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21世纪以来，我国海洋油气事业发展迅速，作为海洋资源开采和运输的重要结构之一，海底管线的应用越来越广泛。服役期间，海底滑坡对管线造成的冲击破坏是海底管线安全运行所面临的主要风险之一，准确评价不同运移阶段的海底滑坡以不同冲击角度对处于不同悬跨状态的海底管线的冲击作用，是海底管线设计的重要组成部分。相关研究论文检索结果表明，目前底滑坡对管线冲击作用研究成果大都集中在理论分析和数值模拟方面，采用物理模型试验模拟海底滑坡对管线冲击作用，尤其是考虑冲击角度的试验成果非常少见，另外针对海底滑坡对管线所形成的竖向力的讨论也十分有限。本论文通过离心模型试验和计算流体动力学CFD的方法，重点讨论了海底滑坡在泥屑流初始和流滑两个阶段对管线的冲击作用，分析了关键影响因素。论文内容主要包括:
第一，当海底滑坡以一定角度冲击海底管线时，沿冲击方向管线会同时承受轴向力和法向力，现有仪器无法进行同步测量。为满足离心模型试验的测试需求，自主研发了一种新型的测力装置——Lateral Resistance Measured Penetrometer，简称LRMP触探仪。常规测试结果表明，LRMP触探仪在测量荷载的大小、方向和作用位置的误差分别不超过3％、2％和±1.5mm;通过40g离心模型试验验证了LRMP触探仪在离心模型环境下的可靠性和稳定性;此外LRMP触探仪推广应用到测量浅层软黏土强度，相比传统T-bar触探仪，具有应用简便并可以获得土体不排水抗剪强度在水平方向分布的连续包络线的优点。
第二，应用英国高岭土，在40g条件下制备了自重固结土样，通过控制土样的初始含水率、注浆时离心机的转速以及判断土样固结程度满足试验要求的标准等影响因素获得了重复度良好的自重固结土样，得到了描述高岭土在指定试验条件下固结度、孔隙比随固结时间变化规律的表达式。在此基础上，采用等效相对运动法模拟了冲击速度低于0.1m/s、抗剪强度为0.4-1.2kPa的滑移体对管线的冲击作用。应用土力学分析方法对不同冲击速度、不同冲击角度的试验数据的分析结果显示，在土体强度0.96kPa、冲击速度小于0.1m/s的条件下，惯性力在管线总受力中所占比例很小，可以忽略不计，可以仅通过土体抗剪强度的修正来考虑冲击速度的影响。通过与已有的CFD计算结果对比分析可知，试验包络线和CFD包络线有各自的适用范围，滑移体的雷诺数可以作为上述两个包络线应用的判断依据。此外，通过离心模型试验模拟了管线受滑移体的冲击时，管线上方滑移体覆盖厚度和冲击角度的影响。根据试验数据，应用并扩展了Oliveira等(2010)提出的分析模型，得到了可以同时考虑滑移体冲击管线时上覆土厚度和冲击角度的冲击力的包络线。
第三，应用计算流体动力学方法，模拟了泥屑流初始阶段对管线的冲击作用。与已有的法向冲击离心模型试验实测结果相比，数值计算得到的管线受力系数为7.9，略大于但十分接近试验实测得到的7.5，验证了计算流体动力学方法模拟泥屑流初始阶段对管线的冲击作用是可靠的;其他冲击角度下，数值计算得到的管线受力系数与试验实测得到的数值相差不大，并且关于滑移体覆盖厚度以及冲击角度对管线受力的影响规律方面，数值模拟与试验得到的结论均基本一致。
第四，采用基于Herschel-Bulkley模型的计算流体动力学CFD方法模拟了泥屑流流滑阶段以不同的冲击角度对置于海床表面管线以及不同悬跨高度管线的冲击作用，分别通过流体力学方法、混合方法对计算结果进行分析，讨论了泥屑流对管线形成的法向冲击力、轴向冲击力随管线悬跨高度的变化规律，并重点讨论了管线受到的竖向力随泥屑流冲击角度、冲击速度、管线悬跨高度的变化规律。给出了能够同时考虑冲击角度和悬跨高度影响的海底滑坡对管线的法向和轴向冲击力的流体力学表达式，以及竖向受力系数随管线悬跨高度的变化关系。分析结果显示，置于海床表面的管线所受轴向力约为处于临界悬跨高度管线受力的95％。当雷诺数较小时，海床表面管线所受法向力可能为临界悬跨高度管线的81％甚至更低，但当雷诺数较大时，悬跨高度的变化对管线所受海底滑坡法向冲击力的影响很小。当悬跨高度超过2.5D倍管线直径以后，管线受力将不再随着悬跨高度的进一步增大而改变。此外，滑移体本身的强度特性是影响管线受到冲击力大小的最主要因素。通常，管线在法向冲击条件下受到的法向力是最大的，但当滑坡有可能以较大的雷诺数冲击置于海床表面、或者悬跨高度较小的管线时，管线受到的竖向作用力与受到的法向力基本处在相同数量级，此时应该充分考虑管线在竖向力作用下的稳定性。
第一，当海底滑坡以一定角度冲击海底管线时，沿冲击方向管线会同时承受轴向力和法向力，现有仪器无法进行同步测量。为满足离心模型试验的测试需求，自主研发了一种新型的测力装置——Lateral Resistance Measured Penetrometer，简称LRMP触探仪。常规测试结果表明，LRMP触探仪在测量荷载的大小、方向和作用位置的误差分别不超过3％、2％和±1.5mm;通过40g离心模型试验验证了LRMP触探仪在离心模型环境下的可靠性和稳定性;此外LRMP触探仪推广应用到测量浅层软黏土强度，相比传统T-bar触探仪，具有应用简便并可以获得土体不排水抗剪强度在水平方向分布的连续包络线的优点。
第二，应用英国高岭土，在40g条件下制备了自重固结土样，通过控制土样的初始含水率、注浆时离心机的转速以及判断土样固结程度满足试验要求的标准等影响因素获得了重复度良好的自重固结土样，得到了描述高岭土在指定试验条件下固结度、孔隙比随固结时间变化规律的表达式。在此基础上，采用等效相对运动法模拟了冲击速度低于0.1m/s、抗剪强度为0.4-1.2kPa的滑移体对管线的冲击作用。应用土力学分析方法对不同冲击速度、不同冲击角度的试验数据的分析结果显示，在土体强度0.96kPa、冲击速度小于0.1m/s的条件下，惯性力在管线总受力中所占比例很小，可以忽略不计，可以仅通过土体抗剪强度的修正来考虑冲击速度的影响。通过与已有的CFD计算结果对比分析可知，试验包络线和CFD包络线有各自的适用范围，滑移体的雷诺数可以作为上述两个包络线应用的判断依据。此外，通过离心模型试验模拟了管线受滑移体的冲击时，管线上方滑移体覆盖厚度和冲击角度的影响。根据试验数据，应用并扩展了Oliveira等(2010)提出的分析模型，得到了可以同时考虑滑移体冲击管线时上覆土厚度和冲击角度的冲击力的包络线。
第三，应用计算流体动力学方法，模拟了泥屑流初始阶段对管线的冲击作用。与已有的法向冲击离心模型试验实测结果相比，数值计算得到的管线受力系数为7.9，略大于但十分接近试验实测得到的7.5，验证了计算流体动力学方法模拟泥屑流初始阶段对管线的冲击作用是可靠的;其他冲击角度下，数值计算得到的管线受力系数与试验实测得到的数值相差不大，并且关于滑移体覆盖厚度以及冲击角度对管线受力的影响规律方面，数值模拟与试验得到的结论均基本一致。
第四，采用基于Herschel-Bulkley模型的计算流体动力学CFD方法模拟了泥屑流流滑阶段以不同的冲击角度对置于海床表面管线以及不同悬跨高度管线的冲击作用，分别通过流体力学方法、混合方法对计算结果进行分析，讨论了泥屑流对管线形成的法向冲击力、轴向冲击力随管线悬跨高度的变化规律，并重点讨论了管线受到的竖向力随泥屑流冲击角度、冲击速度、管线悬跨高度的变化规律。给出了能够同时考虑冲击角度和悬跨高度影响的海底滑坡对管线的法向和轴向冲击力的流体力学表达式，以及竖向受力系数随管线悬跨高度的变化关系。分析结果显示，置于海床表面的管线所受轴向力约为处于临界悬跨高度管线受力的95％。当雷诺数较小时，海床表面管线所受法向力可能为临界悬跨高度管线的81％甚至更低，但当雷诺数较大时，悬跨高度的变化对管线所受海底滑坡法向冲击力的影响很小。当悬跨高度超过2.5D倍管线直径以后，管线受力将不再随着悬跨高度的进一步增大而改变。此外，滑移体本身的强度特性是影响管线受到冲击力大小的最主要因素。通常，管线在法向冲击条件下受到的法向力是最大的，但当滑坡有可能以较大的雷诺数冲击置于海床表面、或者悬跨高度较小的管线时，管线受到的竖向作用力与受到的法向力基本处在相同数量级，此时应该充分考虑管线在竖向力作用下的稳定性。