海冰對(duì)人工島護(hù)坡穩(wěn)定性影響的分析計(jì)算

穆 劍，苗文成

（中國(guó)石油勘探與生產(chǎn)公司，北京 100088）

海冰對(duì)人工島護(hù)坡穩(wěn)定性影響的分析計(jì)算

穆 劍，苗文成

（中國(guó)石油勘探與生產(chǎn)公司，北京 100088）

通過(guò)海冰與人工島護(hù)坡結(jié)構(gòu)相互作用的理論分析，對(duì)遼東灣某人工島護(hù)坡結(jié)構(gòu)抗冰穩(wěn)定性進(jìn)行了計(jì)算，并對(duì)影響抗冰穩(wěn)定性計(jì)算的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，1 t扭王字塊體和2 t扭王字塊體均滿足海冰作用下的穩(wěn)定性要求，300 kg護(hù)面塊石不能滿足海冰作用下的穩(wěn)定性要求；現(xiàn)有關(guān)于海冰與斜坡式人工島護(hù)坡結(jié)構(gòu)的計(jì)算方法偏于保守，有待于改進(jìn)。

海冰；灘海；人工島；護(hù)坡結(jié)構(gòu)；穩(wěn)定性

0 引言

作用在灘海結(jié)構(gòu)物上且對(duì)護(hù)坡結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響較大的環(huán)境荷載主要有：波浪荷載、海流荷載、冰荷載及地震荷載。海冰作為海洋與大氣相互作用的媒介，其形成機(jī)理及對(duì)構(gòu)筑物的作用過(guò)程，都依賴于工程所處的地理位置及海冰生成的海洋環(huán)境條件。同時(shí)由于海冰的產(chǎn)生，使復(fù)雜多變的海洋環(huán)境又增加了冰蓋動(dòng)力學(xué)、冰物理學(xué)以及與海洋工程設(shè)計(jì)相關(guān)的許多工程問(wèn)題，故工程區(qū)冰情輕重將直接影響海上油氣資源的勘探開(kāi)發(fā)和利用。

本文以遼東灣某人工島為例，闡述了海冰與人工島護(hù)坡結(jié)構(gòu)相互作用的機(jī)理，并對(duì)人工島工程護(hù)坡結(jié)構(gòu)進(jìn)行了抗冰穩(wěn)定性計(jì)算分析。

1 冰與人工島護(hù)坡相互作用機(jī)理

海冰與結(jié)構(gòu)物的相互作用是一個(gè)極為復(fù)雜、隨機(jī)的作用過(guò)程，各種作用形式共存，海冰的破壞方式為擠壓破壞、沖擊破壞、剪切破壞、彎曲破壞等多種破壞形式的綜合。大量的海冰基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)說(shuō)明，海冰是一種抗壓不抗彎的近脆性材料，因此在工程設(shè)計(jì)過(guò)程中可充分利用這一性質(zhì)。

冰排與斜面的相互作用是典型的彎曲破壞。作用過(guò)程為：首先，冰排以一定的速度撞擊到結(jié)構(gòu)斜面上，冰排與斜面接觸處發(fā)生局部破壞，斜面開(kāi)始承受冰力；接著，冰排繼續(xù)向前推進(jìn)，沿斜面向上挑起，形成一塊受彎板；隨著冰排進(jìn)一步的向前移動(dòng)，其被挑起的高度、幅度變大，表面出現(xiàn)徑向裂紋，邊緣出現(xiàn)一條很長(zhǎng)的弧形裂紋；在冰排和斜面結(jié)構(gòu)的繼續(xù)作用下，最終，弧形裂紋突然發(fā)生斷裂，被挑起的冰排沿徑向裂紋分裂成碎冰塊，碎冰塊或是從斜面體兩側(cè)滑落，或是沿斜面表面上爬后翻轉(zhuǎn)、滑落，這樣冰排與斜面結(jié)構(gòu)的一個(gè)相互作用過(guò)程就完成了。后續(xù)的冰排會(huì)繼續(xù)在環(huán)境荷載的作用下撞擊到斜面上，開(kāi)始下一個(gè)過(guò)程。

冰排破裂后形成冰塊，在后續(xù)冰板的推動(dòng)下，將沿斜面上爬。此時(shí)，作用于上爬冰塊上的力有摩擦力、冰塊重力和后續(xù)冰板的推力。對(duì)后續(xù)冰板而言，其作用力包括兩部分：一部分是冰板破裂所需的力，另一部分是已破裂的冰塊沿斜面上滑所需的力。任何時(shí)刻，冰作用于斜坡結(jié)構(gòu)物上的合力等于給定時(shí)刻這些力的疊加。

當(dāng)結(jié)構(gòu)物迎冰面的寬度和冰板的寬度都足夠大時(shí)，可以把受力模型簡(jiǎn)化為二維問(wèn)題，結(jié)構(gòu)物所受荷載由兩部分組成：一是使冰板破裂的力，二是破裂后使冰塊沿斜面上滑的力。二維模型中冰對(duì)斜面結(jié)構(gòu)的作用力如圖1所示。

根據(jù)相互作用關(guān)系和庫(kù)侖摩擦定律，作用于冰板上的水平分力Fx和垂直分力Fz分別為：

式中μ——冰與結(jié)構(gòu)物斜面之間的摩擦系數(shù)；

α——斜面的水平傾角；

Ν——作用于結(jié)構(gòu)物斜面上的正壓力。

在極限范圍內(nèi)，F(xiàn)x最大值將由邊界處受力的冰板的強(qiáng)度控制。假定冰板為作用在彈性基礎(chǔ)上的梁，其強(qiáng)度由彎矩控制。根據(jù)彎曲理論，得到單位寬度結(jié)構(gòu)物上的初始水平力為：

式中H——初始水平力；

b——梁寬；

σf——矩形截面梁純彎矩時(shí)的應(yīng)力；

ρw——海水密度；

g——重力加速度；

h——海冰厚度；

E——海冰的彈性模量。破裂后的冰塊爬坡力P為：

式中Z——冰爬高度；

ρi——海冰密度。

具有一定速度的冰板，觸及到結(jié)構(gòu)物斜面，發(fā)生彎曲破壞，并沿斜坡上爬，這一過(guò)程是由上述二力合成作用的結(jié)果。因此，作用于結(jié)構(gòu)物上的合力為：

2 護(hù)坡結(jié)構(gòu)抗冰計(jì)算分析

遼河油田淺海資源開(kāi)發(fā)區(qū)位于遼寧省營(yíng)口市鲅魚(yú)圈韭菜坨子至錦西市葫蘆島高角連線以北的遼東灣頂部海域，目前主要開(kāi)發(fā)區(qū)域基本上為5 m水深以內(nèi)的灘海海域，是遼東灣重冰區(qū)之一。

抗冰計(jì)算參數(shù)為：流冰最大速度1.0～1.1 m/s，海冰彈性模量2.20 GPa、極限抗壓強(qiáng)度2 200 kPa、極限抗彎強(qiáng)度228kPa[1]，50年一遇冰厚h=50cm，海冰密度ρi=900 kg/m3， 海水密度ρw=1 025 kg/m3，梁寬b=1 m。

護(hù)面塊體分別選取300 kg塊石、1 t扭王字塊體、2 t扭王字塊體等進(jìn)行計(jì)算。通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定并參考相關(guān)文獻(xiàn)，取冰與塊石或扭王字塊體的摩擦系數(shù) μ=0.3。

而文獻(xiàn)[2]和[3]中的計(jì)算實(shí)例選取的遼東灣北部海冰參數(shù)為：海冰彈性模量為0.5 GPa；海冰極限抗彎強(qiáng)度為639 kPa。

本文將取上述兩組不同的彈性模量、極限抗彎強(qiáng)度參數(shù)分別進(jìn)行冰荷載計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 作用于斜坡結(jié)構(gòu)物的冰荷載

護(hù)面塊體在海冰作用下保持穩(wěn)定的判別標(biāo)準(zhǔn)為：μ·N/b大于塊體自重沿斜坡方向的分量與塊體、墊層石之間摩擦力之和。

不同型式護(hù)面塊體抗冰穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 不同型式護(hù)面塊體穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

結(jié)果表明：在兩組具有不同的彈性模量和極限抗彎強(qiáng)度的海冰作用下，1 t和2 t扭王字塊體均滿足穩(wěn)定性要求；300 kg護(hù)面塊石在E=2.20 GPa、[σf]=228kPa時(shí)為臨界穩(wěn)定， 在E=0.5GPa、 [σf]=639 kPa時(shí)不能夠滿足海冰作用下的穩(wěn)定性要求。

3 抗冰計(jì)算影響因素分析

（1）海冰與護(hù)坡摩擦系數(shù)。關(guān)于海冰與材料的摩擦系數(shù)試驗(yàn)，發(fā)表的成果很多，但關(guān)于海冰與護(hù)面塊石、海冰與扭王字塊體的摩擦系數(shù)試驗(yàn)成果發(fā)表很少。有試驗(yàn)表明[2]，一般情況下海冰與水泥塊體之間的動(dòng)摩擦系數(shù)與靜摩擦系數(shù)相差不大，為0.10~0.22。本文采用的摩擦系數(shù)為0.3，是偏于保守的。

（2）海冰強(qiáng)度參數(shù)。斜坡式人工島護(hù)坡結(jié)構(gòu)與海冰相互作用時(shí)，海冰荷載的計(jì)算將以海冰的彎曲強(qiáng)度為基礎(chǔ)，海冰設(shè)計(jì)彎曲強(qiáng)度取值的合理程度直接影響著海洋工程結(jié)構(gòu)物的安全運(yùn)營(yíng)和造價(jià)。本文中兩種強(qiáng)度參數(shù)的取值對(duì)計(jì)算結(jié)果影響較大，海冰強(qiáng)度參數(shù)的取值可參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，也可以通過(guò)多年統(tǒng)計(jì)值綜合選取[3]。

（3）海冰對(duì)斜坡式人工島護(hù)坡結(jié)構(gòu)的工程危害。海冰對(duì)海上結(jié)構(gòu)危害主要表現(xiàn)在靜荷載、動(dòng)荷載以及海冰的爬坡堆積。海冰靜荷載指海冰在流和風(fēng)作用下與結(jié)構(gòu)物發(fā)生作用而導(dǎo)致冰板自身發(fā)生擠壓或彎曲破壞給工程結(jié)構(gòu)物帶來(lái)的水平荷載；海冰動(dòng)荷載指大面積冰盤(pán)在流和風(fēng)驅(qū)動(dòng)下與海上平臺(tái)接觸，造成平臺(tái)振動(dòng)，冰激振動(dòng)的累積效應(yīng)造成結(jié)構(gòu)損傷和抵抗能力衰減，還可能激發(fā)結(jié)構(gòu)物的共振；海冰和斜坡式人工島之間作用的危害主要表現(xiàn)為海冰在人工島前的堆積、爬坡，越過(guò)防浪墻進(jìn)入島體內(nèi)部，危害設(shè)施安全[4]。因此斜坡式人工島抗冰措施應(yīng)主要針對(duì)海冰在人工島前的堆積和爬坡，同時(shí)也要考慮融冰時(shí)，會(huì)加劇波浪對(duì)護(hù)坡結(jié)構(gòu)的作用。

[1]王登婷，潘軍寧，焦志斌.渤海灘海區(qū)域人工島護(hù)坡破壞機(jī)理與防護(hù)措施可靠性研究報(bào)告[R].南京：南京水利科學(xué)研究院，2010.

[2]孟廣琳，張明遠(yuǎn)，隋吉學(xué).海冰與材料的摩擦系數(shù)試驗(yàn)分析[J].海洋環(huán)境科學(xué)，1995，14（1）：74-80.

[3]季順迎，王安良，蘇潔，等.環(huán)渤海海冰彎曲強(qiáng)度的試驗(yàn)測(cè)試及特性分析[J].海洋環(huán)境科學(xué)，2011，22（2）：266-272.

[4]孔祥鵬，張波，張勇.淺水區(qū)斜坡人工島海冰危害及減災(zāi)措施[J].大連海事大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，33（4）：101-104.

Analysis and Calculation of Effect of Sea Ice on Revetment Structure Stability of Artificial Island

MU Jian（PetroChina Exploration and Production Co.,Beijing 100088,China）,MIAO Wen-cheng

By means of theoretically analyzing the interaction of sea ice and revetment structure of artificial island，the ice resistance stability of revetment structure of the artificial island in Liaodong Bay was calculated,and some related parameters which could affect ice resistance stability calculation were analyzed.Results showed that 1 t and 2 t accropodes could meet the stability requirement under the action of sea ice,but 300 kg armor stones could not;existing computing method about the interaction of sea ice and revetment structure of artificial island would tend to be conservative and should be improved.

sea ice;beach;artificial island;revetment structure;stability

10.3969/j.issn.1001-2206.2012.01.007

穆 劍 （1960-），男，北京人，高級(jí)工程師，1982年畢業(yè)于中國(guó)地質(zhì)大學(xué) （武漢）地質(zhì)專業(yè)，2002年畢業(yè)于中國(guó)地質(zhì)大學(xué) （北京）地質(zhì)專業(yè)，博士，現(xiàn)從事石油勘探與生產(chǎn)管理工作。

2011-11-28