海洋石油钻采装备与结构 第三章 海洋环境

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1、第三章 海洋环境第一节 海底地貌海底地形如同大陆地形，形状多种多样，变化复杂。海底既有山峦峡谷，又 有平原盆地，规模比陆地上宏大。海洋各处的海底地形差别较大，有的深，有的浅，有的变化平缓，有的变化 陡峭。按照海洋的深浅程度和海底地势起伏的形态，一般可将海底形态分为大陆 边缘(Continental Margin)和大洋底两大部分地形单元，其中大陆边缘是大陆与 大洋底之间的过渡地带，包括大陆架、大陆坡和大陆裙，大洋底则是大洋的主体。结构简单的，大陆架、大陆坡和大陆裙三部分组成大陆台阶，其外面就是大 洋底。结构复杂的，除了大陆台阶外，还带有一系列的边缘海盆，海盆外缘有弧 形列岛的岛弧以及岛弧脚下的

2、深海沟等，其外面才是大洋底。氏 1*I丹131 海底地貌(一)大陆边缘 从海底往深海方向构成稳定大陆边缘的主要形态有大陆架( ContinentalMargin)、大陆坡(Continental Slope)和大陆裙(Continental Rise),它们在坡度 和深度有很大的不同。1、大陆架 大陆架亦称大陆浅滩，是大陆边缘浸没在海面下的浅水部分，地理意义上看 是大陆在海洋的自然延伸。深度一般在200m以内，是目前钻探开采海底石油活 动最活跃的区域。大陆架一般分为表层、盖层和基底层。表层主要分布在来自大 陆的松散沉积物；盖层主要为半固结与固结的沉积岩层；基底岩层主要为结晶岩 石。大陆架是有侵

3、蚀作用、海积作用、陆架地壳的垂直运动和冰期海退作用四种 因素形成的。2、大陆坡 大陆坡为大陆架外缘向深海陡倾的海底倾斜部分，从大陆架边缘开始至深度 在18002000m之间的区域，坡度较陡，主要沉积着陆源物质。3、大陆裙 大陆裙又称大陆隆，是自大陆坡下界向大洋底平缓倾斜过渡的扇状沉积体， 深度约为20004000m.。大陆裙是一个重要的堆积区，厚度约为2000m。它主 要分布在大西洋型的过渡带上，而在太平洋里，基本上没有大陆裙发育，在大陆 坡脚下主要是深海沟。具有生油条件的海区主要分布在大陆架、大陆坡水域。其中藏油量最大的为 大陆架，其次为大陆坡。此外，在复杂的过渡地带的海盆与岛弧水域的第三纪

4、沉 积盆地，亦具有含油气的良好前景，如我国的莺歌海，北部湾、珠江口外就属于 这类地质构造。过渡地带的许多盆地都是油气储集的有利地区。(二)大洋底大洋底主要由大洋中脊(Mid-ocean Ridge)和大洋盆地(Ocean Basin)组成。(1) 大洋中脊 大洋中脊又称中央海脊或中央海岭，是全球规模的海底山脉或隆起。它纵贯 太平洋、印度洋、大西洋和北冰洋，绵延不断，总长约为 75000m.( 2) 大洋盆地 大洋盆地介于大陆边缘和大洋中脊之间，其上分布着许多次一级的海底形 态，如海盆、海山、海岭等。大洋深海盆地底部的深海平原广阔而平坦，倾斜度 很小。第二节 风在地球的上空，大气循环流动，风无处

5、不在，并随着四季的交替和不同的时 日及所处高度等发生显著变化，有着复杂的变化规律。风对人类的生产活动和生 活有着重大的关系。它可以作为一种自然资源，为人类的生产和生活提供动力资 源。另一方面，大风和风暴又是一种带有巨大破坏性的自然现象。平台、钻井船 与海上油罐等设备直接承受风载荷的作用，所以风对多种多样的海工结构的影响 十分严重。一些浮式海洋工程结构物的稳性和安全性也与所受的风力密切相关。此外，海洋在风的作用下还会产生海浪和海流，海浪是造成海洋工程结构破 坏的主要载荷，恒定的海流也是海洋工程结构设计中必须考虑的环境载荷因素。自然界的风按其循环可分为大规模风系、中规模风系和小规模风系。大规模 风

6、系是由地球自转引起的大气环流。如自南北纬 30附近吹入赤道低压带的东 信风（Trades）。中规模风系，又在东南亚显著的季节风，由于低气压和高气压 的存在而产生的台风等。小规模风系，有由于海陆间气温差，白天由海向陆、夜 晚由陆向海的海风和陆风。（一）风速的垂向分布变化规律由于存在地表的摩擦作用对风的能量消耗，近地面的风速大小随高度不同而 发生变化，即风速与其近地面的距离成正比，越近地面风速越小，反之风速增大， 海面上同理。因此，为了进行必要的风速换算和比较，规定以 10m 高的风速为标 准高度，其他非标准高度的风速，则可依据其高度变化规律换算得到。1、近地表小于 100m 的风速计算近地表小于

7、 100m 高度的风速在垂向的分布变化符合对数公式规律。其计算z公式为：Vz10lg(三)z0(10) lg()z0式中：V表示高度z处的风速；V表示1 Om标准高度处的风速；z是地面粗糙z100度（建议我国海上取值为 O.OO3）。2、近地表高于 1OOm 的风速计算高于 1OOm 风速的垂向分布变化符合指数公示规律。其计算公式为Vz（上）nV 1010式中的取决于指数 n 取决于表面粗糙度及距地表高度 z 的大小，在平坦地面或海 面取 n=1/7。于是，海上无遮蔽时的风速通常比陆地上的大，使用陆地的风速资料设计外 海结构时必须加大。这个比例系数随风向与观测点而异。在海风情况下，外海风 速为

8、海岸附近风速的 1.11.3倍，在陆风情况下为 1.11.8 倍。（二）风度与风向风是个矢量，既有大小又有方向。所以对风的测量和记录中包含了风速和风 向两个方面。风速是空气在单位时间里流过的距离，一般以米/秒或节（海里/时）表示。 国际上通用的蒲福风级表将风速分为13个风级。风速可达100200m/s的龙卷 风等，由于不经常发生，影响范围小，所以未列入表 31 中。表 31 蒲福风级晦面锻尢駅高Cm）海面壮阮棺应【沏凤速(ion/h)(m/k)无/平如愫V L小0-D.2软凤0.1微锻1T1-；-fl .3-1,50,34-6 111-63-23L.0710L2- 193.4 -S.441 二

9、11- U2&-2Sj.5- 7.952.5中混17-2129-388.0-JC.754.022-2739-4910-13. 丁 5.528-3350113,5-17g心卿34-40&2 -7417.2- -20.79in.n41-4775-88*加.甘-24.410狂风12.5狂涛48-5585-1032+.5-2B.411J6.0非凡现傘56-6 j103-1172S.5-32.6脱64-71118-1321 32,7-36.9风向表示风的来向，气象上用 16个方位来表示。（图32）由于海洋工程一般多为定点作业，即使移动式钻井平台与钻井船，也要在一 个钻井区工作一段时间，所以对某个固定海域

10、进行风速、风向等风的特征进行统 计分析是必需的。这些风况资料的表达方式有以下两种。1、风玫瑰图风玫瑰图又称风向频率图或风况图，用以表示风在某个方向的强弱和出现次西北惶北北西北337.5北车北l东北偏北22 5西北3lj克北L 45西北僅西；西西北2S2. 5；西南偏西】 西西阳217. 5iyo 157. 5图 3 2 风向方位冻宝北东北偏东b 67.5901J图 3 3 风玫瑰图数，因其形状类似玫瑰而得名。通常对风速的观测资料分别按季节、年度或 多年进行各个方位的风速大小及其出现次数的统计，并与观测总次数相比得 到各风向出现频率，将各风速范围的出现频率按频率比例在各个方向上标 出，同风速范围

11、的各方位频率点直线相连，就得到该海域风玫瑰图。图 3 3 中哪个风向、风速出现的频率最大即为定常风向，而出现的风速最 大的即为强风向。在海洋工程设计时，为保证泊位稳定，不仅应考虑强风向，而 且对船舶停靠泊位也要考虑定常风向的影响。除以频率为标尺绘制的风玫瑰图外 还有按各风向的平均风速、最大风速等值绘制的风玫瑰图。2、风速的多年分布资料与统计 未确定可能出现最大风载荷时的风况条件，需要对多年风速记录中的最大风速值 予以统计分析，统计时将风速自大到小分档排列，统计出每档内相应风速出现次 数占总观测数的百分比，得出统计直方图，再计算出相应的概率分布函数。海洋工程的设计常需了解具有一定概率的最大风速，

12、并以某一重复期的风速 特征值作为设计标准。在海洋工程中常以 50年一遇的年最大风速或 100 年一遇 的年最大风速最为设计风速。年最大风速受很多因素的影响，是随即变量。第三节 海洋波浪海浪是静水面受到外力作用后，水质点离开平衡位置作往复运动，并向一定 方向传播的自然现象。引起海浪的外力有风、地震、太阳月球的作用力、重力等。 而由风引起的浪，在海浪研究中，占主要地位。风吹皱了平静的水面，产生了涟漪。当风速足够大时，能量传播的结果将使 表面张力波变为重力波。能量的供给方式有风对波浪的剖面的直接推动、摩擦力、 压力涡动等。在波浪成长的阶段，波高与波长同时增大，后来仅是波长增大。波 浪的大小取决于平均

13、风速、风区或风程（风吹过水面的距离）和风时（风吹过的 持续时间）。形成后的波浪，有可能被顶风、涡动、破碎等原因消耗其能量而逐 渐消失。波浪的能量产生与消耗的作用过程可以同时存在。在一定的风速下，风 时和风区足够长时，波浪的要素达到极限状态。处在各种海区的海洋工程结构，随时受到海浪的直接威胁。海浪的威力十分 巨大，巨浪能把石油生产平台推到，把万吨大船推向空中。有时波高虽不大，但 当波浪周期与建筑物的固有周期相近时，因共振作用，使建筑物造成毁坏；即使 轻微的波浪，因长年累月地连续作用，波浪力也会把建筑物冲刷而使之破坏。因 此为了保证海洋工程结构物的安全，必须了解研究波浪。（一）波浪要素对波浪传播形

14、式进行理想化处理，具有二维波动的特点，即通常假定海浪以 一定的周期、波长和波高在一定水深传播，从而建立数学模型描述其波动，其中 最简单的形式就是用正弦曲线或余弦曲线描述的简谐波动。图 3 4 海浪要素图图34中波动曲线的最高点为波峰，最低点为波谷。波长九是相邻两波峰 或两波谷间的水平距离，用以描述一个周期内波形传播的距离。周期 T 是相邻 两波峰或波谷先后通过某同一点所经历的时间间隔，波速 c 是波形传播的速度， c=T。波峰与波谷间的垂直距离是波高H,波高的一半，亦即水质点距离其平 衡位置的最大垂向唯一是振幅a，a=H/2，波高与波长之比是波陡8，S=H/X，可 以以反映波浪是否稳定或破碎。

15、同一列波峰的连线成为波峰线，与波峰线相垂直并用以表示波动传播方向的 线称为波向线。波向是指波浪传播而来的方向，是波浪的重要属性之一。（二）波浪的表示方法 由波高、周期和相位等不同的两个以上合成的波叫合成波。海洋波浪是由 具有多种波高、周期和相位等波浪组成的合成波，且波浪行进方向亦即波向也不 完全是同一个方向。这样复杂的海洋波浪，可用统计分布或波谱来表示，但在海洋结构的设计中一般采用其特征值。作为特征值的有，最大波高 H 和最大周max期T以及有效波高H和有效周期T。最大波高和最大周期是取观测期间的最max1133大波或取累积频率为 50 年一遇或 100 年一遇的最大波，亦即波浪重现期为 50

16、 年或 100 年等的最大波高和周期。有效波高和有效周期，是把波浪观测资料按大 小排列，从大的方面取出波数的 1/3 个波高和周期的平均值，具有这样概念的波 叫做有效波，因为它与目测值相接近，故被广泛应用。用与有效波相同的考虑方 法，从观测资料中取出前 1/10 个大波平均而得到的波，叫做 1/10 大波。波浪可以按周期的大小，区分为不同类型的波动。（见图 35）剎h nh1*+ 沆?&熬帶倒稲汝 一r主耍1一L-图 35 波浪按周期和能量分布責 g*I !图 35 还绘出了波浪能量的周期分布。由图可以看出周期最小的波为毛细 波，波长仅为1.7cm,波高不超过12mm，对海洋工程机构物无实际意

17、义。最长 周期的波为潮浪，是由于太阳、月亮对地球的相互作用引起的。在各类波动中， 能量最强,波动振幅最大的是由风引起的重力波,其中又可区分为风浪和涌浪。 风浪由当地风场流动激起，周期一般不超过1020s,但波高可以高达30m以上。 涌浪为远离风源的重力波，其周期也不会超过30s。由风浪或涌浪诱导的载荷， 常常是结构物设计的主要控制载荷。(三) 几种波浪的定义 为对波浪进行深入研究，从理论上人们对不同性质的波浪进行了定义。1、微幅波线性波浪理论。微幅波是对自然界海面上的波浪进行了简化的最简单的波动。满足线性波浪 理论的波动面是水面呈简谐形式的起伏运动。水质点的运动是以平衡位置为圆心 的圆周运动，

18、即以圆频率作简谐振动。从理论上说是不计波动自由表面引起 的非线性影响，所以称为线性波。其波动方程为：n =Acoskxn(x,t)=Acos(kx-et)式中k为波数，即L波长2兀k=- L此波浪理论中，水质点的水平速度为：u(x,t)= A E(? + Jcos(kx - wx)shkd则水平加速度为：u (x, t)=Aw shtdr1 sin(kx-wt)式中 d 为水深， z 为距水面深度。2、斯托克斯(stokes)波非线性波浪理论斯托克斯波是一种波形如摆线的有限振幅波动，与正弦波相比，波峰较陡， 波谷较平坦。其波形不是简谐曲线，且对于横轴是不对称的，通过质点振动中心 的平面高于对应

19、的静止水面。波速与波幅大小有关，波幅与波长之比愈大，波速 愈大。质点的轨迹接近于圆，但不封闭，每经一周期后沿波浪传播方向有一小段 水平的净位移，沿此方向产生一定的水流。质点沿轨迹运动时，压力是变化的， 除自由表面与水底外，其他波面都不是等压面。波幅与浪长之比不超过一定限度 后，波面破碎。波动的动能与位能不相等，动能在垂向与水平方向的分配不相等， 能量的传播速度也与小微幅波动的情况不同。它的波面方程与线性波相比，多了 一项与波高n次方成比例项，成二次方的称为Stokes二阶波。此外还有三阶波、 五阶波。Stokes 二阶波的波动方程：sh3kd耳=cos（kx-）+（f）卜 + ch2kdcos

20、b（kx一）28Stokes 二阶波水质点水平速度兀 ch Ik (z + d) c 、3 兀 2 chbk (z + d) 匸u = H cos(kx一) + H2()cosl2(kx )T shkd4 TL sh 2(kd)Stokes 二阶波水质点水平加速度2 兀 ch Ek (z + d )2 兀 chl2k (z + d ).Iu = H ()2sin(kx t) + 3H 2()sin 12( kx t )T shkdT 2 九sh 4 kd式中H=-2(四) 海浪频谱海面波浪时大时小，参差不齐，缺乏严格的周期性和相关性。一般很难由第 一个波去估计其后面若干个波的大小。为了全面地描

21、述海浪的特征，必须用概率 统计方法取得波浪幅值的分布特征，用谱分析方法来描述海浪的内部结构。既然 海浪视为正态平稳随机过程，不仅可以从海浪外在表现上研究其特征，得出前述 的各种波浪要素的统计分布。当然也可以从波浪的内部结构上来研究其特征，进 行波谱分析，用一个非随机的谱函数来描述。海浪的内部结构是由它的各组成波 所提供的能量来体现。海浪谱从数学意义上讲就是函数。所谓波谱分析就是阐明 海浪的能量相对于频率、方向或其他独立变量的分布规律，建立其函数关系。频 谱就是表明波浪能量与波频和波向的变化关系。海浪的外在表现与其内部结构是有关系的。海浪要素的概率分布其中除一部 分经验性结果外，主要地还是通过谱

22、的概念导出有关的概率分布函数。而且这些 分布函数中，也常以某种波浪要素的特征值作为基本参量。因此，如果已知海浪 谱，通过它计算某种波浪要素的特征值，并将此带入分布函数中，便可以得到海浪外在表现的各种统计特性。所以，海浪谱不论在理论上，还是在应用上均有重 要意义。Longuet-Higgins 提出的海浪模型，是将无限多个随机余弦波叠加起来，以描 述某一固定的海面波动，即：n (t忆 a cos(o t + e )nnnn=1如果把频率介于 +d 范围内的各组成波的振幅 a 平方之一半叠加起n来，并除以包含所有这些组成波的频率范围d,所得值将是一个频率的函数,令其为S ()，则有： S()d二呢

23、-a2nn2 n单个组成波在单位面积的铅直水柱内的平均波能量为E = p ga 2n 2 n故频率介于范围内各组成波的能量之和为：o-P ga22n显然S (o)比例于频率位于间隔+d内的各组成波提供的能量，如取 nd=1，则S (o)比例于单位频率间隔内的波能，因此，实际上函数S (o)就是波nn能密度相对于组成波频率的分布函数，这个函数就是谱。由于它的实质是代表海浪的能量密度，所以称为能量谱(有时称为波能谱密度或功率谱密度)，又因为它是波能相对于频率的分布，故又称频谱。由图36可知，在=0附近，S （）值很小，接着急剧增大至一极大值，然后 减小，最后T2时，S （）T 0。从理论上讲S （

24、）分布在二0 g的范围内, 即波浪能量分布在二0 g范围内的全部组成波内。但以重力波为主的实际海 浪中，常表现出S （）其显著部分集中于狭窄的一小段频率范围内，这就是说， 在构成海浪的各组成波中，频率很小及很大的组成波提供能量很小，能量主要部 分由一狭窄频率带内的组成波提供。由图可以看出谱密度曲线只与组成波的频率有关，而与方向无关。事实上， 在海面上一固定点的海面起伏是一个波系，它有一个主要的传播方向，但同时也 包括有不同方向传来的波，代表方向组成的波谱称为方向谱。有了海浪谱，使得对海洋工程结构物的运动和作用力的分析较之过去以简单 的波动来分析要更接近实际更完善。（四）海浪的分类 与风级的划分

25、相类似，气象分析上也将海浪按海况分为9级。如表32波高01蘇0111.0表 32 海浪等级第四节 海流海流是海洋工程物理环境的重要因素之一。它和风、浪等因素同时对海洋工 程结构有直接作用，影响其强度与稳定性。设计海洋工程的水下部分，必须考虑 海流引起的载荷，对拖航时的拖曳力与停泊时的系泊力，也要分析海流的大小和 方向。海流是大范围的海水以相对稳定的速度在水平或垂直方向连续的周期及非 周期性的流动。产生海流的原因是多样的，主要原因是：潮汐现象，风力，由于 海面受热或受冷蒸发或降水不均匀而引起海水温度、盐度、密度等分布不均匀等 等。因此，按其成因，可将海流分为：1、潮汐流 潮汐流是由潮汐现象引起的

26、，是周期性的海流。在引潮力的作用下，海水作 周期性的水平运动。潮流现象比较复杂，它与地形、海底摩擦及地球自转有关。 其运动形式可分为往复流与旋转流量类。往复流存在于海底区、河口、海湾口、 水道、海峡等处。由于地形的限制，潮流具有正、反两个方向的周期变化。在开 阔的海域，潮流多具有旋转流，其流速为黄海潮流（近东岸）1.01.5m/s东海潮流（长江口余山海区）1.02.5m/s南海潮流（广州湾） 0.75m/s2、风海流风海流是由作用于广阔海面上的风力引起的海流，通常把一年四季中流向上 与流速大致相同的海流成为漂流。海水流动时受到地球转动偏向力和下层静止海 水对上层流动海水的摩擦力，因此漂流又分为

27、不受海底对流动影响的深海中的无 限深海漂流和受海底影响的近岸海域中的有限深海漂流。前者流速、流向与风的 作用力成正比，表层流向在北半球较风向右偏 45，后者流向几乎与风向一致。此外，因风飘流将水体按一定的方向输送，导致海水表面倾斜，出现海水的 垂直循环，形成倾斜流。倾斜流靠近海底，它在海底摩擦力的作用下，改变了倾 斜流的性质，使海底附近形成了一种底层流。3、密度流、盐水流等梯度流 这是由海水温度、密度、盐度的变化不均匀而引起的海水流动。第五节 海冰海冰主要由海水直接冻结而成，也包括由陆地注入海洋中的淡水冰。在高纬 度海区，海冰是所有海洋水文气象资料中对航运交通及海洋开发影响极为重要的 因素之一

28、。在冰情严重的高纬度海区，冰载荷已被视为海洋工程和船舶设计的控 制因素之一。我国渤海位于北纬 3741之间，纬度属中纬度地区，世界上相同纬度的 海区很少结冰或不结冰。渤海由于是位于欧亚大陆东端的半封闭内陆浅海，受 陆 ，地特别是受极地冷空气的严重影响，所以每年都有冰情出现。对于会出现冰冻的寒冷海域，冰力对结构的影响往往是很严重的。例如 1962 年和 1963 年美国在阿拉斯加库克湾先后建造的两座由于涉及强度未考虑冬季冷 空气的作用力，与 1964 年冬季均被海冰摧毁。1965年 3 月，日本于 1960 年建于稚内港外的海上灯标被流冰群袭击而倒坍。 1969 年 3 月，渤海发生严重冰情，中

29、国海洋石油总公司渤海石油公司建造 的渤海二号是有钻采平台被海冰推倒于海中。其结构为15根直径为850mm，壁 厚为 22mm 的锰合金钢管组成的导管架式平台。同一时期，渤海一号平台的支架 拉筋（直径为250mm）全部被流冰割断。1977年2月，渤海湾的海四井的火炬塔，为41X巾850mm钢管架，被海冰 推倒。（一）海冰分类1、按冰的运动状态可分为： 浮冰 不与海岸、岛屿、海底等冻结在一起，在海水中漂泊不定，能随 风、浪、流等的影响而漂浮的冰； 固定冰 与海岸、岛屿、海底等冻结在一起，不随风、浪、流等影响而流图 37 各类海冰2、按冰的生长与发展过程，冰的厚度等可分为： 初生冰 由海水直接冻结或

30、在十分寒冷的海水上降雪而成，多位晶状、 针状、薄片状、糊状与海绵状。海面呈暗灰色且无光泽，遇微风不起波纹，容易 被波浪分裂为碎片。 饼冰 由初生冰在冻结或皮冰破碎后磨去棱角而成，一般呈圆盘状，直径在3m以下，厚度不超过5cm,边沿常带有卷起的白色冰瘤。、 皮冰由初生冰或饼冰在平静的海面上冻结而成，其表面光滑而湿润，呈暗灰色，面积较饼冰为大，厚度大于5cm,能岁随波浪而动，遇风浪容易破碎。 板冰由皮冰或饼冰与皮冰混合冻结而成，其表面平坦、湿润，多呈灰色，厚度为 515cm、 灰白冰由板冰继续发展，或饼冰、皮冰和板冰混合冻结而成，其表面粗糙，多呈灰白色，厚度为 1530cm、 厚冰由灰白冰进一步加

31、厚，或在风、浪、流的作用下，多种冰重叠冻结而成，多呈白色，形状复杂，表面凹凸不平，厚度大于 30cm、3、按冰的外形可分为： 平整冰 冰面较平整，只有冰瘤或冰块挤压冻结的痕迹、 重叠冰 冰层互相重叠，但重叠面的倾斜度不大，层次仍较分明、 堆积冰 在风、浪、流的作用下，冰块杂乱地重叠堆积在冰面上，呈直 立或倾斜状态、 冰丘 含有冰体的冰丘，亦称土底冰丘、 冰山 漂浮在海中的巨大冰块，由极地大陆冰川或山谷冰川末端，因 海水浮力与海浪冲击，发生崩裂，滑落海中形成、其体积大部分沉没水中，露出 水面的部分约为总体积的 1/10，随海流向低纬度漂移，其形状除桌状、金字塔 状外，多数为不规则的，具有不透明的

32、单调白色或略带蓝绿色、冰山在漂移过程 中，以溶解、侵蚀与破裂三种方式逐渐缩小其体积，因其漂流方向与速度不稳定， 所以船舶与海洋工程建筑物对冰山都必须采取严格的防范措施、（二）我国沿海的冰情 我国沿海的海冰以渤海与黄海北部海区为主，一般年份的冰情如表 33海区初被期冰区范1放厚（cm）11月中旬410-30最曲）月卜旬3月中旬35-20吃月上冲旬3月中旬gS-1S苗海北部12月上柯3月中旬JW1J-3A表 33 我国沿海的冰情（三）海冰的物理力学特性 海冰晶体在生长过程中沿不同方向生成，形成“冰针”或“冰片”，继而形 成大块冰。而且其物理特性的密度与生成年份、季节有关（见表 34）。名称季节年生

33、冰冬季8M-W0一年生冰夏爭560 -640峯年宅冰琴 李03G-9OO多平生冰夏季62fl - 930表 34 海冰的密度与年份、季节的关系一般认为当温度等于0C,含盐度等于0时的冰的密度为916.8kg/m而海冰的物理力学性质与其含盐度和温度有密切关系。通常认为海冰含盐度为 34.5%。温度不同,海冰的应力应变关系曲线也不同。温度低,抗压强度大。如以每秒加到冰的单位面积上的力的大小即以加载率（N/m? s）表示抗压强度图 38 冰的抗压强度与加载率的关系由于冰并不是理想的弹性材料，其弹性模量经实验测量所得结果显示较大的 离散性，即随温度变化显著。通常认为静态的弹性模量为E=0.3lOGPa

34、,动态时 E=6lOGPa,且其泊松比变化也大，一般认为低应变率时为卩=0.5，高应变率时 为卩=0.350.4。（四）海冰对海洋工程建筑物的作用l 、冻融损坏作用 渗入混凝土式海洋工程结构表面附近毛细管孔道的海水成冰时产生膨胀压 力，此力导致混凝土内部呈应力状态。随着气温的剧烈变化，海冰的冻融交变 过程频繁发生，结果混凝土表皮脱落，形成冻损。2、膨胀挤压作用 海湾或海岸附近的海水结冰后，随着气温的变化，海冰的体积随之发生相应 的变化，当连续的冰层的冰层体积膨胀时，对海工结构产生挤压作用。在另一些 情况下，由于沉箱内的水结冰产生膨胀挤压作用，从而使沉箱内压力增加。3、静力推压作用 它是大面积连

35、续冰层在风流带动下，对下风或顺流方向上与其接触的海工结构物产生的水平推压作用。这种作用力很大，是海冰对海工结构物造成严重损害 的主要方式之一。4、附着冰引起垂向力 牢固地与海工结构物冻结在一起的附着冰，因冰层受潮流与风的影响而移动，随冰层水位下降或上升，产生垂向力。下降时产生附加重力载荷，上升时产 生上拔力。5、动力撞击作用 高而大质量冰体如冰山的运动对海工物的撞击作用，是一种时间很短的瞬间冲击载荷。一定厚度连续分布的海面上缓慢移动的冰排，经过结构时产生的动态 冰力，是一种连续作用可达到共振的结构破坏力。（五）抗冰防冰设计 对于导管架平台，主要从三方面下手：1、改变冰排的破坏方式。例如采用斜面

36、结构或正倒锥体，使冰排由局部压碎变为弯曲破坏，从而减小冰力，改变冰力频率。2、调节结构本身的动力特性。如通过调整结构沿垂向的刚度分布，使冰力 作用点处的振型值减至最小，从而有效地防止冰振。3、利用与冰力反相位的外部振荡力。如利用贮液罐中液体谐调阻尼作用来 防止冰激振动。重力式平台的防冰设计主要采用：1、窄侧面沉箱设计 设计一种底座如圆锥的钢外壳，上面加圆柱甲板结构构成平台，圆锥形的钢 外壳可加热以防止其表面结冰。此法主要用于浅水（68m）。2、全侧面沉箱设计设计一种底座最大直径为 200m 的圆锥形钢质外壳重力式平台，其最大抗冰 力为710MN,相当于100年一遇的冰期，适用于水深2060m。

37、3、阶梯形重力基础结构设计 水下部分是台阶状的沉香结构，台阶可提供巨大的集中反力抵抗多年浮冰与冰山的巨大冲击。巨大的反作用能使冰裂开或击碎成冰块，引起冰山或浮冰的多 峰型破裂，以消耗巨大的撞击能量。对于半潜式平台，可取消柱与斜撑，用四个在水线附近呈倒置圆锥形的桩腿 代替立柱。对于人工岛，主要是通过倾斜的截面形状减少海冰的膨胀挤压力与撞击力。 根据历史记录，多腿平台在冰力作用下会产生振动，采用正倒锥组合体的效 果是明显的，下图39 就是设计经济、刚度适当、结构合理、受力良好、抗冰 减震、安全可靠的平台结构。图3-10为一处于北极地区阿拉斯库克湾的独腿抗 冰平台。海洋环境还包括海底地震，海洋生物等等。这些环境因素对海洋工程结构的强度稳定性，生存期都有重要的影响。图 39 推荐的抗冰平台结构形式图 310 独腿抗冰平台