人工鱼礁初始贯入深度分析及稳定性研究

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投放人工鱼礁作为建设海洋牧场的主要技术手段,在世界各国得到广泛使用。人工鱼礁在使用过程中存在倾覆、滑移、沉降和冲刷等稳定性问题。其中,严重的沉降会影响人工鱼礁空间有效利用率和使用寿命。为了减少沉降带来的影响,各国的学者通过分析潮流、波浪、海床承载力、人工鱼礁结构和堆放密度等因素对人工鱼礁沉降现象的影响提出了许多解决方法。但是,学者们考虑的大多是人工鱼礁长久放置后产生的沉降问题,很少有人探究人工鱼礁无导向投放后产生的初始贯入深度对人工鱼礁的影响。初始贯入深度不仅会直接影响人工鱼礁的有效利用率,还会对人工鱼礁长期的稳定性产生一定的影响。探究不同因素对人工鱼礁初始贯入深度的影响规律可以为实际工程中控制初始贯入深度提供理论依据,而控制初始贯入深度可以有效提高人工鱼礁的稳定性。因此,本文在充分搜集资料、查阅文献的基础上,对不同因素对人工鱼礁初始贯入深度的影响规律以及初始贯入深度对稳定性的影响展开研究。本文主要研究工作分为以下几个部分:(1)开展研究区海床土体工程地质力学土工试验工作。对山东某海洋牧场所在海域的表层海床土体进行现场原位试验和室内土工试验,试验内容包括微型十字板原位抗剪强度测试、三轴固结不排水试验、室内直剪试验等。(2)对人工鱼礁投放全过程进行分析研究,得到不同投放阶段人工鱼礁的力学响应规律。建立了人工鱼礁水中运动阶段力学模型和人工鱼礁贯入海床阶段力学模型,并利用MATLAB软件对两个阶段力学模型进行数值计算。分析了人工鱼礁重量、释放高度、海床土特性等不同参数对贯入海床初始速度及贯入海床深度的影响。(3)基于CEL方法对人工鱼礁投放全过程进行数值模拟。首先,探究了人工鱼礁的水中运动规律,对人工鱼礁的贯入速度变化规律进行分析,得到了人工鱼礁重量、开口比和释放高度对人工鱼礁贯入速度的影响规律。在此基础上,对人工鱼礁贯入海床过程进行数值模拟。探究了人工鱼礁底端外形、贯入角度、贯入速度和海床土体土质对初始贯入深度的影响规律,并且与力学模型计算结果进行对比。研究结果表明,人工鱼礁重量、开口比与贯入速度成正比,而释放高度只在一定范围内与贯入速度成正比,当速度到达一个临界值时,人工鱼礁将变为匀速运动。人工鱼礁贯入角度、贯入速度与初始贯入深度成正比,海床抗剪强度与初始贯入深度成反比,而人工鱼礁底端外形会影响端部压力分布,压力分布越均匀,初始贯入深度越小。通过对比可知,数值模拟结果与力学模型计算结果整体吻合,误差较小,验证了本文人工鱼礁投放全过程预测模型的正确性。(4)对不同贯入深度的人工鱼礁稳定性进行分析研究,建立了人工鱼礁稳定性分析的力学模型和数值模型。探究了贯入深度对人工鱼礁稳定性的影响规律,结果表明,贯入深度与人工鱼礁可承受最大海水流速成正比。提出了考虑贯入深度因素的稳定性理论计算方法,对人工鱼礁工程实践提出了合理化建议。
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