[发明专利]一种波致荷载作用下近海海床沉积物变形蠕动模拟方法、系统、设备及介质

说明书

本发明提供一种波致荷载作用下近海海床沉积物变形蠕动模拟方法、系统、设备及介质，所述方法包括：建立近海海底斜坡无网格离散的SPH粒子模型，对海水粒子与坡体沉积物粒子分别赋予物理力学参数；建立可准确模拟循环波致荷载作用的SPH造波方法以及可表征海床沉积物变形蠕动的本构方程；构建SPH框架下波浪作用与海床沉积物变形蠕动的流固耦合关系，最终实现波致荷载作用下近海海床沉积物变形蠕动的SPH模拟，有效判定波致荷载作用下海床沉积物的临界变形，以及确定波致荷载作用下近海海床滑坡的致滑时机。本发明使得海波水动力条件直接作用在海床沉积物上，可直观揭示海床沉积物的力学响应特征，同时构建海床沉积物变形与波浪作用形式的互馈机制。

技术领域

本发明属于海洋工程技术领域，尤其涉及一种波致荷载作用下近海海床沉积物变形蠕动模拟方法、系统、设备及介质。

背景技术

由于海洋地质条件多变，近岸波浪作用形式复杂，大规模离岸工程显著改变了近岸水动力条件，海上结构物与海床的耦合动力响应机制愈加复杂；加之，陆坡边缘存在天然的海底斜坡，斜坡上未固结的松软沉积物或有软弱结构面的岩石，在外动力触发条件下易发生沿斜坡中的软弱结构面滑动的现象，从而引发近海海底滑坡灾害。海底滑坡中滑坡体往往会发生长距离运移，对流经的海床区域带来明显的底部侵蚀，严重威胁离岸工程的结构稳定与安全；大规模的海底滑坡还会造成不同程度的海啸，对近岸造成重大生产与经济损失。因此，开展近海海底滑坡灾害主动防控研究具有迫切的现实需要。科学认知坡体致灾时机与演变过程是实现海底滑坡灾害主动防控的基础和前提，海底滑坡的灾变演化过程具有较为明显的阶段性特征。通常情况下，坡体变形蠕动到临界点时即可视为海底滑坡灾害的致滑时刻。

海底坡体不稳定性影响因素分为坡体内在条件和外动力触发因素，波浪循环荷载及波致剪切作用会带来海床沉积物的弹塑性变形或蠕动，也为滑坡灾害提供了坡体能量的累积，波浪为代表的水动力条件的突然改变最终触发海底滑坡灾害的发生。

目前，海底斜坡稳定性的模拟方法主要包括光滑有限元方法（S-FEM）、离散元-计算流体动力学方法（DEM-CFD/CFX）以及物质点法（MPM），这几种方法虽然简化了复杂的水动力条件作用形式，但是却难以精确的获取滑坡体初始破坏时刻及捕捉海波的界面特征，因此难以通过以上数值模拟方法再现复杂海波的循环荷载以及波致剪切作用的有效模拟，且海床沉积物波致荷载作用下的变形效果表征困难。

发明内容

本发明第一个目的在于，针对现有技术中存在的不足，提供一种波致荷载作用下近海海床沉积物变形蠕动模拟方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种波致荷载作用下近海海床沉积物变形蠕动模拟方法，包括如下步骤：

构建近海海底斜坡无网格离散的粒子模型；

根据实测数据得到海床表面波浪压力和坡体内部的超静孔隙水压力的变化规律，以此修正海波荷载作用的造波参数和波浪作用施加形式，并构建模拟循环波致荷载的造波方法和表征海床沉积物变形蠕动的本构方程；

根据造波方法与本构方程设置海床沉积物变形蠕动对海床表面压力的反馈因子，得到粒子模型下波浪作用与海床沉积物变形蠕动的流固耦合关系；

基于流固耦合关系进行波致荷载作用下近海海床沉积物变形蠕动的模拟，有效判定波致荷载作用下海床沉积物的临界变形，以及确定波致荷载作用下近海海床滑坡的致滑时机。

在采用上述技术方案的同时，本发明还可以采用或者组合采用如下技术方案：

作为本发明的一个优选技术方案：在近海海底斜坡无网格离散的粒子模型中，通过造波区域与消波区域设置速度无滑移边界粒子层，以造波区域推波板的循环运动产生不同波浪形式，以消波区域进行碎波以及消除波浪的回流，得到不同波浪荷载作用的推波板运动形式。