一种基于室内试验的海底滑坡评价方法技术

本发明专利技术公开了一种基于室内试验的海底滑坡评价方法，该方法包括结构性软粘土的制备以及室内试验；所述的结构性软粘土的制备可通过向海洋软土中掺入硅酸盐525水泥并加水至土体2倍液限，然后在真空条件下搅拌均匀获得；其中，硅酸盐525水泥的加入量为软土颗粒质量的2％；所述的室内试验基于模拟海底滑坡的新型室内试验装置实现，该装置包括模型箱主体、假坡、漏斗、切土板、传感器支架以及龙门架抬升装置。本发明专利技术方法能够实现多个坡角、多工况海底滑坡的试验模拟，该方法还可结合室内大型断面波流水槽，系统的研究由波浪、坡脚冲刷以及快速沉积三者耦合作用对海底滑坡的影响，得到一套系统的评价海底滑坡稳定性的方法。

An evaluation method of submarine landslide based on laboratory test

【技术实现步骤摘要】
一种基于室内试验的海底滑坡评价方法
本专利技术涉及一套能够实现多坡角、多工况模拟海底滑坡的试验装置，具体涉及一种基于室内试验的海底滑坡评价方法，适用于海洋工程研究领域。
技术介绍
众所周知，海洋中石油、天然气等常规能源的蕴藏量十分丰富，据不完全统计，在全世界范围内，海洋石油储量约1450亿吨，占全球石油总储量的34％，其中已探明的储量约为380亿吨；仅在大陆架区域，目前发现的含的油气盆地面积就达到1500万平方千米，已发现800多个含油气盆地，1600多个油气田，天然气地质储量达约140万亿立方米。我国是一个拥有漫长海岸线的海洋大国，海洋资源开发与利用的意识正逐步增强。但是，由于人类对海洋大规模的开发与利用，诸如海底平台、海底管道、电缆等海底工程设施的大量建造与使用以及由外力引起的海底自身环境的剧烈变化，海床本身或者海底构筑物的恶性破坏事件也日益增长，造成大量的经济财产损失和人员伤亡，这使得人类对于海洋地质灾害的研究变得越来越迫切和实用，对于认识海洋地质灾害的重要性也越发凸显。我国是一个典型的沿海大国，东部近海地区与西北太平洋几条大型地震带距离较近，极易受到海底地震的波及而造成损失；而南部中国海域处于大陆坡与海槽区域的交汇地带，这使得这一区域的海水水深变化极大，区域内地形条件(多海槽)与水体流动(洋流)剧烈变化，地质条件复杂多变，极易发生海底地质灾害。所以，对于海底地质灾害的研究应予以高度重视。海底滑坡是海洋地质灾害中的主要形式，随着海底滑坡的发生，大量沉积物可被搬运至很远的距离，这种搬运过程可以对海洋油气工程设施、海底电缆构成严重威胁，海底滑坡也被认为是引起海底输油管道扭曲失效或者切断的重要诱发因素；大规模的海底滑坡还经常性的伴有破坏性极强的海啸发生；海底滑坡的频繁发生，严重威胁着海洋工程结构及海洋相关人员的生命安全。因此，对海底斜坡稳定性及海底滑坡的触发机制的研究已成为当前海洋工程与海洋地质灾害领域的研究热点问题。然而，目前的研究中大多采用理论分析以及数值技术计算，并且室内试验评价方法几乎没有能够同时考虑坡角变化、坡脚冲刷以及快速沉积三者耦合作用对海底滑坡的影响。如申请号为CN108894182A的专利技术专利提供了一种应用于海底滑坡水槽试验研究的滑坡触发装置及方法，该专利中仅考虑了坡角对斜坡稳定性的影响；申请号为CN207764186U的技术专利提供了一种模拟海底滑坡的试验装置，该装置主要研究滑坡触发以后的流滑过程而且其触发因素也是仅考虑了坡角的影响。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术不足，进一步探究海底滑坡的破坏机制。本专利技术提出了一套能够实现多个坡角、多工况模拟海底滑坡的试验装置。该装置可通过龙门架抬升装置在0-20度范围内实现箱体任意角度的抬升，尤其是该装置可通过可变长度的切土板开挖不同位置的土体，模拟由斜坡坡脚不同程度的冲刷现象；另外，通过起吊装置将漏斗吊起，对斜坡顶部进行加载，同样可以模拟快速沉积引起的滑坡；同时也可以采用该装置，结合室内水槽试验模拟并评价海底斜坡在波浪荷载作用下的稳定性。与此同时，该评价方法还进行了人工结构性软粘土的制备，结合大型断面波流水槽，系统的研究了波浪荷载、坡脚冲刷以及快速沉积对海底滑坡的影响，从而得到一套由多触发因素诱发的海底滑坡评价方法。本专利技术采取以下技术方案：一种基于室内试验的海底滑坡评价方法，该方法基于大型断面波流水槽以及模拟海底滑坡的新型室内试验装置实现，可系统的研究由波浪荷载、坡脚冲刷以及快速沉积三者耦合作用对海底滑坡的影响，从而得到一套由多触发因素诱发的海底滑坡评价方法；该试验可通过布设三维地形激光成像系统、多普勒流速计阵列、非接触式波高仪、激光位移计、微型孔压传感器及压力计，监测全过程的水下地形演化、波浪非线性形态与压力、土体孔压与位移场，量测滑坡土体的强度变化；所述的新型室内试验装置模型箱主体，还包括假坡、漏斗、切土板、传感器支架以及龙门架抬升装置；所述的模型箱主体由箱体和底座组成，其中箱体包括位于两端的闸板、侧板和底板；箱体的顶部为一斜坡，其前端低于后端；所述的箱体两端还设有转轴，后端的转轴可使箱体模拟多角度滑坡，前端的转轴用于在土体固结过程中抬起箱体前端，从而使箱体的顶部处于平面状态，以保证土体强度太低时，不会流出箱体，从而更好的完成固结；所述的假坡包括斜坡段、位于箱体前端的水平段、位于箱体后端的水平段三部分，所述的斜坡段与位于箱体前端的水平段相连；位于箱体后端的水平段与箱体后端高度一致；设置水平段与斜坡段均是为了稳定波形，使波浪在上坡之前达到稳定状态；所述的漏斗包括圆筒段和梯形段，所述的梯形段通过螺丝链接到圆筒段的下方；在试验时，通过起吊装置将装满结构性软粘土的漏斗整体吊起放于箱体上，然后使结构性软粘土从漏斗中落下，给坡顶加载，以模拟快速沉积效应；为了使梯形段的斜边与箱体完全贴合，梯形段斜边的角度与箱体抬升的角度完全相同；漏斗的作用：一、撒砂：落雨法制备砂坡；二、模拟斜坡快速沉积效应；所述的切土板包括顶杆以及切割土体的钢板；所述的顶杆一端与位于前端的闸板连接，另一端与钢板连接，且其长度可变；切土板可沿斜坡不同位置切割开挖土体，模拟斜坡不同程度的坡脚冲刷现象；开挖土体时，首先将切割土体的钢板插入土体指定位置处，然后调整顶杆的长度将顶杆顶在模型箱前端的闸板上，最后用铁锹将切割土体挖除；所述的传感器支架包括传感器固定装置和传感器保护装置；传感器支架用于安装传感器，具体的传感器种类可根据需要进行选择，所述的传感器保护装置套在传感器外面，用来保护传感器不受损坏；所述的传感器固定装置用于将传感器固定于底板上；所述的龙门架抬升装置包括两台龙门架和控制装置，所述的两台龙门架分别布置在箱体的两端，用于通过转轴抬起箱体，位于后端的龙门架可实现箱体在0-20度范围内任意角度抬升；位于前端的龙门架用于在土体固结过程中抬起箱体前端；所述的控制装置用于控制龙门架的运动，调整龙门架的位置以及抬升高度。所述的评价方法可同时考虑波浪荷载、坡脚冲刷以及快速沉积对海底滑坡的影响，具体包括如下步骤：(1)确定试验比尺所述的试验比尺的确定是根据现场条件以及实验室设备条件进行确定。试验比尺依据弗洛德数相等的重力相似原则确定，几何比尺为nL，波高H比尺、波周期T比尺及流速v比尺如下：nH＝nLnT＝nL0.5nv＝nL0.5(2)吊装新型室内实验装置采用龙门吊抬升装置将新型室内试验装置吊装到大型断面波流水槽的指定位置。(3)定床试验波高率定为了得到稳定准确的波流条件，正式实验开始前需搭建好定床试验模型。将假坡、模型箱等布置在大型断面波流水槽中指定位置，然后将按照箱体尺寸切割好的刚性板固定在箱体的斜面上，使其成为一个封闭的刚性体，即可得到定床试验模型，实现波浪浅水化效应；然后对试验所需的波流条件进行率定调试；率定调试完成后将上部刚性板拆掉，为后续填筑结构性软粘土做准备；(4)结构性软粘土的制备向海洋软土中掺入硅酸盐525水泥并加本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于室内试验的海底滑坡评价方法，其特征在于，该方法基于大型断面波流水槽以及模拟海底滑坡的新型室内试验装置实现，可系统的研究由波浪荷载、坡脚冲刷以及快速沉积三者耦合作用对海底滑坡的影响，从而得到一套由多触发因素诱发的海底滑坡评价方法；该试验可通过布设三维地形激光成像系统、多普勒流速计阵列、非接触式波高仪、激光位移计、微型孔压传感器及压力计，监测全过程的水下地形演化、波浪非线性形态与压力、土体孔压与位移场，量测滑坡土体的强度变化；/n所述的新型室内试验装置包括模型箱主体(1)、假坡(2)、漏斗(3)、切土板(4)、传感器支架(5)以及龙门架抬升装置(6)，所述的模型箱主体(1)由箱体(7)和底座(8)组成，其中箱体(7)包括位于两端的闸板(10)、侧板(11)和底板(12)；箱体(7)的顶部为一斜坡，其前端低于后端；所述的箱体(7)两端还设有转轴(9)，后端的转轴(9)可使箱体(7)模拟多角度滑坡，前端的转轴(9)用于在土体固结过程中抬起箱体前端，从而使箱体(7)的顶部处于平面状态，以保证土体强度太低时，不会流出箱体(7)，从而完成固结；/n所述的假坡(2)包括斜坡段(13)、位于箱体(7)前端的水平段(14)、位于箱体(7)后端的水平段(15)三部分；所述的斜坡段(13)与水平段(14)相接，以达到稳定波浪的目的；水平段(15)的高度与箱体(7)后端高度一致，以平稳反射波，同时也防止波浪在箱体(7)后端产生漩涡；/n所述的漏斗(3)包括圆筒段(16)和梯形段(17)，所述的梯形段(17)通过螺丝连接到圆筒段(16)的下方；在实验时，龙门架抬升装置(6)将装满结构性软粘土的漏斗(3)整体吊起放于箱体(7)上，然后使结构性软粘土从漏斗(3)中落下，给坡顶加载，以模拟快速沉积效应；/n所述的切土板(4)包括顶杆(18)以及切割土体的钢板(19)，所述的顶杆(18)一端与位于前端的闸板(10)连接，另一端与钢板(19)连接；且顶杆(18)长度可变，使切土板(4)可沿斜坡不同位置切割开挖土体，模拟斜坡不同程度的坡脚冲刷现象；/n所述的传感器支架(5)包括传感器固定装置(20)和传感器保护装置(21)；所述的传感器保护装置(21)套在传感器外面，用来保护传感器不受损坏；所述的传感器固定装置(20)用于将传感器固定于底板(12)上；/n所述的龙门架抬升装置(6)包括两台龙门架和控制装置，所述的两台龙门架分别布置在箱体(7)的前后两端，通过转轴(9)抬起箱体；所述的控制装置用于控制龙门架的运动，调整龙门架的位置以及抬升高度；/n所述的评价方法包括以下步骤：/n1)确定试验比尺/n所述的试验比尺的确定是根据现场条件以及实验室设备条件进行确定；试验比尺依据弗洛德数相等的重力相似原则...

【技术特征摘要】
1.一种基于室内试验的海底滑坡评价方法，其特征在于，该方法基于大型断面波流水槽以及模拟海底滑坡的新型室内试验装置实现，可系统的研究由波浪荷载、坡脚冲刷以及快速沉积三者耦合作用对海底滑坡的影响，从而得到一套由多触发因素诱发的海底滑坡评价方法；该试验可通过布设三维地形激光成像系统、多普勒流速计阵列、非接触式波高仪、激光位移计、微型孔压传感器及压力计，监测全过程的水下地形演化、波浪非线性形态与压力、土体孔压与位移场，量测滑坡土体的强度变化；
所述的新型室内试验装置包括模型箱主体(1)、假坡(2)、漏斗(3)、切土板(4)、传感器支架(5)以及龙门架抬升装置(6)，所述的模型箱主体(1)由箱体(7)和底座(8)组成，其中箱体(7)包括位于两端的闸板(10)、侧板(11)和底板(12)；箱体(7)的顶部为一斜坡，其前端低于后端；所述的箱体(7)两端还设有转轴(9)，后端的转轴(9)可使箱体(7)模拟多角度滑坡，前端的转轴(9)用于在土体固结过程中抬起箱体前端，从而使箱体(7)的顶部处于平面状态，以保证土体强度太低时，不会流出箱体(7)，从而完成固结；
所述的假坡(2)包括斜坡段(13)、位于箱体(7)前端的水平段(14)、位于箱体(7)后端的水平段(15)三部分；所述的斜坡段(13)与水平段(14)相接，以达到稳定波浪的目的；水平段(15)的高度与箱体(7)后端高度一致，以平稳反射波，同时也防止波浪在箱体(7)后端产生漩涡；
所述的漏斗(3)包括圆筒段(16)和梯形段(17)，所述的梯形段(17)通过螺丝连接到圆筒段(16)的下方；在实验时，龙门架抬升装置(6)将装满结构性软粘土的漏斗(3)整体吊起放于箱体(7)上，然后使结构性软粘土从漏斗(3)中落下，给坡顶加载，以模拟快速沉积效应；
所述的切土板(4)包括顶杆(18)以及切割土体的钢板(19)，所述的顶杆(18)一端与位于前端的闸板(10)连接，另一端与钢板(19)连接；且顶杆(18)长度可变，使切土板(4)可沿斜坡不同位置切割开挖土体，模拟斜坡不同程度的坡脚冲刷现象；
所述的传感器支架(5)包括传感器固定装置(20)和传感器保护装置(21)；所述的传感器保护装置(21)套在传感器外面，用来保护传感器不受损坏；所述的传感器固定装置(20)用于将传感器固定于底板(12)上；
所述的龙门架抬升装置(6)包括两台龙门架和控制装置，所述的两台龙门架分别布置在箱体(7)的前后两端，通过转轴(9)抬起箱体；所述的控制装置用于控制龙门架的运动，调整龙门架的位置以及抬升高度；
所述的评价方法包括以下步骤：
1)确定试验比尺
所述的试验比尺的确定是根据现场条件以及实验室设备条件进行确定；试验比尺依据弗洛德数相等的重力相似原则确定，几何比尺为nL，波高H比尺、波周期T比尺及流速v比尺如下：
nH＝nL
nT＝nL0.5
nv＝nL0.5
2)吊装新型室内实验装置
采用龙门吊抬升装置(6)将新型室内试验装置吊装到大型断面波流水槽的指定位置；
3)定床试验波高率定
为了得到稳定准确的波流条件，正式实验开始前需搭建好定床试验模型；将假坡(2)、模型箱(1)布置在断面波流水槽中指定位置，然...

【专利技术属性】
技术研发人员：窦玉喆，国振，王立忠，朱从博，芮圣洁，周文杰，李雨杰，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33