海冰對人工島護坡穩定性影響的分析計算

穆 劍，苗文成

（中國石油勘探與生產公司，北京 100088）

海冰對人工島護坡穩定性影響的分析計算

穆 劍，苗文成

（中國石油勘探與生產公司，北京 100088）

通過海冰與人工島護坡結構相互作用的理論分析，對遼東灣某人工島護坡結構抗冰穩定性進行了計算，并對影響抗冰穩定性計算的相關參數進行了分析，結果表明，1 t扭王字塊體和2 t扭王字塊體均滿足海冰作用下的穩定性要求，300 kg護面塊石不能滿足海冰作用下的穩定性要求；現有關于海冰與斜坡式人工島護坡結構的計算方法偏于保守，有待于改進。

海冰；灘海；人工島；護坡結構；穩定性

0 引言

作用在灘海結構物上且對護坡結構穩定性影響較大的環境荷載主要有：波浪荷載、海流荷載、冰荷載及地震荷載。海冰作為海洋與大氣相互作用的媒介，其形成機理及對構筑物的作用過程，都依賴于工程所處的地理位置及海冰生成的海洋環境條件。同時由于海冰的產生，使復雜多變的海洋環境又增加了冰蓋動力學、冰物理學以及與海洋工程設計相關的許多工程問題，故工程區冰情輕重將直接影響海上油氣資源的勘探開發和利用。

本文以遼東灣某人工島為例，闡述了海冰與人工島護坡結構相互作用的機理，并對人工島工程護坡結構進行了抗冰穩定性計算分析。

1 冰與人工島護坡相互作用機理

海冰與結構物的相互作用是一個極為復雜、隨機的作用過程，各種作用形式共存，海冰的破壞方式為擠壓破壞、沖擊破壞、剪切破壞、彎曲破壞等多種破壞形式的綜合。大量的海冰基礎實驗說明，海冰是一種抗壓不抗彎的近脆性材料，因此在工程設計過程中可充分利用這一性質。

冰排與斜面的相互作用是典型的彎曲破壞。作用過程為：首先，冰排以一定的速度撞擊到結構斜面上，冰排與斜面接觸處發生局部破壞，斜面開始承受冰力；接著，冰排繼續向前推進，沿斜面向上挑起，形成一塊受彎板；隨著冰排進一步的向前移動，其被挑起的高度、幅度變大，表面出現徑向裂紋，邊緣出現一條很長的弧形裂紋；在冰排和斜面結構的繼續作用下，最終，弧形裂紋突然發生斷裂，被挑起的冰排沿徑向裂紋分裂成碎冰塊，碎冰塊或是從斜面體兩側滑落，或是沿斜面表面上爬后翻轉、滑落，這樣冰排與斜面結構的一個相互作用過程就完成了。后續的冰排會繼續在環境荷載的作用下撞擊到斜面上，開始下一個過程。

冰排破裂后形成冰塊，在后續冰板的推動下，將沿斜面上爬。此時，作用于上爬冰塊上的力有摩擦力、冰塊重力和后續冰板的推力。對后續冰板而言，其作用力包括兩部分：一部分是冰板破裂所需的力，另一部分是已破裂的冰塊沿斜面上滑所需的力。任何時刻，冰作用于斜坡結構物上的合力等于給定時刻這些力的疊加。

當結構物迎冰面的寬度和冰板的寬度都足夠大時，可以把受力模型簡化為二維問題，結構物所受荷載由兩部分組成：一是使冰板破裂的力，二是破裂后使冰塊沿斜面上滑的力。二維模型中冰對斜面結構的作用力如圖1所示。

根據相互作用關系和庫侖摩擦定律，作用于冰板上的水平分力Fx和垂直分力Fz分別為：

式中μ——冰與結構物斜面之間的摩擦系數；

α——斜面的水平傾角；

Ν——作用于結構物斜面上的正壓力。

在極限范圍內，Fx最大值將由邊界處受力的冰板的強度控制。假定冰板為作用在彈性基礎上的梁，其強度由彎矩控制。根據彎曲理論，得到單位寬度結構物上的初始水平力為：

式中H——初始水平力；

b——梁寬；

σf——矩形截面梁純彎矩時的應力；

ρw——海水密度；

g——重力加速度；

h——海冰厚度；

E——海冰的彈性模量。破裂后的冰塊爬坡力P為：

式中Z——冰爬高度；

ρi——海冰密度。

具有一定速度的冰板，觸及到結構物斜面，發生彎曲破壞，并沿斜坡上爬，這一過程是由上述二力合成作用的結果。因此，作用于結構物上的合力為：

2 護坡結構抗冰計算分析

遼河油田淺海資源開發區位于遼寧省營口市鲅魚圈韭菜坨子至錦西市葫蘆島高角連線以北的遼東灣頂部海域，目前主要開發區域基本上為5 m水深以內的灘海海域，是遼東灣重冰區之一。

抗冰計算參數為：流冰最大速度1.0～1.1 m/s，海冰彈性模量2.20 GPa、極限抗壓強度2 200 kPa、極限抗彎強度228kPa[1]，50年一遇冰厚h=50cm，海冰密度ρi=900 kg/m3， 海水密度ρw=1 025 kg/m3，梁寬b=1 m。

護面塊體分別選取300 kg塊石、1 t扭王字塊體、2 t扭王字塊體等進行計算。通過試驗測定并參考相關文獻，取冰與塊石或扭王字塊體的摩擦系數 μ=0.3。

而文獻[2]和[3]中的計算實例選取的遼東灣北部海冰參數為：海冰彈性模量為0.5 GPa；海冰極限抗彎強度為639 kPa。

本文將取上述兩組不同的彈性模量、極限抗彎強度參數分別進行冰荷載計算，計算結果見表1。

表1 作用于斜坡結構物的冰荷載

護面塊體在海冰作用下保持穩定的判別標準為：μ·N/b大于塊體自重沿斜坡方向的分量與塊體、墊層石之間摩擦力之和。

不同型式護面塊體抗冰穩定性計算結果見表2。

表2 不同型式護面塊體穩定性計算結果

結果表明：在兩組具有不同的彈性模量和極限抗彎強度的海冰作用下，1 t和2 t扭王字塊體均滿足穩定性要求；300 kg護面塊石在E=2.20 GPa、[σf]=228kPa時為臨界穩定， 在E=0.5GPa、 [σf]=639 kPa時不能夠滿足海冰作用下的穩定性要求。

3 抗冰計算影響因素分析

（1）海冰與護坡摩擦系數。關于海冰與材料的摩擦系數試驗，發表的成果很多，但關于海冰與護面塊石、海冰與扭王字塊體的摩擦系數試驗成果發表很少。有試驗表明[2]，一般情況下海冰與水泥塊體之間的動摩擦系數與靜摩擦系數相差不大，為0.10~0.22。本文采用的摩擦系數為0.3，是偏于保守的。

（2）海冰強度參數。斜坡式人工島護坡結構與海冰相互作用時，海冰荷載的計算將以海冰的彎曲強度為基礎，海冰設計彎曲強度取值的合理程度直接影響著海洋工程結構物的安全運營和造價。本文中兩種強度參數的取值對計算結果影響較大，海冰強度參數的取值可參照相關標準和規范，也可以通過多年統計值綜合選取[3]。

（3）海冰對斜坡式人工島護坡結構的工程危害。海冰對海上結構危害主要表現在靜荷載、動荷載以及海冰的爬坡堆積。海冰靜荷載指海冰在流和風作用下與結構物發生作用而導致冰板自身發生擠壓或彎曲破壞給工程結構物帶來的水平荷載；海冰動荷載指大面積冰盤在流和風驅動下與海上平臺接觸，造成平臺振動，冰激振動的累積效應造成結構損傷和抵抗能力衰減，還可能激發結構物的共振；海冰和斜坡式人工島之間作用的危害主要表現為海冰在人工島前的堆積、爬坡，越過防浪墻進入島體內部，危害設施安全[4]。因此斜坡式人工島抗冰措施應主要針對海冰在人工島前的堆積和爬坡，同時也要考慮融冰時，會加劇波浪對護坡結構的作用。

[1]王登婷，潘軍寧，焦志斌.渤海灘海區域人工島護坡破壞機理與防護措施可靠性研究報告[R].南京：南京水利科學研究院，2010.

[2]孟廣琳，張明遠，隋吉學.海冰與材料的摩擦系數試驗分析[J].海洋環境科學，1995，14（1）：74-80.

[3]季順迎，王安良，蘇潔，等.環渤海海冰彎曲強度的試驗測試及特性分析[J].海洋環境科學，2011，22（2）：266-272.

[4]孔祥鵬，張波，張勇.淺水區斜坡人工島海冰危害及減災措施[J].大連海事大學學報，2007，33（4）：101-104.

Analysis and Calculation of Effect of Sea Ice on Revetment Structure Stability of Artificial Island

MU Jian（PetroChina Exploration and Production Co.,Beijing 100088,China）,MIAO Wen-cheng

By means of theoretically analyzing the interaction of sea ice and revetment structure of artificial island，the ice resistance stability of revetment structure of the artificial island in Liaodong Bay was calculated,and some related parameters which could affect ice resistance stability calculation were analyzed.Results showed that 1 t and 2 t accropodes could meet the stability requirement under the action of sea ice,but 300 kg armor stones could not;existing computing method about the interaction of sea ice and revetment structure of artificial island would tend to be conservative and should be improved.

sea ice;beach;artificial island;revetment structure;stability

10.3969/j.issn.1001-2206.2012.01.007

穆 劍 （1960-），男，北京人，高級工程師，1982年畢業于中國地質大學 （武漢）地質專業，2002年畢業于中國地質大學 （北京）地質專業，博士，現從事石油勘探與生產管理工作。

2011-11-28