CN108458848B - 滑坡涌浪对水下管道冲击模拟实验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及水下管道冲击模拟实验技术领域，尤其涉及一种滑坡涌浪对水下管道冲击模拟实验装置及方法，包括PC终端、高速摄影仪、刚体滑块、实验水箱、平板、压力传感器、实验管段、支撑架等构成。平板倾斜设置在实验水箱的一端，水下实验管段设置在实验水箱的另一端，滑块沿平板滑入水中激起涌浪，对水下管道进行冲击，压力数据由布置在实验管段上的压力传感器采集。同时，在实验水箱的侧面架设高速摄影仪采集实验的视频数据。本装置具有设备简单、操作方便、结果直观、符合实际等优点。

Description

滑坡涌浪对水下管道冲击模拟实验装置及方法

技术领域

本发明涉及水下管道冲击模拟实验技术领域，尤其涉及一种滑坡涌浪对水下管道冲击模拟实验装置及方法。

背景技术

输油输气管线是国家生命线工程的主要组成部分，是国家能源供应的保障设施，它的安全运营对国家经济稳定发展有着密切的联系。目前，我国的穿越河流的输油输气管道在长输管道工程中占有相当大的比例，且多数修建于二十世纪七十年代，受限于当时的输油输气管道修建的技术水平和设计水平，在运行三十多年后，难免出现诸多问题，比如：管道埋深不够、稳管措施不力等问题，从而导致管道裸露、悬空等现象。在我国西部地区山脉众多，水系发达，在山间沟壑河流密布，山体滑坡时有发生，一旦山体发生滑坡激起具有强大的冲击力的涌浪有可能对管道造成严重的破坏，导致断裂、泄漏等恶性事故，极易造成环境污染，破坏生态环境，给生产和国民经济带来巨大损失。滑坡涌浪对水下管道破坏力强，治理困难，预测难度大，因此，研究滑坡涌浪对水下管道冲击实验是非常有必要的。

我国幅员辽阔，许多穿越河流管线分布在各个地区，管线布置的地理环境差异较大，由于年久失修，许多管线已经出现裸露、悬空等现象，且在许多山区山体滑坡经常发生，一旦滑坡岩体崩入水中将形成能量大，破坏性强的涌浪，涌浪在传播过程中有可能冲击布置于水下的管线。因此，模拟不同地理环境发生滑坡形成涌浪对管道冲击的影响具有十分现实的意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：为了解决上述技术问题，本发明提供一种滑坡涌浪对水下管道冲击模拟的实验装置及方法，该实验装置实现了对不同地理环境发生滑坡的模拟，记录了涌浪发生和传播的整个过程，并对涌浪冲击水下管道的压力数据进行了采集分析。能有效还原现实中滑坡涌浪发生在不同地形条件下对水下管段冲击影响。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种滑坡涌浪对水下管道冲击模拟实验装置，包括实验水箱、平板、海绵缓冲垫层、实验管段、支撑架、压力传感器和高速摄影仪，

所述实验水箱呈上方开口的长方体箱体状，设定实验水箱长度方向的两端面为前端面和后端面，则剩余两个侧面为左侧面和右侧面，左侧面和右侧面上均对称设置有平板固定装置，平板的左右两侧通过平板固定装置倾斜固定在实验水箱左右两侧面上，且平板的前端低于后端，平板的前端和实验水箱的宽度方向相平行，平板的前端和实验水箱的底部相接触，平板和实验水箱内底部的夹角为θ，0°<θ<90°，海绵缓冲垫层铺设在实验水箱内的底部，海绵缓冲垫层位于平板的前方，支撑架固定在海绵缓冲垫层的前端，实验管段架设在支撑架上，实验管段的中心轴线和平板的前端相平行，压力传感器设置在实验管段上，压力传感器电连接(即信号连接)有数据采集器，数据采集器信号连接有 PC终端，高速摄影仪和PC终端信号连接。

所述平板固定装置包括一对以上的固定块，每对固定块左右对称设置分别与左侧面和右侧面固定连接，固定块的表面倾斜设置，固定块的表面和实验水箱内底部的夹角为θ，且固定块的表面的法线方向开设有螺纹孔，平板的左右两侧对称开设有安装孔，通过螺钉穿过平板的左右两侧的安装孔以及螺纹孔，将平板固定安装在固定块上。平板固定装置包括也可以是两对、三对或者更多对固定块，平板更具角度的需要可拆卸的固定在其中一对固定块上。

为了便于测试水下不同位置的实验管段的压力，所述支撑架包括底座和弧形托架，底座和实验水箱底部固定连接(可拆卸的固定连接)，弧形托架和底座固定连接，弧形托架支撑在实验管段的底部，所述弧形托架的弧度和实验管段外部的弧度相配合，底座可上下升降调节。

进一步，具体地，所述实验水箱由透明有机玻璃板通过亚克力胶、销钉进行连接的长方体敞口容器，其长宽高分别为2.40m、1.20m、0.60m；平板长为 1.20m，海绵缓冲垫层的长宽均为1.20m，厚度为0.03m；实验管段的直径为0.06m。

一种滑坡涌浪对水下管道冲击模拟实验方法，采用所述的滑坡涌浪对水下管道冲击模拟实验装置进行实验，具有如下步骤：

1)完成滑坡涌浪对水下管道冲击模拟实验装置的安装；

2)检测实验水箱的气密性，防止漏气漏水；

3)在实验水箱中盛2/3的水；

4)开启高速摄影仪和压力传感器；

5)刚体滑块从斜坡块上方下落，滑入水中激起涌浪，涌浪以一定速度冲击实验管段；

6)开启高速摄影仪完成视频数据采集，压力传感器完成压力数据采集；

7)调整支撑架的高度和/或将实验管段绕实验管段中心轴线旋转，或者平板的角度重复1)—6)步骤，获得其他实验数据。

本发明的有益效果是，本发明的滑坡涌浪对水下管道冲击模拟的实验装置及方法。

(1)、能够通过改变平板倾斜的坡度及长度，更加灵活地模拟现实中滑坡发生的地理环境；

(2)、通过调整支撑架的高度和位置及旋转实验管段的角度，能较为准确地模拟现实中输油输气管段所处的水下环境；

(3)、滑坡激起的涌浪对实验管段的冲击力能够通过布置在实验管段的外管壁的压力传感器进行压力数据采集。

(4)、整个实验过程都有高速摄影仪进行拍摄记录，并传输至PC终端储存分析。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明最优实施例的结构示意图。

图2是本发明实验水箱的俯视图。

图3是图2的侧视图。

图中：1、实验水箱，2、平板，3、海绵缓冲垫层，4、固定块，5、实验管段，6、支撑架，7、压力传感器，8、高速摄影仪，9、数据采集器，10、PC终端，11、刚体滑块，12、恒流电源，13、控制手柄，14、螺钉。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

如图1-3所示，是本发明最优实施例，一种滑坡涌浪对水下管道冲击模拟实验装置，包括实验水箱1、平板2、海绵缓冲垫层3、实验管段5、支撑架6、压力传感器7和高速摄影仪8，实验水箱1呈上方开口的长方体箱体状，设定实验水箱1长度方向的两端面为前端面和后端面，则剩余两个侧面为左侧面和右侧面，左侧面和右侧面上均对称设置有平板固定装置，平板2的左右两侧通过平板固定装置倾斜固定在实验水箱1左右两侧面上，且平板2的前端低于后端，平板2的前端和实验水箱1的宽度方向相平行，平板2的前端和实验水箱1的底部相接触，平板2和实验水箱1内底部的夹角为θ，0°<θ<90°，海绵缓冲垫层3铺设在实验水箱1内的底部，海绵缓冲垫层3位于平板2的前方，支撑架6固定在海绵缓冲垫层3的前端，实验管段5架设在支撑架6上，实验管段5 的中心轴线和平板2的前端相平行，压力传感器7设置在实验管段5上，压力传感器7电连接(即信号连接)有数据采集器9，数据采集器9信号连接有PC 终端10，高速摄影仪8和PC终端10信号连接。

平板固定装置包括一对以上的固定块4，每对固定块4左右对称设置分别与左侧面和右侧面固定连接，固定块4的表面倾斜设置，固定块4的表面和实验水箱1内底部的夹角为θ，且固定块4的表面的法线方向开设有螺纹孔，平板2 的左右两侧对称开设有安装孔，通过螺钉14平板2的左右两侧的安装孔以及螺纹孔，将平板2固定安装在固定块4上。

支撑架6包括底座和弧形托架，底座设置靠近海绵缓冲垫层3前端的位置上，底座和实验水箱1内的底部可拆卸固定连接，底座位置是可以调的，也可以直接将底座固定在实验水箱1内的底部，弧形托架和底座固定连接，弧形托架支撑在实验管段5的底部，所述弧形托架的弧度和实验管段5外部的弧度相配合，底座可上下升降调节。

实验水箱1由透明有机玻璃板通过亚克力胶、销钉进行连接的长方体敞口容器，其长宽高分别为2.40m、1.20m、0.60m；平板2长为1.20m，海绵缓冲垫层3的长宽均为1.20m，厚度为0.03m，用于缓冲刚体滑块11下落对实验水箱1 箱底玻璃板的冲击力；实验管段5的直径为0.06m。

压力传感器7分别布置在实验管段5的外管壁上，通过将实验管段5沿其中心轴旋转和移动，可测得实验管段5不同角度承受涌浪的冲击力的实验数据。同时，支撑架6也是可升降的，通过其升降能够达到调整实验管段5高度的目的。

压力传感器7产品规格一样，都是由输入电压为220V，输出电压为24V的恒流电源12供电，所测得的压力数据通过数据采集器9传送至PC终端10分析处理。

一种滑坡涌浪对水下管道冲击模拟实验装置的实验全过程有高速摄影仪8 在实验水箱1的侧面进行拍摄，高速摄影仪8由控制手柄13控制，所拍摄的视频数据传输至PC终端10分析处理。

一种滑坡涌浪对水下管道冲击模拟实验方法，滑坡涌浪对水下管道冲击模拟实验装置进行实验，具有如下步骤：

1)完成滑坡涌浪对水下管道冲击模拟实验装置的安装；所用的固定块4和实验水箱1内底部的夹角为30°；

2)检测实验水箱1的气密性，防止漏气漏水；

3)在实验水箱1中盛2/3的水；

4)开启高速摄影仪8和压力传感器7；

5)刚体滑块11从斜坡块2上方下落，滑入水中激起涌浪，涌浪以一定速度冲击实验管段5；

6)开启高速摄影仪8完成视频数据采集，压力传感器7完成压力数据采集；

7)调整支撑架6的高度和/或将实验管段5绕实验管段5中心轴线旋转，还可以将平板2拆下，固定至另一对固定块4上，固定块4和实验水箱1内底部的夹角为45°，使得重复1)—6)步骤，获得其他实验数据。

通过以上实验步骤能够测得实验管段5在水下不同位置的管壁各个点所受涌浪的冲击力，能够较为准确地模拟现实中不同地形发生滑坡对管道的影响。

本发明用于模拟滑坡涌浪的形成对水下管道的冲击影响，通过灵活调节平板2的坡度及实验管段5的位置模拟现实中水下管道受滑坡涌浪冲击的影响。

本发明通过设置在实验管段5上的压力传感器7采集压力数据，通过布置在实验水箱1外侧的高速摄影仪8采集涌浪形成与传播过程的视频数据。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (5)

1.一种滑坡涌浪对水下管道冲击模拟实验装置，其特征在于：包括实验水箱(1)、平板(2)、海绵缓冲垫层(3)、实验管段(5)、支撑架(6)、压力传感器(7)和高速摄影仪(8)，

所述实验水箱(1)呈上方开口的长方体箱体状，设定实验水箱(1)长度方向的两端面为前端面和后端面，则剩余两个侧面为左侧面和右侧面，左侧面和右侧面上均对称设置有平板固定装置，平板(2)的左右两侧通过平板固定装置倾斜固定在实验水箱(1)左右两侧面上，且平板(2)的前端低于后端，平板(2)的前端和实验水箱(1)的宽度方向相平行，平板(2)的前端和实验水箱(1)的底部相接触，平板(2)和实验水箱(1)内底部的夹角为θ，0°<θ<90°，海绵缓冲垫层(3)铺设在实验水箱(1)内的底部，海绵缓冲垫层(3)位于平板(2)的前方，支撑架(6)设置在海绵缓冲垫层(3)的前端，支撑架(6)和实验水箱(1)底部固定连接，实验管段(5)架设在支撑架(6)上，实验管段(5)的中心轴线和平板(2)的前端相平行，压力传感器(7)设置在实验管段(5)上，压力传感器(7)电连接有数据采集器(9)，数据采集器(9)信号连接有PC终端(10)，高速摄影仪(8)和PC终端(10)信号连接。

2.如权利要求1所述的滑坡涌浪对水下管道冲击模拟实验装置，其特征在于：所述平板固定装置包括一对以上的固定块(4)，每对固定块(4)左右对称设置分别与左侧面和右侧面固定连接，固定块(4)的表面倾斜设置，固定块(4)的表面和实验水箱(1)内底部的夹角为θ，且固定块(4)的表面的法线方向开设有螺纹孔，平板(2)的左右两侧对称开设有安装孔，通过螺钉穿过平板(2)的左右两侧的安装孔以及螺纹孔，将平板(2)固定安装在固定块(4)上。

3.如权利要求1所述的滑坡涌浪对水下管道冲击模拟实验装置，其特征在于：所述支撑架(6)包括底座和弧形托架，底座和实验水箱(1)底部固定连接，弧形托架和底座固定连接，弧形托架支撑在实验管段(5)的底部，所述弧形托架的弧度和实验管段(5)外部的弧度相配合，底座可上下升降调节。

4.如权利要求1所述的滑坡涌浪对水下管道冲击模拟实验装置，其特征在于：所述实验水箱(1)由透明有机玻璃板通过亚克力胶、销钉进行连接的长方体敞口容器，其长宽高分别为2.40m、1.20m、0.60m；平板(2)长为1.20m，海绵缓冲垫层(3)的长宽均为1.20m，厚度为0.03m；实验管段(5)的直径为0.06m。

5.一种滑坡涌浪对水下管道冲击模拟实验方法，其特征在于：采用如权利要求1-4中任一项所述的滑坡涌浪对水下管道冲击模拟实验装置进行实验，具有如下步骤：

1)完成滑坡涌浪对水下管道冲击模拟实验装置的安装；

2)检测实验水箱(1)的气密性，防止漏气漏水；

3)在实验水箱(1)中盛2/3的水；

4)开启高速摄影仪(8)和压力传感器(7)；

5)刚体滑块(11)从平板(2)上方下落，滑入水中激起涌浪，涌浪以一定速度冲击实验管段(5)；

6)开启高速摄影仪(8)完成视频数据采集，压力传感器(7)完成压力数据采集；

7)调整支撑架的高度和/或将实验管段(5)绕实验管段(5)中心轴线旋转，重复1)—6)步骤，获得其他实验数据。

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