海底沙波形成运移及其工程影响(新时代海上工程创新技术与实践丛书)_臧志鹏谢波涛张金凤编著_9787547862711

本书阐述了海底沙波的主要形成机理、动力条件及常见的研究方法和主要成果，并就海底沙波对于海底管道工程的影响进行了论述。本书研究内容涵盖了海洋动力学、泥沙运动力学等主要海洋和海岸领域力学分析原理、准则和方法，可为读者对于海底沙波这一海洋重要的地貌特征的认识和研究提供进一步帮助。
本书可供海洋石油开发中海底结构设计和研究相关技术人员使用，也可供高等院校相关专业研究生参考使用。

海底沙波是发育在海底床面上的一种近似规则的起伏地貌形态，是非黏性沙质海床上的常见底形，是近底流场、底床形态、沉积物输运共同作用下的复杂的时空多尺度系统。海底沙波的一个重要特征是具有活动性，可在外界水动力作用下发生迁移演化。活动的海底沙波可对海底管道、海洋平台基础、海底电缆、港口航道疏浚等工程产生重要影响。最大限度地减少和防止海底沙波等海洋地质灾害引起的工程事故的发生，已经成为海洋工程领域最热的课题之一。研究海底沙波的发育、演化和运动规律，对于海洋能源开发、港口航运、海事安全保障等领域具有重要意义。
我国正处于向世界海洋强国行列迈进的过程中，深海油气资源开发是国家能源安全的重要保证，具有重要的战略意义。海洋中海底沙波普遍存在且严重危害海底管道等工程，已经成为科学和工程领域关注的热点。深刻揭示海底沙波形成机理和运移规律，可以在设计和维护阶段正确认识和评估海底沙波等地质灾害的影响，以便采取积极有效的预防措施，保证海底管道等的安全运行。本书研究内容和目标符合我国深海能源开发的国家战略需求，属于自然科学基金委十四五优先发展领域中深海和极地工程装备设计和运维的基础理论的研究方向。
本书作者团队在海洋工程生产和研究中围绕着海底沙波及其工程影响开展了大量的工作，也积累了一定的经验。本书的编写得到了国家自然科学基金项目(51579232、51890913
和52371289)及中国海洋石油集团公司十四五重大科技项目《深水海底管道和立管关键技术和国产化》的资助。在编写过程中，杨阳、赵立萌、张馨心、宗昊明等对于文献的整理和文本编辑做了大量工作，在此表示感谢。
由于作者水平有限，而且概述涉及科学面较广，错误和不当之处在所难免，恳请广大读者批评指正。
作者
2023年7月

臧志鹏博士，天津大学建筑工程学院副教授，《China Ocean Engineering》期刊青年编委、《船舶工程》等期刊编委。其主要从事海岸水动力、泥沙运动及海岸地貌演变等方面的研究，先后承担自然基金面上项目3项、青年项目1项、自然基金重大项目子课题1项及省部级课题5项，此外还承担了港口海岸工程、海洋工程实际应用项目15项。获天津市科学技术进步奖三等奖1项、中国航海学会科学技术进步二等奖1项；在国内外学术刊物发表论文 60余篇；出版专著2部；授权发明专利17项，授权软件著作权3 项。

谢波涛中海油研究总院有限责任公司环境条件首席工程师，中国海洋学会-海气相互作用委员会副主任委员、中国海洋工程咨询协会深海技术与工程分会理事。其主要从事海洋工程设计标准、深水海洋动力环境条件等方面的研究，主持和参与国家高技术研究发展计划（863计划）、重点研发计划、国家自然科学基金联合项目及中海油集团公司科研项目等10余项；负责了全球首座10万吨级深水半潜式生产储油平台深海一号、亚洲第一深水导管架海基一号、我国首个深远海浮式风电平台观澜号等项目环境动力参数的研究及工程应用，为我国深水海洋工程的设计、安全做出贡献。获优秀设计金奖3项；编制行业、企业标准10余项；发表论文40余篇。
张金凤天津大学建筑工程学院教授，博士生导师。其主要从事海岸动力过程与河口海岸泥沙运动机理、波浪-海床-结构物相互作用及灾害性气候数值模拟等方面的研究，首次从介观尺度对黏性泥沙絮凝过程进行数值模拟，开辟了从细观尺度研究黏性泥沙运动机理的新途径，丰富了黏性泥沙输移理论。主持和参与国家高技术研究发展计划（863计划）、重点研发计划、国家自然科学基金联合（重点）项目及面上项目等10余项，天津市自然科学重点基金及其他省部级和横向科研课题多项。获水运建设行业科技进步一等奖1项；出版1部教材；发表论文60余篇。

第1章
海底沙波概述 ……1
1.1 海底沙波分类及描述/2
1.1.1 海底沙波分类 /2
1.1.2 海底沙波描述参数/4
1.2 海底沙波形成机理/5
1.2.1 海底沙波形成基本要素/5
1.2.2 海底沙波形成水动力因素 /6
1.3 沙波研究方法/8
1.3.1 现场观测方法/8
1.3.2 数值研究方法/11
1.3.3 模型试验方法 /13
1.4 我国近海海底沙波分布/14
1.4.1 台湾海峡 /14
1.4.2 渤海区域 /15
1.4.3 南海北部 /16
1.4.4 东海近海/17
1.4.5 福建近海/19
参考文献 /20
第2章海底沙波水动力作用 ………………………………25
2.1 潮流运动 /26
2.1.1 潮汐形成及特点/26
2.1.2 潮流运动特点/28
2.2 海流运动/29
2.2.1海流形成因素/29
2.2.2 海流速度分布/32
2.3 波浪运动/34
2.3.1 线性波浪/34
2.3.2 非线性波浪/37
2.3.3 随机波浪/38
2.4 水动力对海床作用/40
2.4.1 海流作用/41
2.4.2波浪作用/43
2.4.3 波流共同作用/45
参考文献/47
第3章泥沙运动基本理论… ………………………… 49
3.1 水和泥沙特性/50
3.1.1 水的密度和黏度/50
3.1.2 泥沙特性/50
3.1.3 水沙混合物/52
3.1.4渗透性/52
3.1.5可液化性/54
3.2 泥沙颗粒临界起动/54
3.2.1 临界起动流速和波高/55
3.2.2 临界起动剪切应力/55
3.3 推移质输运/57
3.3.1海流下的推移质输运/58
3.3.2波浪下的推移质输运/59
3.3.3 波流作用下的推移质输运/60
3.4 悬移质输运/61
3.4.1悬浮标准和颗粒大小/61
3.4.2 沉降速度/62
3.4.3 海流下的泥沙浓度/63
3.4.4 波浪下的泥沙浓度/66
3.4.5 波流作用下的泥沙浓度/67
3.4.6 泥沙浓度方程及输沙率/67
参考文献/68
第4章海底沙波的实验室模拟 …………………… 71
4.1 波浪作用下的海底沙波运动/72
4.1.1 沙波发展及流动结构/72
4.1.2 沙波特征尺度预测/74
4.2 潮流作用下的海底沙波运动/76
4.2.1 沙波发展及控制因素/76
4.2.2沙波特征尺度影响因素/79
4.2.3 沙波特征尺度预测/82
4.2.4 沙波形态特征/85
4.3 波流作用下的海底沙波运动/87
4.3.1 沙波发展及基本形态特征/87
4.3.2沙波特征尺度影响因素/89
4.3.3 沙波特征尺度预测/91
参考文献/94
第5章海底沙波稳定性分析 ……………… 97
5.1 数学模型介绍/98
5.1.1 2DV Flow模型/98
5.1.2沉积物运输和海床模拟/98
5.1.3 自由面和海床边界条件/99
5.1.4流入和流出边界条件/100
5.2 海底沙波发展过程稳定性分析/101
5.2.1 沙波形成流场机理/101
5.2.2 单向流下沙波的发展/101
5.2.3 稳定性分析实例加的斯湾沙波/104
5.3 沙波影响参数分析/106
5.4 海底沙波疏浚影响/111
参考文献/113
第6章浅海区域海底沙波数值模拟… ···…… 115
6.1 ROMS数值模型/116
6.1.1 控制方程/116
6.1.2 边界条件/118
6.1.3 沙波模型的建立/119
6.1.4 极端条件的影响/120
6.2 正常海况下的沙波演化/121
6.2.1 沙波的长期演变/121
6.2.2 沙床属性对沙波演化的影响/122
6.2.3 不同月份之间的沙波变化规律/124
6.3 极端条件下的沙波演化/124
6.3.1 极端条件下四种水动力条件/125
6.3.2极端条件下沙波演化规律/125
6.4 台风下沙波移动的经验预测/127
6.4.1 海底沙波基本情况/127
6.4.2 经验公式预测方法/129
6.4.3 正常海况下的沙波迁移/129
6.4.4 台风作用下的沙波迁移/131
参考文献/133
第7章深水陆架区海底沙波数值模拟 ··…··…… 135
7.1 内波作用下沙波运动的数值模拟方法/136
7.1.1 控制方程/136
7.1.2 湍流模型/137
7.1.3 网格设置/139
7.1.4 内波设置参数/139
7.1.5 验证效果/141
7.2 陆坡上内波传播过程与沙波运动研究/143
7.2.1 内孤立波的分裂现象与极性转换现象/143
7.2.2南海北部陆坡内孤立波浅化过程数值模拟/144
7.2.3 南海北部陆坡沙波泥沙运动研究/150
7.3基于内波引起的实测流速下的沙波数值模拟/153
7.3.1 流速分析/154
7.3.2模型设置/155
7.3.3 实测流速下不同时期沙波高程的变化/157
7.3.4实测流速下平台桩腿处地形的变化/159参考文献/160
第8章海底沙波工程影响及处置措施 ·····…… 163
8.1 海底沙波的工程影响/164
8.1.1 对海底管道工程的影响/164
8.1.2海底沙波对其他工程项目的影响/168
8.2 沙波区海底管道处置方案/169
8.2.1 海底沙波地形监测/169
8.2.2 海底管道路由沙波整治措施/172
8.2.3 海底管道悬跨整治措施/173
参考文献/175

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