海底管線拋石保護(hù)層的抗錨害能力涉及離散和連續(xù)兩種不同尺度介質(zhì)的相互作用。針對(duì)單獨(dú)使用連續(xù)體法或離散元法分析的不足,以室內(nèi)落錨實(shí)驗(yàn)為背景,采用有限差分法（FDM）模擬船錨和管線,采用離散單元法（Discrete Element Method,DEM）模擬拋石保護(hù)層,建立三者相互作用的耦合分析模型,并對(duì)該模型的船錨侵入位移和管線的側(cè)壁承壓進(jìn)行了計(jì)算,證明該耦合方法合理可行。以500kV海南聯(lián)網(wǎng)工程后續(xù)拋石保護(hù)工程為工程實(shí)例,通過DEM-FDM耦合計(jì)算定量得到了拋石保護(hù)層的抗錨害能力。結(jié)果表明,拋石保護(hù)層對(duì)管線抵抗船錨沖擊有較好的保護(hù)作用,并且該作用是通過堆石體內(nèi)部力鏈的形成、重組和穩(wěn)定過程實(shí)現(xiàn)的。 

【文章來源】：實(shí)驗(yàn)室研究與探索. 2020,39(08)北大核心

【文章頁數(shù)】：5 頁

【部分圖文】：

有限差分、離散元耦合計(jì)算流程圖

為了驗(yàn)證數(shù)值算法的正確性并評(píng)估誤差，本文設(shè)計(jì)了落錨的室內(nèi)縮尺實(shí)驗(yàn)，即將船錨起吊到不同高度并使之自由下落侵入拋石保護(hù)層，落錨位置在堆石體中間。實(shí)驗(yàn)過程中主要測量船錨侵入拋石保護(hù)層深度以及海纜表面的側(cè)壁壓力，并與理論值對(duì)比。為了研究不同落錨初始速度下拋石保護(hù)層的抗錨害能力，本文進(jìn)行了不同高度下的落錨實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)工況的豎直高度分別取0～3 m，間隔0.5 m，為了降低實(shí)驗(yàn)過程中偶然誤差的影響，同一落錨高度進(jìn)行3次獨(dú)立重復(fù)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果取3次實(shí)驗(yàn)的平均值。落錨時(shí)先用細(xì)鋼絲繩將船錨與吊車鐵鉤相連，然后將船錨起吊到相應(yīng)高度，待船錨靜止時(shí)，將鋼絲繩剪斷，這時(shí)船錨將自由落下侵入拋石保護(hù)層，待落錨完畢(測點(diǎn)壓力值不再變化)時(shí)，測量船錨的最終侵入深度，并在PC終端上保存測點(diǎn)處的應(yīng)力值，最后將船錨移開，重新堆積碎石到初始形狀，準(zhǔn)備下組實(shí)驗(yàn)。落錨實(shí)驗(yàn)如圖2所示。其中，離散介質(zhì)堆石體材料為粒徑10～20 mm的碎石，顆粒形態(tài)以四面體為主，重度約為27 kN/m3，近似服從均勻分布。數(shù)值計(jì)算方法中，堆石體顆粒的顆粒剛度和摩擦系數(shù)并未給出，因此這里需要補(bǔ)充側(cè)限壓縮實(shí)驗(yàn)和直剪實(shí)驗(yàn)測量這兩個(gè)參數(shù)[14]，通過實(shí)驗(yàn)可以測得實(shí)驗(yàn)用拋石顆粒的摩擦系數(shù)為0.46，剛度為2.87 GN/m。影響拋石保護(hù)層顆粒生成的因素很多，主要包括:顆粒級(jí)配曲線、顆粒邊數(shù)、位置坐標(biāo)等。依據(jù)每組顆粒尺寸的上界和下界，可以在此上下界區(qū)間均勻隨機(jī)取值直到顆粒含量滿足要求為止。本實(shí)驗(yàn)的堆石體設(shè)計(jì)成梯形截面:上底寬0.5 m，下底寬1 m，高0.5 m，堆石體縱向長2 m。根據(jù)以上方法就可以確定拋石保護(hù)層顆粒的含量、粒徑和邊數(shù)，再將顆粒在指定的區(qū)域內(nèi)均勻隨機(jī)投放直到符合要求為止，這樣就得到了拋石保護(hù)層顆粒在PFC3D中的堆積模擬試樣，如圖3所示。

其中，離散介質(zhì)堆石體材料為粒徑10～20 mm的碎石，顆粒形態(tài)以四面體為主，重度約為27 kN/m3，近似服從均勻分布。數(shù)值計(jì)算方法中，堆石體顆粒的顆粒剛度和摩擦系數(shù)并未給出，因此這里需要補(bǔ)充側(cè)限壓縮實(shí)驗(yàn)和直剪實(shí)驗(yàn)測量這兩個(gè)參數(shù)[14]，通過實(shí)驗(yàn)可以測得實(shí)驗(yàn)用拋石顆粒的摩擦系數(shù)為0.46，剛度為2.87 GN/m。影響拋石保護(hù)層顆粒生成的因素很多，主要包括:顆粒級(jí)配曲線、顆粒邊數(shù)、位置坐標(biāo)等。依據(jù)每組顆粒尺寸的上界和下界，可以在此上下界區(qū)間均勻隨機(jī)取值直到顆粒含量滿足要求為止。本實(shí)驗(yàn)的堆石體設(shè)計(jì)成梯形截面:上底寬0.5 m，下底寬1 m，高0.5 m，堆石體縱向長2 m。根據(jù)以上方法就可以確定拋石保護(hù)層顆粒的含量、粒徑和邊數(shù)，再將顆粒在指定的區(qū)域內(nèi)均勻隨機(jī)投放直到符合要求為止，這樣就得到了拋石保護(hù)層顆粒在PFC3D中的堆積模擬試樣，如圖3所示。海底管線屬于比較規(guī)則的連續(xù)體，可以直接在FLAC3D中建立有限差分模型，如圖4所示。

【參考文獻(xiàn)】：
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碩士論文
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