海底管线在海洋工程开发中的意义重大同时风险极高，海底管线一旦破损将造成重大经济损失并对环境产生严重污染。海底管线一般埋深较浅甚至不埋，近年来海底管线在近岸海域分布越来越密集，而该海域的船只活动频繁，发生落锚和走锚的概率很大。现有大型商船携带的主锚质量从几吨到几十吨不等，船只停泊时落锚的冲击能量可能直接伤害海管结构。此外，停泊的船只在强风袭来时可能因锚固力不足而发生走锚现象，被拖动的船锚运动轨迹与海底管线相交时，对管线有极大的潜在危害。因此，研究落锚和拖锚对海底管线的破坏模式和防护机理有着重要的实际意义。相比于有关管线安全的其他研究领域(如海管的屈曲、冲刷等)，国内外在落锚和拖锚对海管安全的影响和海底管线的防护方面的研究相对较少。本文通过模型试验、理论推导和数值分析，对不同土质中的拖锚和落锚的运动和动力特性以及对海底管线安全的影响进行了系统研究，对海底管线保护结构的作用机理和效果进行了深入探讨。主要工作内容和创新点如下：
　　(1)对于无粘性土海床，基于土体的极限平衡理论，引入剪胀角和土楔破坏角提出锚前土楔受力的三维破坏机制，通过分析拖锚过程中任意时刻锚前土楔和锚体的受力体系，建立了拖锚过程中锚的运功轨迹理论模型，结合耦合的欧拉-拉格朗日大变形理论，分析了无粘性土中拖锚时，锚的结构、无粘性土性质指标、拖锚速度等诸多因素对无粘性土海床中拖锚运动问题的影响。同时进行了无粘性土中的大比尺模型试验，验证了理论方法的准确性，试验还研究了土的内摩擦角、锚型、锚的尺寸、初始深度、拖锚速度、水下环境等因素对拖锚过程的影响。(第二章)
　　(2)建立了粘性土海床中的拖锚运动轨迹计算模型，在考虑粘性土不排水强度随深度的变化规律基础上，通过分析拖锚过程中任意时刻锚前土楔和锚体的受力，预测锚的运动趋势，在考虑锚的竖向沉降中引入了入土段锚链的受力分析。结合耦合的欧拉-拉格朗日大变形分析方法，研究了锚型、海床粘土强度、水平拖锚速度等对拖锚运动的影响。通过大比尺模型试验测试了不同锚型在粘性土海床中的拖锚运动规律，试验结果与理论计算结果吻合。上述研究分析了走锚状态下锚的运动轨迹，可以用来指导锚地、航线和海底管缆路由区域的规划设计，以尽量减小拖锚对管线的影响。(第三章)
　　(3)为防止拖锚轨迹与管线交叉时对海管可能造成的破坏，需要对海底管线进行防护。本文通过大比尺模型试验研究了碎石结构保护海底管线的机理，探求了不同锚型、模型锚尺寸、拖锚速度、碎石保护结构的横截面形状和坡比、碎石强度参数和厚度对保护效果的敏感度；建立了碎石中的拖锚运动轨迹理论计算模型，并基于变分法原理推导了拖锚在碎石中运动的功能泛函方程的解法，理论计算考虑了海床土性、锚型和锚的尺寸、碎石参数指标、水平拖锚速度等参数，可帮助碎石保护结构的设计。另外，采用离散单元法建立了关于碎石中拖锚运动的数值模型，研究了锚进入碎石前的深度和拖锚速度对锚在碎石保护结构中运动轨迹的影响。研究成果可用于指导碎石保护结构的设计。(第四章)
　　(4)通过分析落锚的受力体系，建立了落锚在水中、海床中的运动学微分方程，可以预测船只放锚后的落锚全过程中锚的下落速度与深度的关系，用于分析海洋工程中的立管、裸露于海床面或有一定埋深的海底管缆等结构物受落锚冲击损伤的评估；同时，基于耦合欧拉-拉格朗日大变形有限元方法建立了关于落锚在海床中的贯入运动的数值计算模型。通过无粘性土和粘性土中进行了大比尺落锚模型试验，验证了理论计算结果，在碎石中的落锚试验表明碎石层能有效降低落锚在海床中的贯入量。研究结果可以用于确定海底管线防落锚的合理埋深和防护结构设计。(第五章)