海洋石油工程環(huán)境

1、海洋石油工程環(huán)境1第一章 海洋環(huán)境概論 第一節(jié) 海洋環(huán)境概論一 海洋所在的大環(huán)境海洋存在于地球表面上，而地球又存在于太陽系中，海洋便是這種獨(dú)特環(huán)境的產(chǎn)物，它不斷承受來自環(huán)境的作用，同時(shí)也反作用于環(huán)境。海洋的各自然因素及特性便是在它與環(huán)境之間的物質(zhì)和能量交換過程中形成。 作用形式：物質(zhì)交換；能量交換。圖1、太陽系示意圖2 大陸架 大陸坡 大陸隆自由海面大氣圈水圈巖石圈圖2、地球?qū)尤Y(jié)構(gòu)圖3、海洋邊界示意圖3圖4、大陸邊緣的剖面的三種類型大陸架大陸坡大洋盆大洋盆大陸坡大陸架島弧大洋盆4二 海洋的基本特征1.海洋的邊界海面：海洋與大氣環(huán)境溝通的窗口，是海洋與大氣系統(tǒng)進(jìn)行物質(zhì)和能量交換的界面。海底：海

2、洋與巖石圈之間溝通的窗口，是海洋與海底進(jìn)行物質(zhì)和能量交換的場(chǎng)所。海底地形分為三個(gè)單元：1）. 大陸邊緣 大陸表面與大洋底面之間的過渡帶。大陸架；大陸坡；大陸隆，見圖3、圖4所示。2）.大洋盆海洋的主要部分，廣闊而平坦53).大洋中脊海底山脈，約占海洋面積的32.7%。沿岸帶：大陸與大洋聯(lián)系的橋梁，大陸物質(zhì)經(jīng)過沿岸帶的作用才進(jìn)入海洋，海洋能量耗散帶。2.海洋的形狀特征1）.大 即廣闊，尤其是南北尺度。2）. 既深又淺 絕對(duì)深度大，相對(duì)深度小，為10-3量級(jí)。3）. 連成一片，各大洋連成一體。形狀特征的效果是：大，可形成潮汐；既深又淺，可將運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)化為二維。3.海水的物理化學(xué)特性1）物理特性物性狀態(tài)

3、量：密度，鹽度，溫度、比熱、壓縮性等。6鹽度：1000克海水中，碳酸鹽全部轉(zhuǎn)化為氧化物后所得固體物質(zhì)的克數(shù)，一般在3.2-3,7%之間，平均3.5%.2）化學(xué)特性海水是多種物質(zhì)組成的復(fù)雜體系。分溶解物和不溶解物兩類。 溶解物質(zhì)：無機(jī)鹽類、氣體等。 溶解物的無機(jī)鹽類主要離子有： 等八十多種，與海洋腐蝕有關(guān)的離子主要是氫，氧離子和鐵離子等，溶解物的氣體有：氧氣，二氧化碳?xì)怏w，放出co,ch4,h2等氣體。不溶解物質(zhì)：固態(tài)顆粒形式存在。海水呈弱堿性，Ph值7 7 第二節(jié) 我國(guó)海域概況一 分區(qū)及水域概況分區(qū) 界線 水域概況渤海 渤海海峽 平均20米，最大限度78米 黃海 長(zhǎng)江口至濟(jì)州島連線 40米 8

4、0米 東海 澎湖列島至臺(tái)灣富貴角 349米 2719米 南海 1140米 5420米二 海底地形總趨勢(shì)是：由西北向東南傾斜南海海底地形較復(fù)雜：四周淺，中央深，海盆中有隆起。渤海與黃海屬于大陸架區(qū)，東海三分之二為陸架區(qū)，其余為陸坡區(qū)。8三 海底沉積大陸許多徑流匯入海洋，帶入大量淡水，泥沙，營(yíng)養(yǎng)鹽，懸浮物，可形成巨厚沉積。四 海洋氣侯跨越溫帶，亞熱帶，熱帶三大氣候帶，呈現(xiàn)出多樣性。渤海：位置偏北，冬春季結(jié)冰，冰期3-4個(gè)月。黃海：北部有冰情，冰期3-4個(gè)月。東海：較少結(jié)冰，但為臺(tái)風(fēng)經(jīng)過區(qū)。南海：臺(tái)風(fēng)頻繁，尤其是7，8，9三個(gè)月臺(tái)風(fēng)影響很大。四 我國(guó)海洋石油開發(fā)現(xiàn)狀 總產(chǎn)量1600萬噸，占全國(guó)產(chǎn)量1

5、0%強(qiáng)。分布于各海域。主要油氣田有：埕北、渤中、陸豐、西江、流花、潿州、崖13-19第三節(jié) 海洋石油工程環(huán)境研究的內(nèi)容和意義一研究的內(nèi)容1。風(fēng)，浪，流，海冰，海面高程變化，海洋腐蝕環(huán)境形成、運(yùn)動(dòng)、變化規(guī)律。2。風(fēng)，浪，流，海冰，海面高程變化設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的確定。3。因素與結(jié)構(gòu)作用機(jī)理，載荷計(jì)算。二 意義1。海洋石油工程環(huán)境因素是結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，壽命設(shè)計(jì)的控制參數(shù)。2。影響作業(yè)安全和質(zhì)量。3。影響作業(yè)經(jīng)劑效益10圖5、海洋石油工程環(huán)境示意圖海面高程變化 波浪與海流風(fēng)海冰隔水導(dǎo)管海底11損壞修復(fù)費(fèi)初期建造費(fèi)總投資102030設(shè)計(jì)波高（M）總投資初期建設(shè)費(fèi)設(shè)計(jì)波高與投資優(yōu)化分析示意圖12海洋石油工程環(huán)境多媒體講

6、義吳競(jìng)擇鉆井教研室1998年2月13第一章 海洋環(huán)境概論 第一節(jié) 海洋環(huán)境概論一 海洋所在的大環(huán)境海洋存在于地球表面上，而地球又存在于太陽系中，海洋便是這種獨(dú)特環(huán)境的產(chǎn)物，它不斷承受來自環(huán)境的作用，同時(shí)也反作用于環(huán)境。海洋的各自然因素及特性便是在它與環(huán)境之間的物質(zhì)和能量交換過程中形成。 作用形式：物質(zhì)交換；能量交換。圖1、太陽系示意圖14 大陸架 大陸坡 大陸隆自由海面大氣圈水圈巖石圈圖2、地球?qū)尤Y(jié)構(gòu)圖3、海洋邊界示意圖15圖4、大陸邊緣的剖面的三種類型大陸架大陸坡大洋盆大洋盆大陸坡大陸架島弧大洋盆16二 海洋的基本特征1.海洋的邊界海面：海洋與大氣環(huán)境溝通的窗口，是海洋與大氣系統(tǒng)進(jìn)行物質(zhì)和

7、能量交換的界面。海底：海洋與巖石圈之間溝通的窗口，是海洋與海底進(jìn)行物質(zhì)和能量交換的場(chǎng)所。海底地形分為三個(gè)單元：1）. 大陸邊緣 大陸表面與大洋底面之間的過渡帶。大陸架；大陸坡；大陸隆，見圖3、圖4所示。2）.大洋盆海洋的主要部分，廣闊而平坦173).大洋中脊海底山脈，約占海洋面積的32.7%。沿岸帶：大陸與大洋聯(lián)系的橋梁，大陸物質(zhì)經(jīng)過沿岸帶的作用才進(jìn)入海洋，海洋能量耗散帶。2.海洋的形狀特征1）.大 即廣闊，尤其是南北尺度。2）. 既深又淺 絕對(duì)深度大，相對(duì)深度小，為10-3量級(jí)。3）. 連成一片，各大洋連成一體。形狀特征的效果是：大，可形成潮汐；既深又淺，可將運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)化為二維。3.海水的物理化

8、學(xué)特性1）物理特性物性狀態(tài)量：密度，鹽度，溫度、比熱、壓縮性等。18鹽度：1000克海水中，碳酸鹽全部轉(zhuǎn)化為氧化物后所得固體物質(zhì)的克數(shù)，一般在3.2-3,7%之間，平均3.5%.2）化學(xué)特性海水是多種物質(zhì)組成的復(fù)雜體系。分溶解物和不溶解物兩類。 溶解物質(zhì)：無機(jī)鹽類、氣體等。 溶解物的無機(jī)鹽類主要離子有： 等八十多種，與海洋腐蝕有關(guān)的離子主要是氫，氧離子和鐵離子等，溶解物的氣體有：氧氣，二氧化碳?xì)怏w，放出co,ch4,h2等氣體。不溶解物質(zhì)：固態(tài)顆粒形式存在。海水呈弱堿性，Ph值7 19 第二節(jié) 我國(guó)海域概況一 分區(qū)及水域概況分區(qū) 界線 水域概況渤海 渤海海峽 平均20米，最大限度78米 黃海

9、長(zhǎng)江口至濟(jì)州島連線 40米 80米 東海 澎湖列島至臺(tái)灣富貴角 349米 2719米 南海 1140米 5420米二 海底地形總趨勢(shì)是：由西北向東南傾斜南海海底地形較復(fù)雜：四周淺，中央深，海盆中有隆起。渤海與黃海屬于大陸架區(qū)，東海三分之二為陸架區(qū)，其余為陸坡區(qū)。20三 海底沉積大陸許多徑流匯入海洋，帶入大量淡水，泥沙，營(yíng)養(yǎng)鹽，懸浮物，可形成巨厚沉積。四 海洋氣侯跨越溫帶，亞熱帶，熱帶三大氣候帶，呈現(xiàn)出多樣性。渤海：位置偏北，冬春季結(jié)冰，冰期3-4個(gè)月。黃海：北部有冰情，冰期3-4個(gè)月。東海：較少結(jié)冰，但為臺(tái)風(fēng)經(jīng)過區(qū)。南海：臺(tái)風(fēng)頻繁，尤其是7，8，9三個(gè)月臺(tái)風(fēng)影響很大。四 我國(guó)海洋石油開發(fā)現(xiàn)狀

10、總產(chǎn)量1600萬噸，占全國(guó)產(chǎn)量10%強(qiáng)。分布于各海域。主要油氣田有：埕北、渤中、陸豐、西江、流花、潿州、崖13-121第三節(jié) 海洋石油工程環(huán)境研究的內(nèi)容和意義一研究的內(nèi)容1。風(fēng)，浪，流，海冰，海面高程變化，海洋腐蝕環(huán)境形成、運(yùn)動(dòng)、變化規(guī)律。2。風(fēng)，浪，流，海冰，海面高程變化設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的確定。3。因素與結(jié)構(gòu)作用機(jī)理，載荷計(jì)算。二 意義1。海洋石油工程環(huán)境因素是結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，壽命設(shè)計(jì)的控制參數(shù)。2。影響作業(yè)安全和質(zhì)量。3。影響作業(yè)經(jīng)劑效益22圖5、海洋石油工程環(huán)境示意圖海面高程變化 波浪與海流風(fēng)海冰隔水導(dǎo)管海底23損壞修復(fù)費(fèi)初期建造費(fèi)總投資102030設(shè)計(jì)波高（M）總投資初期建設(shè)費(fèi)設(shè)計(jì)波高與投資優(yōu)化分析

11、示意圖24第二章 風(fēng)與風(fēng)載荷 第一節(jié) 風(fēng)與風(fēng)的描述一 大氣環(huán)境及其描述 風(fēng)是大氣環(huán)境受到太陽輻射，地球自轉(zhuǎn)，地表物理化學(xué)特性影響而產(chǎn)生的一種維持大氣系統(tǒng)平衡的自然現(xiàn)象。1。表征大氣狀態(tài)的物理量 氣壓，溫度，密度，濕度，風(fēng)速，風(fēng)向。2。天氣形勢(shì)圖1）。地面形勢(shì)圖2）。高空形勢(shì)圖 等壓面形勢(shì)圖；等高面形勢(shì)圖。二 風(fēng)的形成及其描述1。風(fēng)的形成1）成因2）運(yùn)動(dòng)方程253）地轉(zhuǎn)風(fēng)速 地轉(zhuǎn)風(fēng)指在自由大氣層中等壓線平直的風(fēng)場(chǎng)內(nèi)形成的風(fēng)。4）梯度風(fēng)速 梯度風(fēng)指在氣旋效應(yīng)顯著，等壓線彎曲的風(fēng)場(chǎng)內(nèi)，考慮摩阻力作用形成的風(fēng)。 5）海面風(fēng)速 海面風(fēng)速考慮了摩阻力和海面垂直對(duì)流影響的風(fēng)速。6）臺(tái)風(fēng) 臺(tái)風(fēng)是熱帶海洋上空形

12、成的急速旋轉(zhuǎn)的逆時(shí)針氣旋。強(qiáng)度：熱帶低氣壓-氣旋中心風(fēng)力在7級(jí)以下。 熱帶風(fēng)暴 -氣旋中心風(fēng)力在8-11級(jí)。 強(qiáng)臺(tái)風(fēng)暴-氣旋中心風(fēng)力在12級(jí)以上。結(jié)構(gòu)：臺(tái)風(fēng)為近似圓形的逆時(shí)針氣旋，風(fēng)速沿徑向變化可分為外，中，內(nèi)三圈。 風(fēng)壓結(jié)構(gòu)，風(fēng)速結(jié)構(gòu)。26 質(zhì)點(diǎn)軌跡 柯氏力 壓差梯度力風(fēng)速矢量圖2-1地轉(zhuǎn)風(fēng)形成過程LH圖2-3低壓中心氣旋圖2-4高壓中心氣旋P1P2圖2-2海面風(fēng)形成過程P1P2fcvf27P,V(1)SP0(2)(3)VmaxR風(fēng)速曲線風(fēng)壓曲線臺(tái)風(fēng)風(fēng)速、風(fēng)壓結(jié)構(gòu)示意圖28移動(dòng)特性：氣旋中心移動(dòng)速度為臺(tái)風(fēng)移動(dòng)速度。 移動(dòng)趨勢(shì)：向西北方向移動(dòng)。生命期：3-8天。7）風(fēng)的描述風(fēng)向：指風(fēng)的來向，用

13、十六個(gè)方位表達(dá)。 風(fēng)向在天氣形勢(shì)圖上用風(fēng)向矢桿及尾部的風(fēng)速標(biāo)記來表達(dá)，風(fēng)向矢桿指向風(fēng)的來向。風(fēng)向矢桿上的風(fēng)速標(biāo)記有：小旗，20m/s,，長(zhǎng)劃，4m/s，短劃，2m/s。風(fēng)速：空氣在單位時(shí)間內(nèi)移動(dòng)距離。風(fēng)級(jí)：按風(fēng)速大小劃分十八個(gè)風(fēng)級(jí)，稱為Beanfort風(fēng)級(jí)。三 風(fēng)速計(jì)算1。風(fēng)速垂直分布計(jì)算29 風(fēng)速垂直分布的影響因素有：1）大氣層特性，如溫度，濕度，水平氣壓梯度等。 2）海面特性，粗糙度，反射率，溫度，濕度。對(duì)數(shù)公式：使用于近地面100m以內(nèi)風(fēng)速分布計(jì)算。式中：K0為高度換算系數(shù)。 Z0為風(fēng)速為零處高度，取決于粗糙度，0。001-0。15m.指數(shù)公式：適用于己于100m以上的風(fēng)速分布計(jì)算： m

14、為指數(shù)，約為1/15-1/4，常取m=1/7。302 風(fēng)速時(shí)段修正計(jì)算 一般風(fēng)速都指平均風(fēng)速，各時(shí)段平均風(fēng)速可作互換 式中：t為時(shí)段長(zhǎng)度。秒。也可按如下風(fēng)速系數(shù)進(jìn)行換算： V10min 1.0 V5min 1.05 Vm 1.16 V3s 1.37 3s gust wind velocity3 設(shè)計(jì)風(fēng)速計(jì)算經(jīng)驗(yàn)頻率統(tǒng)計(jì)法；長(zhǎng)期分布理論法（極值分布理論法）31第二節(jié) 海洋工程結(jié)構(gòu)與裝置的風(fēng)在荷計(jì)算一風(fēng)與結(jié)構(gòu)的相互作用1。繞流現(xiàn)象2。風(fēng)載荷阻力：結(jié)構(gòu)前后部動(dòng)壓差之和升力：旋渦周期性脫離的不對(duì)稱性導(dǎo)致周期性激振力二 風(fēng)載荷計(jì)算 結(jié)構(gòu)風(fēng)載荷可視為結(jié)構(gòu)表面風(fēng)動(dòng)壓力之和32 上式為風(fēng)載荷計(jì)算的通式 式中：

15、Ap為結(jié)構(gòu)在垂直于風(fēng)向方向上投影面積 Cd為阻力系數(shù) Cl為升力系數(shù)。三 實(shí)用風(fēng)載荷計(jì)算 風(fēng)載荷計(jì)算的特點(diǎn)1 API風(fēng)力公式American Petroleum Institute 33 English Units Metric Units 式中，F(xiàn)：風(fēng)力， Ib or N Cs,形壯系數(shù)，Shape coefficient A，投影面積，S.ft or s.m Projected area of object v,持續(xù)風(fēng)速，mph or km/h Sustained velocity API推薦如下形狀系數(shù)： 梁 Beams Cs=1.5 結(jié)構(gòu)平面 Sides of buildings Cs

16、=1.5 圓柱 Cylindrical section Cs=0.5 同時(shí)API推薦風(fēng)速垂直分布計(jì)算采用指數(shù)公式，陣風(fēng) Gust m=1/13，持續(xù)風(fēng)暴 Sustained wind m=1/8。34 2 ABS風(fēng)力公式American Bureau of Shipping Metric units English units式中， F：風(fēng)力， kg or Ib Cs,形壯系數(shù)，Shape coefficient，Ch, 高度系數(shù)，height coefficient A，投影面積， S.m or S.ft Projected area of object v，平均風(fēng)速 m/s or knot

17、（節(jié)）海面m高處。35BS推薦的如下高度系數(shù)：Height (feet) Ch 0-50 1.00 50-100 1.10 100-150 1.20 150-200 1.30 200-250 1.37 250-300 1.43 BS推薦的如下形狀系數(shù)：形狀Shape Cs 船體ull (each side) 1.00 甲板室（deck house) 1.00 孤立結(jié)構(gòu) (Isolated structure shape) 1.0036 井架 (Derrick each face) 1.25 下甲板區(qū) (Under-deck area) 1.003 Zc風(fēng)力公式中國(guó)船級(jí)社 Metric unit

18、s有關(guān)參數(shù)可查閱規(guī)范。4 有關(guān)風(fēng)載荷計(jì)算的幾個(gè)問題5半潛式平臺(tái)風(fēng)載荷計(jì)算 裝置總風(fēng)載荷計(jì)算原則：將結(jié)構(gòu)分成多個(gè)風(fēng)力單元，分別計(jì)算各個(gè)風(fēng)力單元的風(fēng)力和風(fēng)力矩，迭加后得到總的風(fēng)力和風(fēng)力矩。 在半潛式平臺(tái)發(fā)生傾斜時(shí)，由于風(fēng)力單元的投影面積，形心距海面高度都發(fā)生了變化，故其風(fēng)載荷將發(fā)生變化。37面高度都發(fā)生了變化，故其風(fēng)載荷將發(fā)生變化。在平臺(tái)穩(wěn)定性校荷中，還需計(jì)算在平臺(tái)傾斜時(shí)風(fēng)載荷曲線，如下圖所示： 風(fēng)傾力矩平臺(tái)傾角風(fēng)傾力曲線平臺(tái)回復(fù)力矩曲線38這離簡(jiǎn)單介紹風(fēng)力單元法線矢量平行于坐標(biāo)軸時(shí)的情況。）運(yùn)動(dòng)前，nx=1,ny=0,nz=0 即該風(fēng)力單元法線矢量平行于軸運(yùn)動(dòng)后：）運(yùn)動(dòng)前，nx=,ny=,nz=

19、0 即該風(fēng)力單元法線矢量平行于軸運(yùn)動(dòng)后：39）運(yùn)動(dòng)前，nx=,ny=0,nz=1 即該風(fēng)力單元法線矢量平行于軸運(yùn)動(dòng)后： 當(dāng)風(fēng)以角入射時(shí)，風(fēng)矢量為：則任一風(fēng)力單元與風(fēng)矢量的夾角余弦為：40則投影面積為：此外，風(fēng)載荷計(jì)算還應(yīng)考慮風(fēng)力單元形心處的高程變化。,Roll，Yaw,PitchsNw41第三章 波浪與波浪載荷 第一節(jié) 概述一 有關(guān)坐標(biāo)系和特征參數(shù)1。坐標(biāo)系的建立2。有關(guān)術(shù)語和參數(shù)波峰；波谷，波高，波長(zhǎng)，周期，圓頻率，波剖面。無量綱參數(shù)：波陡（），相對(duì)波高（d），相對(duì)水深（d/）dZXSWLLOH42二 波浪理論1。規(guī)則波浪理論（對(duì)單一波浪的研究）線性波浪理論非線性波浪理論tokes波浪理論；

20、孤立波浪理論；橢圓余弦波浪理論。隨機(jī)波浪理論（對(duì)過程的研究）譜描述理論。 第二節(jié) 線性波浪理論一基本方程和邊界條件假設(shè)：流體是理想均勻的，不可壓縮的，無粘性的理想流體，其運(yùn)動(dòng)是無旋的。從以上假設(shè)有：431?；痉匠蹋┻B續(xù)方程）動(dòng)力學(xué)方程uler 方程：其agrange積分：at為大氣壓力。邊界條件）動(dòng)力學(xué)邊界條件）運(yùn)動(dòng)邊界條件海底：海面：44從上述方程中可看出，部分條件是非線性的。邊界條件的線性化）動(dòng)力邊界的線性化分成兩步進(jìn)行，首先將動(dòng)能部分忽略，然后將其展開，得到：）運(yùn)動(dòng)邊界條件線性化同理進(jìn)行線性化，得到：將兩式組合起來，得到：二 二維行進(jìn)波的速度勢(shì)由于以上的方程組無法直接解出，故只能假設(shè)波

21、面后求解。45我們假設(shè)波剖面為規(guī)則的正弦曲線式中k=2/L, 2 ：由線性化的動(dòng)力邊界條件知：將速度勢(shì)表達(dá)式帶入連續(xù)方程可求出A(z)表達(dá)式當(dāng)水深無窮大時(shí)得到如下關(guān)系式：46當(dāng)水深為有限時(shí)：三線性波浪水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)特性。水質(zhì)速度。加速度47。水質(zhì)點(diǎn)軌跡靜止時(shí)在（x0,z0) 處的水質(zhì)點(diǎn)在波浪運(yùn)動(dòng)中的運(yùn)動(dòng)方程為： 式中：討論：1）上式為一個(gè)橢圓方程，水平長(zhǎng)軸為A，短軸為B，當(dāng)z0=0時(shí)，B=H/2，當(dāng)z0=-d時(shí)，B=02）當(dāng)d為無窮大時(shí)，A，B=Hexp(kz0)/2，此時(shí)軌跡為一圓。3）當(dāng)Z0=-L時(shí),exp(-2)=1/535,ci此時(shí)可認(rèn)為水質(zhì)點(diǎn)靜止， Z0=-L/2時(shí),exp(-)=1/2

22、3，故工程上常將dL/2時(shí)，認(rèn)為水深為無窮大，即所謂深水。48海底無窮水深條件水質(zhì)點(diǎn)軌跡有限水深條件水質(zhì)點(diǎn)軌跡在不同水深中水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)及流線49水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)流線形狀SWLWave Profile50uwttt222波面、水平速度、垂向速度過程曲線51axtazt2252 第二節(jié) 波浪與海洋工程結(jié)構(gòu)的相互作用一小特征尺度結(jié)構(gòu)與波浪的相互作用當(dāng)D/L0。2時(shí)，結(jié)構(gòu)被稱為小特征尺度結(jié)構(gòu)。1。平面流與圓拄的繞流現(xiàn)象 繞流：流體流過圓拄但不顯著改變流場(chǎng)特征。 載荷：阻力，Drag force , 結(jié)構(gòu)前后部動(dòng)壓差之和 橫向力，Lateral force.，旋渦周期性脫離的不對(duì)稱性導(dǎo)致周期性激振力。2。振蕩流

23、與圓拄的作用 載荷：阻力，Drag force , 結(jié)構(gòu)前后部動(dòng)壓差之和； 慣性力，Inertial force，水質(zhì)點(diǎn)加速度存在。 橫向力，Lateral force.，旋渦周期性脫離的不對(duì)稱性導(dǎo)致周期性激振力。53二 大特征尺度結(jié)構(gòu)與波浪作用 當(dāng)D/L0。2時(shí)，結(jié)構(gòu)被稱作大尺度結(jié)構(gòu)。1。繞射現(xiàn)象入射波在結(jié)構(gòu)表面的散射效應(yīng)增強(qiáng)，散射波與入射波互相干擾，稱之為繞射現(xiàn)象，Diffraction2。載荷 流動(dòng)分離已不重要，粘滯阻力相對(duì)于慣性力也已不重要，載荷主要成分是慣性力。54第三節(jié) 小特征尺度結(jié)構(gòu)的波浪載荷一Morrison波浪力公式對(duì)于D/L0。2時(shí)的鉛直圓拄結(jié)構(gòu)，其（x,z)坐標(biāo)處的單位長(zhǎng)

24、度結(jié)構(gòu)的波浪力：式中：CM-慣性力系數(shù) （Inertia Coefficient) Cd-阻力系數(shù)（Drag Coefficient) u(x,z,t)為水質(zhì)點(diǎn)速度。 為水的密度，D為圓拄直徑。有關(guān)討論：1。慣性力部分：55 慣性力被分成兩部分，一部分為假設(shè)圓拄體不存在，占據(jù)改體積的流體加速運(yùn)動(dòng)所需推力；第二部分為跟隨圓拄運(yùn)動(dòng)的部分流體加速運(yùn)動(dòng)所需推力。 Cm為附加質(zhì)量系數(shù)（Added mass coefficient) 2。阻力根據(jù)粘性流體力學(xué)得到：CD為粘滯阻力系數(shù)。圓拄總載荷為：56二有關(guān)系數(shù)的確定1。CD， CM的確定 CD與結(jié)構(gòu)形狀，表面粗糙度，流態(tài)有關(guān)，而CM則與 結(jié)構(gòu)形狀 基準(zhǔn)面

25、積（單位長(zhǎng)度） CD CM D 1。0 2。0 D 2。0 2。19 1。41D 1。55 1。0 D 2。01 0。75D*D 1。2 0。75D*D 0。5 1。50 D*D 1。05 1。6757 以上系數(shù)均由大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果整理而得。三 鉛直圓拄波浪載荷計(jì)算1選擇線性波浪理論計(jì)算水質(zhì)點(diǎn)速度和加速度2 單位長(zhǎng)度結(jié)構(gòu)波浪力58dOXdzZfO海底鉛直圓拄結(jié)構(gòu)d+z波浪載荷計(jì)算示意圖593 水平總波力和波力矩為了便于計(jì)算，將原坐標(biāo)原點(diǎn)移到海底，則有：60積分得：同理可得：61以上公式為鉛直圓拄的波浪載荷計(jì)算結(jié)果，可知結(jié)構(gòu)波浪載荷是隨時(shí)間變化的，其規(guī)律見下頁(yè)的曲線。且慣性力和阻力變化也并不同相位，

26、其極可用對(duì)F求導(dǎo)的方法求出。四 鉛直圓拄波浪載荷極值問題對(duì)波浪載荷式求導(dǎo)得：62由此可有兩種可能：1）cos=0，F(xiàn)max=Fimax2) 63ttttouuFIFD波浪波面、水質(zhì)點(diǎn)速度、加速度、載荷相位關(guān)系示意圖64 第四節(jié) 大特征尺度結(jié)構(gòu)的波浪載荷一計(jì)算思路 從理想勢(shì)流理論出發(fā)，根據(jù)入射波速度勢(shì)，求出散射速度勢(shì)，兩者疊加得出總的速度勢(shì)；再根據(jù)流體動(dòng)力學(xué)原理，找出結(jié)構(gòu)表面的流體動(dòng)壓力分布，對(duì)結(jié)構(gòu)表面積分即得出結(jié)構(gòu)載荷：二大特征尺度結(jié)構(gòu)波浪載荷計(jì)算1 入射波速度勢(shì)此時(shí)為復(fù)勢(shì)，有物理意義的僅實(shí)部。2 求散射勢(shì)在結(jié)構(gòu)表面有：653 總波浪速度勢(shì)4 總波動(dòng)壓力5 總載荷 第五節(jié) 隨機(jī)波浪理論及應(yīng)用一

27、隨機(jī)波浪理論簡(jiǎn)介 真實(shí)的海浪是由無數(shù)個(gè)周期不同、波長(zhǎng)不同、波高不同的波浪疊加而成的，固應(yīng)用Longuet-Higgins模型來描述某點(diǎn)的波動(dòng)，即將某點(diǎn)的波動(dòng)視作由許多相位、振幅不同的余弦波疊加而來。如下圖所示：66N=1N=2N=3N=4t67將圓頻率為d間的組成波的振幅平方之和疊加起來，寫成下式：S為圓頻率的函數(shù)，稱之為譜密度函數(shù)。它代表了波浪能量的分布，故又稱之為能譜密度函數(shù)，下圖是P-M譜的函數(shù)和曲線： 式中 V為風(fēng)速。68二海浪譜的應(yīng)用1 計(jì)算波浪統(tǒng)計(jì)特征值2 計(jì)算波浪力譜和波浪力統(tǒng)計(jì)特征值S()pS(p)69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

28、 海流：海水水平或垂直地由一個(gè)海區(qū)向另一個(gè)海區(qū)的大規(guī)模流動(dòng)。1 按成因分類 潮流： 引潮力，即日、月引力與地月運(yùn)動(dòng)離心力之和 風(fēng)海流 風(fēng)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(shí)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703 按流動(dòng)范圍分類 近海海流；近岸海流；外海海流。4 按溫度分類寒流；暖流。二 海流的流動(dòng)特征1 潮流 Tidal Current 海水在引潮力作用下周期性地水平流動(dòng)（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(diǎn)速度分布特征：方向相同，大小沿水深呈指數(shù)分布。2 風(fēng)海流 Win

29、d Current 風(fēng)對(duì)海面的切應(yīng)力的推動(dòng)使海水產(chǎn)生的水平運(yùn)動(dòng) 在風(fēng)力、地轉(zhuǎn)偏向力與垂向紊動(dòng)阻力達(dá)到平衡時(shí)形成穩(wěn)定流動(dòng)，風(fēng)海流水質(zhì)點(diǎn)不在同一平面內(nèi)，呈螺旋形狀，即Ekman Spiral71三 我國(guó)的海流分布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(fēng)支配，具有風(fēng)海流的特點(diǎn)。 第二節(jié) 海流載荷一 海流對(duì)工程結(jié)構(gòu)和工程活動(dòng)的影響1.對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響 2 對(duì)基礎(chǔ)穩(wěn)定的影響（沖刷，掏空）3 對(duì)工程系統(tǒng)的性能的影響4 對(duì)工程活動(dòng)的影響 （脫航，就位）5 對(duì)腐蝕速度的影響很 （帶走腐蝕產(chǎn)物，磨蝕）72二 海流速度的確定（沿水深的分布）1 實(shí)測(cè)法。2 經(jīng)驗(yàn)法 采用指數(shù)型

30、式來簡(jiǎn)化流速分布 潮流： 風(fēng)海流： 總流速：73三 海流載荷計(jì)算 原理： 粘性流體阻力公式；單位長(zhǎng)度結(jié)構(gòu)載荷： 總載荷：74海流載荷計(jì)算示意圖dOXdzZfO海底鉛直圓拄結(jié)構(gòu)d+z潮流流速風(fēng)海流流速75第五章 海冰與海冰載荷 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 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(shí)期來分 初冰期冰：一個(gè)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(yán)重，日變化與月變化小，結(jié)構(gòu)緊密，堅(jiān)硬，強(qiáng)度高。 融冰期冰： 15-20天，多浮冰，隨風(fēng)海流漂動(dòng)，冰質(zhì)疏松，強(qiáng)

31、度低。76二 海冰的結(jié)構(gòu)特征 自然海冰實(shí)質(zhì)上是由純冰晶體、鹽水滴和微小氣泡構(gòu)成的堅(jiān)硬固體，冰層上部為晶粒較細(xì)的晶體群，下部為拄狀的晶體群，長(zhǎng)軸垂直向上，長(zhǎng)短不一，固海冰為各向異性材料。 隨時(shí)間推移，海冰中的鹽水滴越變?cè)叫。}量也越來越小，強(qiáng)度越來越高。 第二節(jié) 我國(guó)冰情概況 冰情：指冰凍的嚴(yán)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 海冰分類結(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(yán)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。77二

32、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，東岸凍20-60cm，最大120cm,西岸15-60cm,最大90cm。渤海灣：冰厚30-45cm，最大厚度50cm，凍區(qū)離岸30-40km。 第三節(jié) 海冰力學(xué)性能一 海冰力學(xué)研究方法1.現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)研究 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試海冰各力學(xué)特性參數(shù)。 2 實(shí)驗(yàn)研究 在實(shí)驗(yàn)?zāi)M室條件下進(jìn)行海冰力學(xué)特性測(cè)試。二 海冰力學(xué)特性781 海冰的力學(xué)特性參數(shù)1） 抗壓強(qiáng)度 單位面積上承受的壓力載荷。 實(shí)驗(yàn)表明：溫度升高，強(qiáng)度降低，溫度降低，強(qiáng)度升高，應(yīng)變率較低時(shí)為彈塑性破壞，較高時(shí)為脆性破壞。 含鹽量升高，強(qiáng)度降低

33、；含鹽量降低，強(qiáng)度升高。2） 抗彎強(qiáng)度 指海冰抵抗彎曲的能力。 f=(0.23-0.40) c，影響因素同上。2 海冰力學(xué)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(xué)特性參數(shù)具有很強(qiáng)的區(qū)域性。 79 第四節(jié) 海冰載荷計(jì)算一 海冰與結(jié)構(gòu)作用形式1.作用形式 存在三種作用形式：擠壓，撞擊和粘附。2 載荷 1）擠壓載荷 當(dāng)海冰固結(jié)在結(jié)構(gòu)周圍時(shí)，海冰若有運(yùn)動(dòng)或運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，即可產(chǎn)生對(duì)結(jié)構(gòu)的擠壓力。 2）撞擊載荷 浮冰在風(fēng)、浪、流的推動(dòng)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(dāng)海冰固結(jié)在結(jié)構(gòu)周圍時(shí)，水位變化使冰體對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生垂向載荷。803 海冰載荷的影響因素1）海冰力

34、學(xué)特性（抗壓強(qiáng)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 水平擠壓載荷計(jì)算 式中：A：溫度系數(shù) -10以上A=1。0；-10度以下，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)接觸投影寬度。 c：海冰抗壓強(qiáng)度。 M：結(jié)構(gòu)迎冰面形狀系數(shù)，取值如下：81 2 180 120 90 75 60 圓形 m 1。0 0。81 0。73 0。69 0。65 0。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(shí)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

35、，真實(shí)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=0.45.二 撞擊載荷計(jì)算 浮冰撞擊結(jié)構(gòu)時(shí)，冰發(fā)生脆性破壞，浮冰的動(dòng)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(dòng)能，由能量平衡關(guān)系：82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(dòng)能。1 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，故可認(rèn)為Ts=0，并忽略Tsi，能量平衡關(guān)系如下式：且如圖所示，有：83b2x結(jié)構(gòu)浮冰由能量平衡關(guān)系式，解出x值，再求出最大撞擊載荷Pmax 2 剛度無窮大時(shí)圓形結(jié)構(gòu)的撞擊載荷如下圖所示：有以下幾何關(guān)系：84b2x浮

36、冰結(jié)構(gòu)R當(dāng)xR時(shí)，破冰作功積分為：由能量平衡關(guān)系求出x，若xR時(shí)，Pmax為：863 結(jié)構(gòu)剛度為K時(shí)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：經(jīng)變形得：b2x結(jié)構(gòu)浮冰87四 垂向附著力 當(dāng)冰層與結(jié)構(gòu)固結(jié)在一起時(shí)，水位變化造成海冰產(chǎn)生對(duì)結(jié)構(gòu)的垂向附著力，由彈性力學(xué)原理，得出， 式中：h:冰厚 d:圓拄直徑hD冰圓拄88四 海冰對(duì)傾斜構(gòu)件的作用力 作用特征：當(dāng)海冰與傾斜構(gòu)件接觸時(shí)，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，冰與斜面存在摩擦力，f=uN,u=tg,有： NfFhFv89當(dāng)+=45，F(xiàn)h=Fv, +=90時(shí)，為直立結(jié)構(gòu)與冰層作用類似。90當(dāng)結(jié)構(gòu)為錐形

37、時(shí)，佐泊的結(jié)論為： =62 629091第六章 海面高程變化 第一節(jié) 概述一 有關(guān)海面高程的概念1 基準(zhǔn)海平面 我國(guó)以19年黃海平均海面作為高程基準(zhǔn)面。2 理論深度基準(zhǔn)面 即理論上潮汐可能達(dá)到的最低嘲面（我國(guó)的海圖基準(zhǔn)面）3 水尺零點(diǎn) 某點(diǎn)的水位起算點(diǎn)，也叫潮位基準(zhǔn)面。 海面高程變化即海面圍繞平均海平面的變化。二 海面高程變化的原因 1 潮汐 （天文潮，12-24hr）引起水位變化 2 風(fēng)暴潮 （氣象潮） 引起水位變化，動(dòng)力作用。 3 海嘯 引起水位變化，動(dòng)力作用。92平均海平面潮高基準(zhǔn)面海圖基準(zhǔn)面大潮高潮面大潮高潮高大潮潮差潮時(shí)平均海平面、海圖基準(zhǔn)面、潮高基準(zhǔn)面示意圖93三 海面高程變化對(duì)工

38、程結(jié)構(gòu)和工程活動(dòng)的影響 1 設(shè)計(jì)時(shí)考慮高程變化 1）基地，碼頭，進(jìn)出航道 2）固定式平臺(tái)高程 3）工程結(jié)構(gòu)的高、低水位段的防冰、防腐措施 2 現(xiàn)場(chǎng)配置時(shí)考慮高程變化 1）坐底式平臺(tái)高度配置 2）自升式平臺(tái)高度配置 3）浮式裝置的定位系統(tǒng)平臺(tái)高度配置 4）預(yù)制模塊的下水、拖航、就位作業(yè)。三 我國(guó)沿海海面高程變化概況 第二節(jié) 潮汐一 潮汐現(xiàn)象 1。潮汐：地球表面水體受月球、太陽引力作用而產(chǎn)生的海面周期性起伏現(xiàn)象。 名詞：高潮；低潮；潮時(shí)和潮高；潮差；歷時(shí)。942。特征潮位 工程上常用到的特征潮位： 1）最高潮位及最低潮位 指歷史上曾觀測(cè)到的最高和最低潮位。 2）平均最高潮位及平均最低潮位 將多年潮

39、位資料中每年的最高和最低潮位進(jìn)行平均得到的值。 3）大潮平均最高潮位及大潮平均最低潮位 將每月的兩次大潮潮位取多年平均得到的值。 4）小潮平均最高潮位及小潮平均最低潮位 將每月的兩次小潮的潮位取多年平均得到的值。 3。潮汐類型 1）半日潮：一個(gè)太陽日內(nèi)兩次高潮和兩次低潮。 2）日潮：一個(gè)太陽日內(nèi)一次高潮和一次低潮。 3）混合潮：不規(guī)則日潮和不規(guī)則半日潮。 某處出現(xiàn)不同類型潮汐，是由該處的位置和太陽、月球和地球三者空間位置決定的。 95SWL低潮高潮高潮潮差高低潮低潮高潮高高潮低高潮低低潮全日潮混合潮半日潮96二 潮汐成因 1。引潮力 平衡潮理論假設(shè)： 地表覆蓋著等深度的海水，忽略海水運(yùn)動(dòng)的慣性力、柯氏力、海底邊界摩阻力。 1）月球引潮力fgfeMMEExy月球引力地月離心力97 月球萬有引力；地球月運(yùn)動(dòng)；地月運(yùn)動(dòng)離心力；月球引潮力。 天文學(xué)結(jié)論：當(dāng)?shù)厍蚶@地月質(zhì)心轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，地表各點(diǎn)處的離心力大小相等，且大小和方向都與地心處的質(zhì)點(diǎn)離心力相同。2）潮汐橢圓 MoonEarth離心力萬有引力月球引潮力982）引潮力勢(shì) 月球引潮力勢(shì)：太陽引潮力勢(shì)：月球引潮力：太陽引潮力：潮高表達(dá)式：99式中：G-萬有引力常數(shù)；M-月球質(zhì)量；S-太陽質(zhì)量；E-地球質(zhì)量； -天頂距;r-地球半徑；D，D-月地、日地間