海洋环境与钻采工程 第四五章

1、第四章 海流与海流载荷 第一节 海流分类、成因和海流分布一 分类、成因与特征 海流：海水水平或垂直地由一个海区向另一个海区的大规模流动。1 按成因分类按成因分类 潮 流： 引潮力，即日、月引力与地月运动离心力之和 风海流： 风切应力 密度流 ：等压面倾斜产生压差梯度力 波浪流： 波浪传播至沿岸所产生的沿岸流2 按时间特性分类按时间特性分类 周期性海流： 潮流，T=12-24hr 非周期性海流：其他海流3 按流动范围分类按流动范围分类 近岸海流；近海海流；外海海流。4 按温度分类按温度分类 寒流；暖流。二、海洋总的环流模式二、海洋总的环流模式 1、世界大洋表面的环流模式 2、太平洋海水的表层环流

2、 3、我国近海环流的一般规律 （1）渤海，黄海，东海等边缘海，海流基本是黑潮分支及近岸流。 （2） 南海海流主要由季风支配，具有风海流的特点。 第二节 海流载荷一 海流对工程结构和工程活动的影响1.对结构强度的影响 2 对基础稳定的影响（冲刷，掏空）3 对工程系统的性能的影响4 对工程活动的影响 （脱航，就位）5 对腐蚀速度的影响很大 （带走腐蚀产物，磨蚀）二 海流的流动特征1 潮流 Tidal Current 海水在引潮力作用下周期性地水平流动（分半日潮流，混合潮流，全日潮流）。 存在往复流，旋转流。 海流水质点速度分布特征：方向相同，大小沿水深呈指数分布。2 风海流 Wind Curren

3、t 风对海面的切应力的推动使海水产生的水平运动 在风力、地转偏向力与垂向紊动阻力达到平衡时形成稳定流动，风海流水质点不在同一平面内，呈螺旋形状，即Ekman Spiral三 海流速度的确定（沿水深的分布）1 实测法2 经验法 采用指数型式来简化流速分布 潮流： 风海流： 总流速：)()()()()()()(107/10zuzuzudzuzudzuzuWTWWTT四 海流载荷计算 原理： 粘性流体阻力公式；单位长度结构载荷： 总载荷：zdzzfMdzzfFzuACzfdCCdCCCpDC)()()(21)(002海流载荷计算示意图dOXdzZfO海底铅直园柱结构z潮流流速风海流流速第五章 海冰与

4、海冰载荷 第一节 海冰分类及结构特征一 海冰分类1 从存在形态分类从存在形态分类 族 类 状 固定冰 初生冰，饼冰，皮冰 平整冰，重叠冰，堆积冰 浮冰 沿岸冰，锚冰 冰山，冰丘2 从存在时期来分（我国）从存在时期来分（我国） 初冰期冰：一个月，冰较薄，冰界小，无重叠，含盐量大，质松易碎。 盛冰期冰：50-70天，重叠严重，日变化与月变化小，结构紧密，坚硬，强度高。 融冰期冰： 15-20天，多浮冰，随风海流漂动，冰质疏松，强度低。二 海冰的结构特征 自然海冰实质上是由纯冰晶体、盐水滴和微小气泡构成的坚硬固体，冰层上部为晶粒较细的晶体群，下部为柱状的晶体群，长轴垂直向上，长短不一，故海冰为各向异

5、性材料。 随时间推移，海冰中的盐水滴越变越小，含盐量也越来越小，强度越来越高。 第二节 我国冰情概况 冰情：指冰冻的严重程度，按盛冰期冰界和冰厚分为五等： 轻冰年；偏轻冰年；常冰年；偏重冰年；重冰年。一、 一般年份冰情 结冰：11月下旬开始由北向南结冰，第二年2月下旬由南向北化冰。 辽东湾：冰冻最严重，盛冰期为1月上旬至2月上旬，冰厚15-40cm，冻区离岸5-17km。 渤海湾：冰厚10-40cm，冻区离岸10-40km。二 重大冰情 1936，1947，1969年出现过重大冰情。 辽东湾：封冻，北部冰厚30-150cm，最大250cm，东岸冰厚20-60cm，最大120cm,西岸15-60

6、cm,最大90cm。 渤海湾：冰厚30-45cm，最大厚度 150cm，冻区离岸30-40km。 第三节 海冰力学性能一 海冰力学研究方法1.现场观测研究 现场测试海冰各力学特性参数。 2 实验研究 在实验模拟室条件下进行海冰力学特性测试。二 海冰力学特性1 海冰的力学特性参数海冰的力学特性参数1） 抗压强度 单位面积上承受的压力载荷。 实验表明：温度升高，强度降低，温度降低，强度升高，应变率较低时为弹塑性破坏，较高时为脆性破坏。 含盐量升高，强度降低；含盐量降低，强度升高。2） 抗弯强度 指海冰抵抗弯曲的能力。 f=(0.23-0.40) c，影响因素同上。3) 弹性模量 是含盐量、温度、应

7、变率等的函数，具有粘弹性材料特性。cf25Kg/cm100.98)(0.17E2 海冰力学特性的影响因素海冰力学特性的影响因素 与冰晶结构，含盐量，温度，加载率，应变率有关，故海冰力学特性参数具有很强的区域性。 第四节 海冰载荷计算一 海冰与结构作用形式1.作用形式作用形式 存在三种作用形式：挤压，撞击和粘附。2 载荷载荷 1）挤压载荷 当海冰固结在结构周围时，海冰若有运动或运动趋势，即可产生对结构的挤压力。 2）撞击载荷 浮冰在风、浪、流的推动下，以一定速度撞击结构，产生撞击载荷 3）垂向附着力当海冰固结在结构周围时，水位变化使冰体对结构产生垂向载荷。3 3 海冰载荷的影响因素海冰载荷的影响

8、因素1）海冰力学特性（抗压强度、抗弯刚度、弹性模量）2）结构特性（形状，刚度）3）作用形式（撞击、挤压、粘附）二 直立桩柱结构物上水平挤压载荷计算 1.API计算公式计算公式 （5-1）式中： BhCFcH 2.前苏联前苏联式中：A：温度系数； 解冰期最低温度为0 C时取A=1.0； 0 C以下，取A=2.0 k1：局部挤压系数 （2.0-3.0） k2：接触系数 （0.2-0.4） h：冰厚 b：冰与结构接触面投影宽度hbkmAkFcH21 c：海冰抗压强度 m：结构迎冰面形状系数，取值如下：2 180 120 90 75 60 半圆形 m 1.0 0.81 0.73 0.69 0.65 0

9、.90 关于k1,k2的意义： k1：局部挤压系数，修正冰与结构挤压面和冰试件受压时的面积差异影响。 k2：接触系数：考虑冰与结构表面凹凸不平，真实接触面积小于表观接触面积的折减系数。 ZC规范推荐取k1=2.5;k2=0.45.三 撞击载荷计算 浮冰撞击结构时，冰发生脆性破坏，浮冰的动能转化为：1）破冰作功；2）结构变形作功；3）冰体残余动能。 由能量平衡关系： 式中：S：浮冰面积；h:冰厚，V：浮冰初速度， Ti:破冰作功，Ts结构变形作功， Tsi：冰体残余动能。)25(212sisiiTTTShv1 刚度无穷大的尖角迎冰面结构载荷刚度无穷大的尖角迎冰面结构载荷 由于结构刚度无穷大，故可

10、认为Ts=0，并忽略Tsi，能量平衡关系如下式：)55(2)45()35(21212xtgbbkmhkpTShvcii且如下图所示，有：b2x结构浮冰冰被切入深度x所消耗的功为：由能量平衡关系式（5-3），解出x值，再求出最大撞击载荷Pmax )85(2)75(221max212StgkmkhvPtgkmkSvxiccipxdxpTxi2102 刚度无穷大时圆形结构的撞击载荷刚度无穷大时圆形结构的撞击载荷如下图所示：有以下几何关系：dRdxRbRxsinsin2)cos1()95(sin2)(2121Rkmhkbkmhkpccb2x浮冰结构Rb2x浮冰结构R当xR时，破冰作功积分为：)115(

11、)4(2)(2sin)()(2221212/00RRxRkmhkRxRkmhkdpRdxpTccxi 由能量平衡关系（5-3）求出x，若xR时，Pmax为：RkmhkPRkmkSvRxcici21max22122)41(413 结构刚度为结构刚度为K时的尖角迎冰面结构载荷时的尖角迎冰面结构载荷 结构发生位移为=p/K，功能关系为：KppxSvKppTpxTisi22221212122121经变形得：tgkhkKtgKkmhkShvpKptgkmhkpSvtgkxmhkpccicic2121222122212222b2x结构浮冰四 垂向附着力 当冰层与结构固结在一起时，水位变化造成海冰产生对结构的垂向附着力（冰层对桩柱的上拔力），由弹性力学原理，得出， 式中：h:冰厚 d:园柱直径dhhp50ln3002hd冰园柱五 海冰对倾斜构件的作用力 作用特征：当海冰与倾斜构件接触时，海冰破坏主要以弯曲断裂为主，而受弯破坏作用力是Fv，如图所示，冰与斜面存在摩擦