海冰对人工岛护坡稳定性影响的分析计算

穆 剑，苗文成

（中国石油勘探与生产公司，北京 100088）

海冰对人工岛护坡稳定性影响的分析计算

穆 剑，苗文成

（中国石油勘探与生产公司，北京 100088）

通过海冰与人工岛护坡结构相互作用的理论分析，对辽东湾某人工岛护坡结构抗冰稳定性进行了计算，并对影响抗冰稳定性计算的相关参数进行了分析，结果表明，1 t扭王字块体和2 t扭王字块体均满足海冰作用下的稳定性要求，300 kg护面块石不能满足海冰作用下的稳定性要求；现有关于海冰与斜坡式人工岛护坡结构的计算方法偏于保守，有待于改进。

海冰；滩海；人工岛；护坡结构；稳定性

0 引言

作用在滩海结构物上且对护坡结构稳定性影响较大的环境荷载主要有：波浪荷载、海流荷载、冰荷载及地震荷载。海冰作为海洋与大气相互作用的媒介，其形成机理及对构筑物的作用过程，都依赖于工程所处的地理位置及海冰生成的海洋环境条件。同时由于海冰的产生，使复杂多变的海洋环境又增加了冰盖动力学、冰物理学以及与海洋工程设计相关的许多工程问题，故工程区冰情轻重将直接影响海上油气资源的勘探开发和利用。

本文以辽东湾某人工岛为例，阐述了海冰与人工岛护坡结构相互作用的机理，并对人工岛工程护坡结构进行了抗冰稳定性计算分析。

1 冰与人工岛护坡相互作用机理

海冰与结构物的相互作用是一个极为复杂、随机的作用过程，各种作用形式共存，海冰的破坏方式为挤压破坏、冲击破坏、剪切破坏、弯曲破坏等多种破坏形式的综合。大量的海冰基础实验说明，海冰是一种抗压不抗弯的近脆性材料，因此在工程设计过程中可充分利用这一性质。

冰排与斜面的相互作用是典型的弯曲破坏。作用过程为：首先，冰排以一定的速度撞击到结构斜面上，冰排与斜面接触处发生局部破坏，斜面开始承受冰力；接着，冰排继续向前推进，沿斜面向上挑起，形成一块受弯板；随着冰排进一步的向前移动，其被挑起的高度、幅度变大，表面出现径向裂纹，边缘出现一条很长的弧形裂纹；在冰排和斜面结构的继续作用下，最终，弧形裂纹突然发生断裂，被挑起的冰排沿径向裂纹分裂成碎冰块，碎冰块或是从斜面体两侧滑落，或是沿斜面表面上爬后翻转、滑落，这样冰排与斜面结构的一个相互作用过程就完成了。后续的冰排会继续在环境荷载的作用下撞击到斜面上，开始下一个过程。

冰排破裂后形成冰块，在后续冰板的推动下，将沿斜面上爬。此时，作用于上爬冰块上的力有摩擦力、冰块重力和后续冰板的推力。对后续冰板而言，其作用力包括两部分：一部分是冰板破裂所需的力，另一部分是已破裂的冰块沿斜面上滑所需的力。任何时刻，冰作用于斜坡结构物上的合力等于给定时刻这些力的叠加。

当结构物迎冰面的宽度和冰板的宽度都足够大时，可以把受力模型简化为二维问题，结构物所受荷载由两部分组成：一是使冰板破裂的力，二是破裂后使冰块沿斜面上滑的力。二维模型中冰对斜面结构的作用力如图1所示。

根据相互作用关系和库仑摩擦定律，作用于冰板上的水平分力Fx和垂直分力Fz分别为：

式中μ——冰与结构物斜面之间的摩擦系数；

α——斜面的水平倾角；

Ν——作用于结构物斜面上的正压力。

在极限范围内，Fx最大值将由边界处受力的冰板的强度控制。假定冰板为作用在弹性基础上的梁，其强度由弯矩控制。根据弯曲理论，得到单位宽度结构物上的初始水平力为：

式中H——初始水平力；

b——梁宽；

σf——矩形截面梁纯弯矩时的应力；

ρw——海水密度；

g——重力加速度；

h——海冰厚度；

E——海冰的弹性模量。破裂后的冰块爬坡力P为：

式中Z——冰爬高度；

ρi——海冰密度。

具有一定速度的冰板，触及到结构物斜面，发生弯曲破坏，并沿斜坡上爬，这一过程是由上述二力合成作用的结果。因此，作用于结构物上的合力为：

2 护坡结构抗冰计算分析

辽河油田浅海资源开发区位于辽宁省营口市鲅鱼圈韭菜坨子至锦西市葫芦岛高角连线以北的辽东湾顶部海域，目前主要开发区域基本上为5 m水深以内的滩海海域，是辽东湾重冰区之一。

抗冰计算参数为：流冰最大速度1.0～1.1 m/s，海冰弹性模量2.20 GPa、极限抗压强度2 200 kPa、极限抗弯强度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，梁宽b=1 m。

护面块体分别选取300 kg块石、1 t扭王字块体、2 t扭王字块体等进行计算。通过试验测定并参考相关文献，取冰与块石或扭王字块体的摩擦系数 μ=0.3。

而文献[2]和[3]中的计算实例选取的辽东湾北部海冰参数为：海冰弹性模量为0.5 GPa；海冰极限抗弯强度为639 kPa。

本文将取上述两组不同的弹性模量、极限抗弯强度参数分别进行冰荷载计算，计算结果见表1。

表1 作用于斜坡结构物的冰荷载

护面块体在海冰作用下保持稳定的判别标准为：μ·N/b大于块体自重沿斜坡方向的分量与块体、垫层石之间摩擦力之和。

不同型式护面块体抗冰稳定性计算结果见表2。

表2 不同型式护面块体稳定性计算结果

结果表明：在两组具有不同的弹性模量和极限抗弯强度的海冰作用下，1 t和2 t扭王字块体均满足稳定性要求；300 kg护面块石在E=2.20 GPa、[σf]=228kPa时为临界稳定， 在E=0.5GPa、 [σf]=639 kPa时不能够满足海冰作用下的稳定性要求。

3 抗冰计算影响因素分析

（1）海冰与护坡摩擦系数。关于海冰与材料的摩擦系数试验，发表的成果很多，但关于海冰与护面块石、海冰与扭王字块体的摩擦系数试验成果发表很少。有试验表明[2]，一般情况下海冰与水泥块体之间的动摩擦系数与静摩擦系数相差不大，为0.10~0.22。本文采用的摩擦系数为0.3，是偏于保守的。

（2）海冰强度参数。斜坡式人工岛护坡结构与海冰相互作用时，海冰荷载的计算将以海冰的弯曲强度为基础，海冰设计弯曲强度取值的合理程度直接影响着海洋工程结构物的安全运营和造价。本文中两种强度参数的取值对计算结果影响较大，海冰强度参数的取值可参照相关标准和规范，也可以通过多年统计值综合选取[3]。

（3）海冰对斜坡式人工岛护坡结构的工程危害。海冰对海上结构危害主要表现在静荷载、动荷载以及海冰的爬坡堆积。海冰静荷载指海冰在流和风作用下与结构物发生作用而导致冰板自身发生挤压或弯曲破坏给工程结构物带来的水平荷载；海冰动荷载指大面积冰盘在流和风驱动下与海上平台接触，造成平台振动，冰激振动的累积效应造成结构损伤和抵抗能力衰减，还可能激发结构物的共振；海冰和斜坡式人工岛之间作用的危害主要表现为海冰在人工岛前的堆积、爬坡，越过防浪墙进入岛体内部，危害设施安全[4]。因此斜坡式人工岛抗冰措施应主要针对海冰在人工岛前的堆积和爬坡，同时也要考虑融冰时，会加剧波浪对护坡结构的作用。

[1]王登婷，潘军宁，焦志斌.渤海滩海区域人工岛护坡破坏机理与防护措施可靠性研究报告[R].南京：南京水利科学研究院，2010.

[2]孟广琳，张明远，隋吉学.海冰与材料的摩擦系数试验分析[J].海洋环境科学，1995，14（1）：74-80.

[3]季顺迎，王安良，苏洁，等.环渤海海冰弯曲强度的试验测试及特性分析[J].海洋环境科学，2011，22（2）：266-272.

[4]孔祥鹏，张波，张勇.浅水区斜坡人工岛海冰危害及减灾措施[J].大连海事大学学报，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 剑 （1960-），男，北京人，高级工程师，1982年毕业于中国地质大学 （武汉）地质专业，2002年毕业于中国地质大学 （北京）地质专业，博士，现从事石油勘探与生产管理工作。

2011-11-28