[发明专利]一种海底边坡稳定性的安全系数计算方法

权利要求书

1.一种海底边坡稳定性的安全系数计算方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

首先，构建波浪场动力模型，造波的波浪参数取自计算海域，包括波高、波周期、波长、水深、波向角，采用动量源造波实现模拟波浪传递区域的特征波浪形态，采用动网格和水平集方法实时捕捉自由水面；

其次，在海底边坡数值模型中通过有限元方法计算出输入波浪压力下的海床孔隙压力，同时采用有限元强度折减法进行海底边坡稳定性数值模拟计算，结合上述波浪场动力模型和海底边坡数值模型实现海底边坡稳定性及优化坡率耦合计算；

海底边坡数值模型的构建首先需要选取必要的计算参数，随后构建有限元模型并通过控制方程描述相应物理场，最后设定相应初始条件和边界条件以及剖分合适的网格使得模型可以计算，通过求解偏微分方程组得到控制方程中的计算变量，首先在波浪动力模型中得到流速和压力结果，其次计算海底边坡数值模型得到土体的应力和应变结果，最终通过强度折减法计算出海底边坡的安全储备系数；

在满足计算要求的前提下，对海底边坡数值模型进行如下五点定义：一是海床底部和两侧无渗流和变形发生；二是波浪运动的细部破碎和非线性变化不在计算范围内；三是波浪底压力等于海床表面处孔压；四是海床沉积物的力学性能遵循摩尔-库伦强度准则；五是多孔介质海床孔隙内部流体运动符合达西定律；

通过波浪场动力模型模拟计算区域的特征波浪形态，将波浪场动力作用下的实时波浪底压力输入达西定律和摩尔-库伦本构描述的海底边坡数值模型进行耦合计算，通过改变折减系数对土体强度参数进行折减，在某一折减系数下得出海底边坡最终的滑动破坏形态和相应安全系数FOS，亦即最终返回折减系数值；

海底边坡数值模型建立过程中的参数需要收集特定计算海域内的实际参数值，首先赋予波浪及流体运动参数，同时赋予人工海底边坡相应的物理力学参数，计算参数包括波浪参数和土体参数：波高H、波周期T、波长L、水深d、水体密度ρ_w、上层海床厚度h₁和下层海床厚度h₂、剪切模量G、泊松比υ、弹性模量E、土体渗透系数k_f、饱和度S_r、土体密度ρ_s，所述土体物理力学参数包括有效重度、弹性模量、剪切模量、泊松比、有效内聚力、有效内摩擦角和体积模量、压缩性、渗透系数。

2.根据权利要求1所述的一种海底边坡稳定性的安全系数计算方法，其特在于，在实现模型计算之前需要进行几何模型建立和网格剖分，包括以下步骤：

建立波浪运动和海底边坡几何模型，将人工海底边坡坡顶作为X、Y坐标原点；

所述海底边坡数值模型建立过程中的几何参数包括基槽底部宽度、基槽深度、斜坡坡角、沉积物各分层层厚，几何模型建立参考钻孔设计参数和基槽设计参数，在建筑绘图软件AutoCAD中完成之后导入有限元计算软件中；

根据各物理场计算特性划分物理网格，具体的划分参数包括：最大最小单元尺寸、单元增长率、曲率因子、迭代平滑次数、细分方法，之后对边界条件界定，在基槽开挖部分对海床土体的网格进行局部细化，从而更加细致地捕捉滑动破坏的形状和破坏面。