[发明专利]一种海底边坡稳定性的安全系数计算方法

说明书

本发明公开了一种海底边坡稳定性的安全系数计算方法，其包括：获取计算海域的波浪特征参数及海底土体强度参数；基于波浪动力特征和土体强度参数建立数值模型；分别基于数值造波和有限元强度折减法对波浪场动力模型和海底边坡数值模型进行分析，得到边坡稳定安全系数；基于波浪和边坡相对位置不同得到一定坡率下的稳定性变化分析估计。本发明可以估计水下边坡受波浪荷载下的稳定系数，为水下临时边坡施工坡率选择提供便利。本发明利用数值模拟计算的便利，基于不同的设计参数和计算工况，得到优化后的设计坡率。满足一定安全性要求的同时，减小整个基槽的土方开挖及回填量，一定程度上减少对海底自然生态环境的破坏。

技术领域

本发明涉及海底监测技术领域，尤其是一种海底边坡稳定性的安全系数计算方法。

背景技术

波浪荷载下水下人工边坡的稳定性判别是近海工程建设需要考虑的基本问题，如水下管道、防波堤和沉管隧道。水下边坡失稳问题在近海工程建设中是个常见问题，滑坡的发生往往伴随着边坡结构以及周围结构物的破坏。所提及的近海工程结构物、预埋式结构物通常在干坞预制完成后放置于海床沉积物开挖后的临时基槽中，之后进行回填。

由于人工开挖形成的基槽和水下边坡引起应力释放，新形成的边坡没有在波浪、海流、潮汐作用的作用下压实，因此稳定性相应较弱。同时，对于这些临时人工水下边坡的稳定性判别对工程安全性和经济性有很大影响。如坡率较大(较陡)的稳定边坡可以同时满足安全和经济合理要求，减小沉积物搬运回填量和海底生态环境扰动。

目前已有多种方法用于判别边坡稳定性，如极限平衡法(LEM)和强度折减法(SRM)。由于传统的极限平衡法不需要考虑土体内部复杂的应力-应变关系，已被广泛用于工程实践。而强度折减法的迅速发展得益于计算机技术的进步，其相较于极限平衡法有以下优点：不需要对内部剪应力成层分布进行假定，土体的力学性能表现可以被更合乎实际地描述。

强度折减法的定义为：在外荷载保持不变的情况下，边坡内土体所发挥的最大抗剪强度与外荷载在边坡内所产生的实际剪应力之比。这里定义的抗剪强度折减系数，与极限平衡分析中所定义的土坡稳定安全系数在本质上是一致的。处于极限滑动状态的滑动面满足摩尔-库伦强度准则，在对模型施加重力荷载和抗剪强度参数折减进而引起剪应变后，可以自动产生临界滑动面。更为重要的是，强度折减法不仅适用于具有复杂边界条件和复杂加载条件的地形，同时可以得到很多重要数据，如应力、位移和孔压。

数值分析方法是基于滑坡体内部应力、应变特征，通过本构模型来分析海底斜坡的变形和稳定性问题。常用的数值分析方法包括有限差分法、有限元法、边界元法等。数值方法的优点是可以得出斜坡内部各部位的稳定状态，可以描述应变和应力的发展过程，可以解释失稳发生的机制，还可以定量估计海底斜坡的稳定性。

开发一种海底人工边坡稳定性计算方法，采用强度折减法和有限元数值分析结合的手段对海底斜坡的失稳过程进行模拟。同时，基于动量源造波的有限元数值方法可以与海床边坡失稳判别形成耦合机制，对海底边坡失稳形态识别、失稳过程模拟进行全面的衡量。如此在行进波动水压力下的边坡稳定性定量判断、求解海底边坡失稳变形的演变过程，对近海工程建设和海底开采过程中的海底稳定性问题具有重要的指导价值和工程实践意义。

发明内容

发明目的：针对现有技术和方法中存在的不足，本发明拟解决的技术问题是提供一种海底临时边坡稳定性的计算方法，对近海工程人工开挖形成的海底边坡受波浪荷载影响下的稳定性进行定量分析。

技术方案：本发明提出一种海底边坡稳定性的安全系数计算方法，该方法包括以下步骤：

首先，构建波浪场动力模型，造波的波浪参数取自计算海域，包括波高、波周期、波长、水深、波向角，采用动量源造波实现模拟波浪传递区域的特征波浪形态，采用动网格和水平集方法实时捕捉自由水面；