除了因自重作用下沉外,还会因为刚性较小,在波动的液化土体裹挟下,随之同样作椭圆轨迹的往复运动。由于液化区域呈块状分布,处于未液化海床内的线缆为固定端,而其处于液化区域边缘处的部分,便会因往复运动发生往复弯折,长时间作用下必然发生金属疲劳,导致强度下降。埋置线缆在液化海床中应当存在直接破坏模式和疲劳破坏模式两种破坏模式。
       对于2003年埕岛海域电缆断裂事件,根据浅地层剖面探测结果,分析认为是由海床液化导致,但是海床液化导致电缆破坏的作用机制并不明确。本研究首先通过数值仿真手段,定性分析了埋置线缆在液化海床中的受力规律,确定了线缆布置方向与来波方向相互垂直时,线缆的受力状态最危险;然后在建立埋置线缆在液化土体内受力的计算公式的基础上,对2003年埕岛海域电缆断裂事故的原因进行具体分析。
       海床液化后,线缆在自重作用下发生下沉,此时其形状近似于悬链线,因此基于悬链线公式建立受力计算公式,并通过Morison公式计算液化土体作用力,计算结果与水槽试验结果较为吻合;此外,线缆在液化海床内存在未触底和触底两种情况,未触底情况可以直接通过公式计算,触底情况则需要先通过悬链线公式计算出触底段和非触底段长度。
       在海床未发生液化的情况下,波浪所导致的小变形响应不足以使线缆发生破坏,2003年埕岛海域电缆破坏应为液化所致;通过悬链线计算方法进一步分析,结果表明,彼时海床液化以后,电缆发生了触底,且电缆的余量应处于0.007%到1%之间;在假设电缆实际余量为0.05%的条件下,仅由线缆的自重所形成的端部张力为55.35 kN,考虑液化土体波动施加的作用力后,该值上升为57.81 kN,两者均小于电缆原始抗拉强度,说明彼时线缆的破坏模式并不符合直接破坏模式;假设电缆受液化土体影响,在往复弯折之下其抗拉强度降低至原始强度的一半,此时便会发生断裂,因此更符合疲劳破坏模式。
       在解决方法方面,目前常采用的置换土体、砼板联排等手段成本高且效果不稳定,因此本文提供了基于全新思路的,而且更为节约的解决方法——桩基固定法。由于埋置线缆在液化海床内存在未触底和触底两种情况,因此提出了等距离布设防护桩和非等距离布设防护桩两种桩基固定方法。对于2003年埕岛海域电缆断裂事故,采用等距离布设法需要20根防护桩,而采用非等距离布设法仅需要2根防护桩,成本更低,因而后者更适合于解决该事故。
关键字
波致液化,粉质土,埋置线缆,悬链线公式,桩基固定
报告人
李猛
中国海洋大学

稿件作者
李猛 中国海洋大学
许国辉 中国海洋大学
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