海洋環(huán)境及鉆采工程 第四五章

1、第四章 海流與海流載荷 第一節(jié) 海流分類、成因和海流分布一 分類、成因與特征 海流：海水水平或垂直地由一個海區(qū)向另一個海區(qū)的大規(guī)模流動。1 按成因分類按成因分類 潮 流： 引潮力，即日、月引力與地月運動離心力之和 風海流： 風切應(yīng)力 密度流 ：等壓面傾斜產(chǎn)生壓差梯度力 波浪流： 波浪傳播至沿岸所產(chǎn)生的沿岸流2 按時間特性分類按時間特性分類 周期性海流： 潮流，T=12-24hr 非周期性海流：其他海流3 按流動范圍分類按流動范圍分類 近岸海流；近海海流；外海海流。4 按溫度分類按溫度分類 寒流；暖流。二、海洋總的環(huán)流模式二、海洋總的環(huán)流模式 1、世界大洋表面的環(huán)流模式 2、太平洋海水的表層環(huán)流

2、 3、我國近海環(huán)流的一般規(guī)律 （1）渤海，黃海，東海等邊緣海，海流基本是黑潮分支及近岸流。 （2） 南海海流主要由季風支配，具有風海流的特點。 第二節(jié) 海流載荷一 海流對工程結(jié)構(gòu)和工程活動的影響1.對結(jié)構(gòu)強度的影響 2 對基礎(chǔ)穩(wěn)定的影響（沖刷，掏空）3 對工程系統(tǒng)的性能的影響4 對工程活動的影響 （脫航，就位）5 對腐蝕速度的影響很大 （帶走腐蝕產(chǎn)物，磨蝕）二 海流的流動特征1 潮流 Tidal Current 海水在引潮力作用下周期性地水平流動（分半日潮流，混合潮流，全日潮流）。 存在往復(fù)流，旋轉(zhuǎn)流。 海流水質(zhì)點速度分布特征：方向相同，大小沿水深呈指數(shù)分布。2 風海流 Wind Curren

3、t 風對海面的切應(yīng)力的推動使海水產(chǎn)生的水平運動 在風力、地轉(zhuǎn)偏向力與垂向紊動阻力達到平衡時形成穩(wěn)定流動，風海流水質(zhì)點不在同一平面內(nèi)，呈螺旋形狀，即Ekman Spiral三 海流速度的確定（沿水深的分布）1 實測法2 經(jīng)驗法 采用指數(shù)型式來簡化流速分布 潮流： 風海流： 總流速：)()()()()()()(107/10zuzuzudzuzudzuzuWTWWTT四 海流載荷計算 原理： 粘性流體阻力公式；單位長度結(jié)構(gòu)載荷： 總載荷：zdzzfMdzzfFzuACzfdCCdCCCpDC)()()(21)(002海流載荷計算示意圖dOXdzZfO海底鉛直園柱結(jié)構(gòu)z潮流流速風海流流速第五章 海冰與

4、海冰載荷 第一節(jié) 海冰分類及結(jié)構(gòu)特征一 海冰分類1 從存在形態(tài)分類從存在形態(tài)分類 族 類 狀 固定冰 初生冰，餅冰，皮冰 平整冰，重疊冰，堆積冰 浮冰 沿岸冰，錨冰 冰山，冰丘2 從存在時期來分（我國）從存在時期來分（我國） 初冰期冰：一個月，冰較薄，冰界小，無重疊，含鹽量大，質(zhì)松易碎。 盛冰期冰：50-70天，重疊嚴重，日變化與月變化小，結(jié)構(gòu)緊密，堅硬，強度高。 融冰期冰： 15-20天，多浮冰，隨風海流漂動，冰質(zhì)疏松，強度低。二 海冰的結(jié)構(gòu)特征 自然海冰實質(zhì)上是由純冰晶體、鹽水滴和微小氣泡構(gòu)成的堅硬固體，冰層上部為晶粒較細的晶體群，下部為柱狀的晶體群，長軸垂直向上，長短不一，故海冰為各向異

5、性材料。 隨時間推移，海冰中的鹽水滴越變越小，含鹽量也越來越小，強度越來越高。 第二節(jié) 我國冰情概況 冰情：指冰凍的嚴重程度，按盛冰期冰界和冰厚分為五等： 輕冰年；偏輕冰年；常冰年；偏重冰年；重冰年。一、 一般年份冰情 結(jié)冰：11月下旬開始由北向南結(jié)冰，第二年2月下旬由南向北化冰。 遼東灣：冰凍最嚴重，盛冰期為1月上旬至2月上旬，冰厚15-40cm，凍區(qū)離岸5-17km。 渤海灣：冰厚10-40cm，凍區(qū)離岸10-40km。二 重大冰情 1936，1947，1969年出現(xiàn)過重大冰情。 遼東灣：封凍，北部冰厚30-150cm，最大250cm，東岸冰厚20-60cm，最大120cm,西岸15-60

6、cm,最大90cm。 渤海灣：冰厚30-45cm，最大厚度 150cm，凍區(qū)離岸30-40km。 第三節(jié) 海冰力學性能一 海冰力學研究方法1.現(xiàn)場觀測研究 現(xiàn)場測試海冰各力學特性參數(shù)。 2 實驗研究 在實驗?zāi)M室條件下進行海冰力學特性測試。二 海冰力學特性1 海冰的力學特性參數(shù)海冰的力學特性參數(shù)1） 抗壓強度 單位面積上承受的壓力載荷。 實驗表明：溫度升高，強度降低，溫度降低，強度升高，應(yīng)變率較低時為彈塑性破壞，較高時為脆性破壞。 含鹽量升高，強度降低；含鹽量降低，強度升高。2） 抗彎強度 指海冰抵抗彎曲的能力。 f=(0.23-0.40) c，影響因素同上。3) 彈性模量 是含鹽量、溫度、應(yīng)

7、變率等的函數(shù)，具有粘彈性材料特性。cf25Kg/cm100.98)(0.17E2 海冰力學特性的影響因素海冰力學特性的影響因素 與冰晶結(jié)構(gòu)，含鹽量，溫度，加載率，應(yīng)變率有關(guān)，故海冰力學特性參數(shù)具有很強的區(qū)域性。 第四節(jié) 海冰載荷計算一 海冰與結(jié)構(gòu)作用形式1.作用形式作用形式 存在三種作用形式：擠壓，撞擊和粘附。2 載荷載荷 1）擠壓載荷 當海冰固結(jié)在結(jié)構(gòu)周圍時，海冰若有運動或運動趨勢，即可產(chǎn)生對結(jié)構(gòu)的擠壓力。 2）撞擊載荷 浮冰在風、浪、流的推動下，以一定速度撞擊結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生撞擊載荷 3）垂向附著力當海冰固結(jié)在結(jié)構(gòu)周圍時，水位變化使冰體對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生垂向載荷。3 3 海冰載荷的影響因素海冰載荷的影響

8、因素1）海冰力學特性（抗壓強度、抗彎剛度、彈性模量）2）結(jié)構(gòu)特性（形狀，剛度）3）作用形式（撞擊、擠壓、粘附）二 直立樁柱結(jié)構(gòu)物上水平擠壓載荷計算 1.API計算公式計算公式 （5-1）式中： BhCFcH 2.前蘇聯(lián)前蘇聯(lián)式中：A：溫度系數(shù)； 解冰期最低溫度為0 C時取A=1.0； 0 C以下，取A=2.0 k1：局部擠壓系數(shù) （2.0-3.0） k2：接觸系數(shù) （0.2-0.4） h：冰厚 b：冰與結(jié)構(gòu)接觸面投影寬度hbkmAkFcH21 c：海冰抗壓強度 m：結(jié)構(gòu)迎冰面形狀系數(shù)，取值如下：2 180 120 90 75 60 半圓形 m 1.0 0.81 0.73 0.69 0.65 0

9、.90 關(guān)于k1,k2的意義： k1：局部擠壓系數(shù)，修正冰與結(jié)構(gòu)擠壓面和冰試件受壓時的面積差異影響。 k2：接觸系數(shù)：考慮冰與結(jié)構(gòu)表面凹凸不平，真實接觸面積小于表觀接觸面積的折減系數(shù)。 ZC規(guī)范推薦取k1=2.5;k2=0.45.三 撞擊載荷計算 浮冰撞擊結(jié)構(gòu)時，冰發(fā)生脆性破壞，浮冰的動能轉(zhuǎn)化為：1）破冰作功；2）結(jié)構(gòu)變形作功；3）冰體殘余動能。 由能量平衡關(guān)系： 式中：S：浮冰面積；h:冰厚，V：浮冰初速度， Ti:破冰作功，Ts結(jié)構(gòu)變形作功， Tsi：冰體殘余動能。)25(212sisiiTTTShv1 剛度無窮大的尖角迎冰面結(jié)構(gòu)載荷剛度無窮大的尖角迎冰面結(jié)構(gòu)載荷 由于結(jié)構(gòu)剛度無窮大，故可

10、認為Ts=0，并忽略Tsi，能量平衡關(guān)系如下式：)55(2)45()35(21212xtgbbkmhkpTShvcii且如下圖所示，有：b2x結(jié)構(gòu)浮冰冰被切入深度x所消耗的功為：由能量平衡關(guān)系式（5-3），解出x值，再求出最大撞擊載荷Pmax )85(2)75(221max212StgkmkhvPtgkmkSvxiccipxdxpTxi2102 剛度無窮大時圓形結(jié)構(gòu)的撞擊載荷剛度無窮大時圓形結(jié)構(gòu)的撞擊載荷如下圖所示：有以下幾何關(guān)系：dRdxRbRxsinsin2)cos1()95(sin2)(2121Rkmhkbkmhkpccb2x浮冰結(jié)構(gòu)Rb2x浮冰結(jié)構(gòu)R當xR時，破冰作功積分為：)115(

11、)4(2)(2sin)()(2221212/00RRxRkmhkRxRkmhkdpRdxpTccxi 由能量平衡關(guān)系（5-3）求出x，若xR時，Pmax為：RkmhkPRkmkSvRxcici21max22122)41(413 結(jié)構(gòu)剛度為結(jié)構(gòu)剛度為K時的尖角迎冰面結(jié)構(gòu)載荷時的尖角迎冰面結(jié)構(gòu)載荷 結(jié)構(gòu)發(fā)生位移為=p/K，功能關(guān)系為：KppxSvKppTpxTisi22221212122121經(jīng)變形得：tgkhkKtgKkmhkShvpKptgkmhkpSvtgkxmhkpccicic2121222122212222b2x結(jié)構(gòu)浮冰四 垂向附著力 當冰層與結(jié)構(gòu)固結(jié)在一起時，水位變化造成海冰產(chǎn)生對結(jié)構(gòu)的垂向附著力（冰層對樁柱的上拔力），由彈性力學原理，得出， 式中：h:冰厚 d:園柱直徑dhhp50ln3002hd冰園柱五 海冰對傾斜構(gòu)件的作用力 作用特征：當海冰與傾斜構(gòu)件接觸時，海冰破壞主要以彎曲斷裂為主，而受彎破壞作用力是Fv，如圖所示，冰與斜面存在摩擦