海床开槽演化与六自由度响应的螺旋锚桩失稳预警方法

本技术涉及海洋工程锚固结构监测，尤其涉及海床开槽演化与六自由度响应的螺旋锚桩失稳预警方法。

背景技术：

1、螺旋锚桩是海上浮式风电、浮式平台等浮式结构系泊系统常用的锚固基础，在软黏土海床中具有锚固效率高、施工便捷等优势。在长期服役中，螺旋锚桩承受循环系泊荷载，锚链随荷载变化反复触底，与海床之间持续切削、掏蚀，在锚桩周围逐渐形成非对称沟槽。沟槽的形成与扩展造成锚周土体损失，削弱锚盘提供的抗拔与承载支承，使螺旋锚桩出现残余侧移、上拔、倾斜、偏航与扭转相互耦合的残余响应，最终可能发展为锚固基础失稳，威胁浮式结构安全。

2、现有对螺旋锚桩失稳的监测预警手段中，海床扫测与结构监测通常相互独立开展，海床扫测仅报告沟槽几何形态，结构监测仅报告倾角或位移是否超限，两类信息彼此割裂，难以确定沟槽是否正在导致锚桩失稳这一根因问题。单纯以海床地形变化或姿态、位移阈值触发的告警无法区分海床自然冲淤造成的假性地形变化，也无法区分可恢复的弹性循环运动与永久塑性累积变形，误报与漏报并存。现有判据多局限于单点位移或倾角，缺乏反映体系级刚度退化的指标，难以捕捉侧移、上拔、倾斜、偏航、扭转交叉耦合增强这一更早出现的失稳前兆。

3、现有方法缺少健康基准与因果确证手段，既不验证开槽方向与锚桩响应方向的空间一致性，也不验证开槽演化先行与姿态响应滞后的时间因果关系。同时，现有方法仅提供报警而不提供剩余安全循环数等寿命视角信息，难以支撑检修窗口与应急预案的定量决策。

技术实现思路

1、为解决上述问题，本技术实施例提供海床开槽演化与六自由度响应的螺旋锚桩失稳预警方法，通过以海床开槽演化为诱因、以加权有效土体损失为力学中介、以统一荷载相位下的六自由度残余响应与广义柔度漂移为锚桩侧证据、以空间方向一致性与时间滞后相关性完成因果确证，并将上述信息融合为无量纲失稳风险指数，实现对螺旋锚桩失稳的因果确证式分级预警，在抑制误报的同时输出剩余安全循环数。

2、本技术实施例第一方面提出海床开槽演化与六自由度响应的螺旋锚桩失稳预警方法，包括如下步骤：

3、以判别窗口为周期获取螺旋锚桩所在海床区域的海床监测数据，获取螺旋锚桩在各判别窗口内承受循环荷载所产生的六自由度响应数据及循环荷载对应的荷载数据，并获取螺旋锚桩的健康基准数据；健康基准数据包括基准海床表面、基准残余六自由度响应与基准广义柔度矩阵；

4、根据海床监测数据与基准海床表面，识别海床区域中由循环荷载引起的开槽区域，并确定开槽区域的开槽几何特征；

5、设置空间衰减权重，空间衰减权重随土体损失单元距螺旋锚桩的锚盘中心的水平距离和竖向距离增大而减小；以空间衰减权重对开槽区域内的土体损失量进行加权度量，确定有效土体损失特征、土体损失非对称程度与土体损失主方向；

6、在各判别窗口内，从六自由度响应数据中提取循环荷载处于统一参考相位时的残余六自由度响应，根据残余六自由度响应确定残余响应特征，并根据残余响应特征的变化趋势确定残余响应增长特征；

7、根据残余六自由度响应与荷载数据，识别螺旋锚桩的广义柔度矩阵，并确定广义柔度矩阵相对基准广义柔度矩阵的柔度漂移率；

8、根据开槽几何特征、有效土体损失特征与土体损失非对称程度确定开槽严重程度，根据残余响应特征与柔度漂移率确定响应严重程度；

9、对土体损失主方向与残余响应特征对应的响应方向进行方向一致性判别，以确定方向一致性系数；对各判别窗口的开槽严重程度的开槽时间序列与响应严重程度的响应时间序列进行时间一致性判别，以确定时间一致性系数；

10、在开槽严重程度与响应严重程度均满足预设异常条件时，根据开槽严重程度、响应严重程度、残余响应增长特征、方向一致性系数与时间一致性系数确定螺旋锚桩的失稳风险指数，并根据失稳风险指数确定并输出预警等级。

11、根据本技术实施例第一方面的海床开槽演化与六自由度响应的螺旋锚桩失稳预警方法，至少具有如下有益效果：

12、本技术通过将海床开槽演化与螺旋锚桩六自由度响应置于同一因果确证框架内联合研判。以空间衰减权重对开槽区域内的土体损失量进行加权度量，把地形意义上的开槽体积转化为对锚盘受力真正有影响的力学相关量，据此确定的有效土体损失特征、土体损失非对称程度与土体损失主方向，能够区分海床自然冲淤造成的假性地形变化与真正削弱锚盘承载的土体损失，从源头上抑制误报。

13、通过提取循环荷载处于统一参考相位下的残余六自由度响应，剥离可恢复的弹性循环运动，仅保留代表损伤累积的残余状态分量，并以柔度漂移率反映锚周土体软化导致的体系级刚度退化与荷载通道间交叉耦合的增强，能够在位移或倾角尚未明显超限之前更早捕捉失稳前兆，弥补现有判据仅依赖单点位移或倾角阈值的不足。

14、通过对土体损失主方向与残余响应方向的空间方向一致性判别、以及开槽严重程度超前于响应严重程度的时间滞后相关性判别，完成开槽诱因与锚桩响应之间的因果确证，避免将与开槽同时发生的其他偶发因素误判为失稳原因。进一步将开槽严重程度、响应严重程度、残余响应增长特征、方向一致性系数与时间一致性系数融合为无量纲失稳风险指数，实现因果确证式分级预警，并在风险指数持续上升时输出剩余安全循环数，为检修窗口与应急预案提供定量决策依据，兼顾预警的及时性与稳定性。

15、在一种可能的实施方式中，健康基准数据在螺旋锚桩完成安装且海床区域尚未形成显著开槽时，于连续多个稳定荷载循环内标定，或者在首次获取海床监测数据时标定；当失稳风险指数低于预设的基准更新阈值时，以当前获取的海床监测数据、残余六自由度响应与广义柔度矩阵，对健康基准数据进行滚动更新。

16、在一种可能的实施方式中，将各判别窗口的海床监测数据与基准海床表面逐点作差，得到海床区域内各海床表面采样点的土体损失深度，并将土体损失深度不小于预设深度阈值的候选区域确定为开槽区域；预设深度阈值取海床监测数据的测量噪声统计值与预设倍数的乘积、和螺旋锚桩的锚盘外径与预设系数的乘积中的较大值；对开槽区域提取开槽几何特征；开槽几何特征包括开槽深度、开槽宽度、开槽长度、开槽体积、开槽偏心距与开槽主轴方向，并将开槽深度、开槽宽度、开槽长度与开槽偏心距分别以锚盘外径进行无量纲化。

17、在一种可能的实施方式中，以空间衰减权重对各土体损失单元进行加权累加，得到有效土体损失体积；根据锚盘外径确定影响高度，根据锚盘外径与影响高度确定参考土体体积，将有效土体损失体积相对参考土体体积进行归一化，得到有效土体损失比，以有效土体损失比作为有效土体损失特征；以锚盘中心为原点，将各土体损失单元的水平位置矢量与对应的土体损失量相乘，再以空间衰减权重加权后累加，得到一阶方向矩；根据锚盘外径确定影响半径，以影响半径与有效土体损失体积的乘积为尺度对一阶方向矩进行归一化，得到开槽非对称矢量；将开槽非对称矢量的方向作为土体损失主方向，将开槽非对称矢量的模长作为土体损失非对称程度。

18、在一种可能的实施方式中，统一参考相位为循环荷载在单个循环内达到最小张力的位置，或者为循环荷载达到预设参考张力的位置；残余六自由度响应为六自由度响应数据在循环荷载处于统一参考相位处、或者在统一参考相位前后不超过单循环周期的预设比例的相位区间内的取值或平均值；残余响应特征包括残余水平位移比、残余上拔位移比、总残余倾斜角与残余偏航角，残余水平位移比与残余上拔位移比分别根据残余六自由度响应中的水平残余位移分量与竖向残余位移分量相对锚盘外径归一化确定；总残余倾斜角根据残余六自由度响应中的姿态分量构建姿态旋转矩阵，将姿态旋转矩阵作用于螺旋锚桩的初始轴线单位向量得到当前轴线单位向量，再根据初始轴线单位向量与当前轴线单位向量之间的夹角确定。

19、在一种可能的实施方式中，广义柔度矩阵的行通道对应残余六自由度响应的各响应通道，广义柔度矩阵的列通道对应荷载数据的各荷载通道；在识别广义柔度矩阵时，将荷载数据与残余六自由度响应分别以螺旋锚桩的特征承载力、锚盘外径与预设的参考角进行无量纲化，并在滑动识别窗口内以带正则项的最小二乘估计对无量纲化后的荷载增量与响应增量进行拟合，得到广义柔度矩阵；柔度漂移率根据广义柔度矩阵与基准广义柔度矩阵之差的第一矩阵范数相对基准广义柔度矩阵的第二矩阵范数的比值确定。

20、在一种可能的实施方式中，根据水平残余位移分量确定残余水平位移方向，根据姿态分量确定倾斜水平投影方向；响应方向包括残余水平位移方向与倾斜水平投影方向；确定土体损失主方向与残余水平位移方向之间第一方向偏角的第一余弦值，并确定土体损失主方向与倾斜水平投影方向之间第二方向偏角的第二余弦值，将第一余弦值与第二余弦值中的较大者作为方向一致性系数；基于开槽时间序列与响应时间序列，在开槽严重程度超前于响应严重程度的预设最大滞后范围内计算滞后互相关，将最大滞后互相关值作为时间一致性系数。

21、在一种可能的实施方式中，将预警等级划分为四个预设等级，当失稳风险指数落入不同的预设分级区间时确定对应的预警等级；当开槽严重程度与响应严重程度未同时满足预设异常条件时，仅记录一般异常，不输出预警等级；当开槽几何特征、残余响应特征与柔度漂移率中的至少一项达到对应的强制预警阈值时，将预警等级提升至不低于对应的预设强制等级；预警等级的升级需连续第一预设数量的判别窗口满足目标等级判定条件后确认，预警等级的降级需连续第二预设数量的判别窗口满足低一级判定条件后确认，第二预设数量大于第一预设数量。

22、在一种可能的实施方式中，当失稳风险指数在第三预设数量的判别窗口内持续上升且未达到预设的最高风险阈值时，根据失稳风险指数的上升速率，推算螺旋锚桩达到最高风险阈值所需的剩余安全循环数，并根据剩余安全循环数与预设的循环数阈值的比较结果，将预警等级的下限设置为不低于对应的预设下限等级；当循环荷载为非严格周期荷载时，将非周期荷载序列经雨流计数或按主循环周期分段折算为等效循环数，并基于等效循环数确定各判别窗口。

23、本技术实施例第二方面提出海床开槽演化与六自由度响应的螺旋锚桩失稳预警装置，包括：

24、数据获取模块，被配置为以判别窗口为周期获取螺旋锚桩所在海床区域的海床监测数据，获取螺旋锚桩在各判别窗口内承受循环荷载所产生的六自由度响应数据及循环荷载对应的荷载数据，并获取螺旋锚桩的健康基准数据；健康基准数据包括基准海床表面、基准残余六自由度响应与基准广义柔度矩阵；

25、开槽识别模块，被配置为根据海床监测数据与基准海床表面，识别海床区域中由循环荷载引起的开槽区域，并确定开槽区域的开槽几何特征；

26、土体损失度量模块，被配置为设置空间衰减权重，空间衰减权重随土体损失单元距螺旋锚桩的锚盘中心的水平距离和竖向距离增大而减小；以空间衰减权重对开槽区域内的土体损失量进行加权度量，确定有效土体损失特征、土体损失非对称程度与土体损失主方向；

27、残余响应提取模块，被配置为在各判别窗口内，从六自由度响应数据中提取循环荷载处于统一参考相位时的残余六自由度响应，根据残余六自由度响应确定残余响应特征，并根据残余响应特征的变化趋势确定残余响应增长特征；

28、柔度识别模块，被配置为根据残余六自由度响应与荷载数据，识别螺旋锚桩的广义柔度矩阵，并确定广义柔度矩阵相对基准广义柔度矩阵的柔度漂移率；

29、严重度确定模块，被配置为根据开槽几何特征、有效土体损失特征与土体损失非对称程度确定开槽严重程度，根据残余响应特征与柔度漂移率确定响应严重程度；

30、一致性判别模块，被配置为对土体损失主方向与残余响应特征对应的响应方向进行方向一致性判别，以确定方向一致性系数；对各判别窗口的开槽严重程度的开槽时间序列与响应严重程度的响应时间序列进行时间一致性判别，以确定时间一致性系数；

31、预警输出模块，被配置为在开槽严重程度与响应严重程度均满足预设异常条件时，根据开槽严重程度、响应严重程度、残余响应增长特征、方向一致性系数与时间一致性系数确定螺旋锚桩的失稳风险指数，并根据失稳风险指数确定并输出预警等级。