波浪荷载作用下海底滑坡触发机制及运移特征研究

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伴随国家“一带一路”与“海洋强国”战略的实施推进,我国海洋基础设施建设已进入蓬勃发展期。海底滑坡是威胁海洋基础设施安全建设及健康运营的地质灾害之一,具有覆盖范围广、影响面积大、致灾后果严重的特点,其触发机制、作用形式及破坏特征极为复杂。其中,近海海底滑坡触发因素统计显示,波浪荷载作用是滑坡成灾致灾的关键要素,因此针对近海海底滑坡灾害开展波浪荷载作用下灾害触发机制研究具有重要的理论意义和工程价值。本文依托朱家尖海底滑坡案例,采用室内实验、理论分析、模拟试验、数值模拟等多种研究方法,研究了波浪荷载作用下海底滑坡触发机制及运移特征,取得了一系列研究成果,如下所示:(1)调研了国内外海底滑坡方面的研究成果,特别是分析了大量国内外海底滑坡实例,总结了海底滑坡灾害的主要致灾模式、诱发条件及触发机制。针对性开展了本文依托项目所在朱家尖区域地质概况研究,分析了朱家尖海底滑坡破坏过程,研究了波浪荷载对海底斜坡土体作用形式,揭示了基于线性波理论及极限平衡分析法的朱家尖海底滑坡波浪荷载触发机制,研究结果表明朱家尖海底滑坡属于液化和剪切破坏耦合作用下引起的圆弧振荡破坏型海底滑坡。(2)针对海底滑坡模拟试验过程信息难以有效采集的问题,基于光纤光栅传感技术及光纤光栅传感器数值仿真优化,提出了适用于近海海底滑坡模拟试验监测的传感器技术参数优化方法,研发了具有高灵敏度、耐腐蚀性强的光纤光栅传感器。结合光纤传感波分复用技术,建立了模拟试验中传感器波分复用式组网方法。突破了近海海底滑坡灾变过程多元信息实时获取难题,为近海海底滑坡灾害现场监测提供了方法基础。(3)针对海底滑坡赋存环境复杂及难以现场捕捉导致的现场试验难以开展的问题,研发了近海海底滑坡模拟试验系统,实现了不同类型波浪荷载的精准施加,消除了传统试验装置存在的波浪反弹边界效应,实现了试验边界条件的精准施加。此外,搭配研发的光纤监测系统,实现了波浪荷载作用下近海海底滑坡前兆多元信息的实时获取,建立了可模拟多种海底滑坡灾害的大型物理模拟试验平台。(4)基于现场土体资料及相似理论,选配了与现场土体基础力学参数相近的相似材料。利用研制的近海海底滑坡模拟试验系统,搭配研发的光纤光栅监测系统,开展了不同波浪荷载条件下的近海海底滑坡模拟试验,实现了近海海底滑坡全过程模拟,获得了近海海底滑坡多元前兆信息。通过观察近海海底滑坡过程中的现象,渗压场、位移场及流速场的变化特征,发现了波浪荷载引起的近海海底滑坡受液化和剪切破坏耦合作用的控制,波浪作用导致近海海底斜坡内部孔隙水压力累积,降低了斜坡的抗剪强度,进而波浪作用产生的剪切应力驱动滑坡的发生。近海海底斜坡在波浪荷载的持续作用下坡脚位置最先发生破坏,海底滑坡主要发生于近海海底斜坡中部及以下位置。波浪荷载作用对近海海底斜坡位移和孔隙水压力同时产生影响,发生滑坡时位移与孔隙水压力都出现了突变的现象,但孔隙水压力突变时间早于位移突变时间约5s,通过时间相似比尺换算50:1的现场原型可得,现场孔隙水压力突变时间约早于海底滑坡发生时间30s。因此在开展现场海底滑坡监测时,可优先考虑孔隙水压力作为海底斜坡稳定性的评价指标。(5)针对波浪荷载作用下近海海底滑坡灾变机理与演化过程难题,为进一步模拟验证理论及模拟试验研究结果,建立了基于多相流理论的两相流模型,开展了基于模拟试验的近海海底滑坡的灾变演化过程模拟,验证了海底滑坡的灾变演化过程,探究了波浪荷载作用下近海海底斜坡运移特征。结果表明,波浪的周期和高度都会对近海海底滑坡的灾变过程及运移特征产生影响,伴随着波浪高度的增加近海海底斜坡失稳破坏所需时间延长,滑坡体运移距离增大;伴随着波浪周期的缩短近海海底斜坡失稳破坏过程加剧,但滑坡体运移距离缩短。
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