课题基金 / 基金详情

水合物分解条件下海底边坡失稳演化机理及流固耦合分析方法

批准号:
52079020
项目类别:
面上项目
资助金额:
58.0 万元
负责人:
年廷凯
依托单位:
学科分类:
水工岩土工程
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
年廷凯

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
水合物开采或自然分解,极易诱发大陆坡海底边坡失稳甚至引发大规模海底滑坡,严重威胁开采井及水下基础设施安全。针对水合物富集和滑坡地质灾害频发的南海北部深水大陆坡,概化典型双层土边坡工程地质模型,建立融合VOF技术的三相耦合计算力学模型;改进离散元剪切模量衰减模式并引入边坡稳定系数矢量和法,发展水合物分解气体作用下海底边坡失稳演化过程及稳定性动态评价的CFD-DEM流固耦合数值方法,并开发基于先进量测技术的水下边坡大型鼓式离心机试验进行验证;系统模拟海底复杂地形、土性分布、沉积形貌和水合物条件等控制因素下海底边坡的实时稳定性及大变形失稳演化过程,揭示海底浅层滑坡的流固耦合诱发机理和失稳模式及灾变演化规律;通过变动参数研究,建立主控因素与边坡状态变量及稳定系数的内在关系,提出海底滑坡预测判据。该成果可为水合物区及开采工况下海底边坡动态稳定性评价、滑坡预测预警及海洋工程防灾减灾提供重要科学支撑。
英文摘要
The exploitation or natural dissociation of gas hydrate will induce the instability of submarine slopes on the continental slope and even large-scale submarine landslides, which seriously threatens the safety of exploitation wells and undersea infrastructures. Aiming at hydrate-enriched and frequent geo-disaster northern slope of the South China Sea, based on a typical two-layer soil slope, the engineering geological model is generalized, and a three-phase coupled numerical model is introduced based on the VOF method. In addition, by improving the discrete element shear modulus reduction model and introducing the safety factors vector-sum method, the CFD-DEM fluid-solid coupling numerical method is developed for the instability evolution process and dynamic stability evaluation of submarine slopes under the condition of hydrate gas. Moreover, the large drum-centrifugal model test of underwater slopes based on the advanced monitoring technology is used to verify the numerical method. Furthermore, the real-time stability and evolution of large deformation instability of submarine slope under the main control factors such as complex terrain, soil layer characteristics, sedimentary morphology and hydrate dissociation condition is systematically simulated to reveal fluid-solid coupling induced mechanism, instability pattern and catastrophe evolution law of submarine shallow landslide. Based on comprehensive study of changing parameters, the quantitative relationship between main control factors and slope state variables as well as stability factors is established; the prediction criterion of the submarine landslide is proposed. The results can provide a scientific basis for the dynamic evaluation of submarine slope stability, the prediction and warning of landslides and the disaster prevention and reduction of ocean engineering in the hydrate-enriched area and exploitation condition.
本项目基于“海洋强国”和“双碳”重大战略需求,聚焦南海北部深水陆坡区天然气水合物诱发海底滑坡问题,采用海洋地质调查、全流动贯入试验、CFD-DEM流固耦合方法、水下边坡模型试验、PIV监测技术在内的多种综合研究手段开展研究,全方位揭示了水合物分解引发的海底边坡失稳致灾过程的内在机理与滑坡演化规律,具体包括:基于南海北部陆坡神狐海域的地质调查资料,建立了双层土工程地质模型,结合海底软黏土全流动贯入试验及微观电镜试验,发展了不排水抗剪强度评估方法,并建立南海含水合物地层计算力学模型;结合VOF(流体体积法)和虚拟球体模型,提出了描述气-水-土三相耦合的CFD-DEM流固耦合数值方法,揭示水下边坡破坏机制及失稳演化过程;考虑THMC(热-水-力-化)耦合效应,发展了水合物边坡实时超孔压求解模型,结合无限坡极限平衡理论,提出了水合物分解型海底边坡动态稳定性评价方法,探究了水合物自然分解与人工开采条件下海底边坡失稳规律;在此基础上,开展了基于PIV技术的水合物边坡破坏过程水下模型实验,深入分析了水合物分解引发坡面及坡体内部宏微观特征参数变化规律,揭示了水合物诱发海底滑坡的失稳机理;进一步,系统模拟地质条件、土性分布、水合物分解等因素影响下海底边坡失稳破坏过程,识别不同类型海底边坡的破坏形态,提出边坡失稳判据并揭示超孔压积累引发的边坡破坏模式;基于流固耦合数值方法,开展海底边坡失稳运动及冲击水下基础设施的大规模数值模拟,定量评估海底滑坡的冲击致灾效应,最终提出海底滑坡冲击下深水管线的自防护技术。上述成果可为南海北部水合物开采靶区的深水大陆坡稳定性评价、油气工程选址与安全评估、水下基础设施防灾规划制定提供科学依据。
考虑底床侵蚀过程的海底滑坡运动演化机理及规模放大效应
  • 批准号:
    42377185
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    49.00万元
  • 批准年份:
    2023
  • 负责人:
    年廷凯
  • 依托单位:
深海粘性土边坡地震失稳演化机理及动力分析方法
  • 批准号:
    51879036
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    61.0万元
  • 批准年份:
    2018
  • 负责人:
    年廷凯
  • 依托单位:
沟谷堆积体与微型抗滑桩群协同工作的宏细观机理及设计理论
  • 批准号:
    U1765107
  • 项目类别:
    联合基金项目
  • 资助金额:
    49.0万元
  • 批准年份:
    2017
  • 负责人:
    年廷凯
  • 依托单位:
强震条件下顺层滑坡堵江的动力灾变机理与演化全过程
  • 批准号:
    51579032
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    63.0万元
  • 批准年份:
    2015
  • 负责人:
    年廷凯
  • 依托单位:
国内基金
海外基金