CN112697371A - 一种海底滑坡灾害致使工程管线振动的试验模拟系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海底滑坡灾害致使工程管线振动的试验模拟系统，包括模拟海底管线装置、水环境模拟装置、滑坡体运动模拟装置和数据监测装置，模拟海底管线装置包括一根模拟管线，和与模拟管线连接的管线支架，水环境模拟装置包括箱体、设在箱体内的模拟海床面和注水口，滑坡体运动模拟装置包括与模拟海床面连接的滑槽、向滑槽内注入滑坡土样的集料器，数据监测装置包括摄像机和空压传感器，其中，所述模拟管线横向设在模拟水环境中用以使用模拟滑坡体进行冲击。本发明可实现对海底滑坡灾害致使工程管线的振动、甚至扭转问题的试验模拟与分析，可实现不同滑坡体运动速度、不同管线平均密度下的管线受力、流场、位移、扭转及相关图像的综合研究功能，且装置简单易于推广。本发明还公开上述装置的试验方法。

Description

一种海底滑坡灾害致使工程管线振动的试验模拟系统及方法

技术领域

本发明涉及一种海底滑坡灾害致使工程管线振动的试验模拟系统，本发明还涉及一种海底滑坡灾害致使工程管线振动的试验模拟系统的试验方法。

背景技术

近年来，随着陆地资源的日渐匮乏和人口急速增长，人类的生存环境面临着严峻挑战，而二十一世纪是海洋发展的新时代，世界各沿海国家逐渐将目光投向辽阔的海洋。对我国而言，海洋资源十分丰富，安全高效的开采海洋油气能源是我国海洋发展的一个重要方向，其中，输送石油、天然气等重要资源，离不开一种重要的工程结构物——海底管线。然而，海床土体在各种复杂的海洋环境作用下（例如：地震、水合物分解、波浪等），即便是在坡角小于1°的情况下，也可能会发生滑坡，这直接影响滑坡发生区临近海底管线的稳定，一旦海底管线断裂，将造成巨大的经济损失，特别是海底滑坡灾害作用可能会导致管线发生振动，若其振动频率与管线结构自振频率相近，将引发严重的共振危害，对于海底管线安全稳定有着巨大的威胁。因此，探究海底滑坡灾害致使海底管线的振动问题，对于管线设施的安全设计与长期运营而言具有十分重要的指导意义。

然而，以往有关滑坡体冲击管线的研究，主要探讨的是海底滑坡对管线形成的冲击作用荷载，且相关装置与方法也主要为其服务，而对于管线可能产生的振动问题，甚至管线是否还会发生一定的旋转，相关研究基本处于空白。因此，这一现状使得海底滑坡对管线的致灾作用评价并不全面，不利于海底滑坡灾害评价及海底滑坡易发区内管线工程设计的发展。

发明内容

本发明的目的是提供一种可供模拟海底滑坡冲击海底管线，并对海底管线的振动和/或旋转进行监测和记录的试验系统，本发明的目的还在于提供一种上述试验系统的试验方法。

为了实现以上目的，本发明提供一种海底滑坡灾害致使工程管线振动的试验模拟系统，包括模拟海底管线装置，模拟海底管线装置包括一根模拟管线，和与模拟管线连接的管线支架，其中，所述模拟管线横向设在模拟水环境中用以使用模拟滑坡体进行冲击。

进一步的，上述海底滑坡灾害致使工程管线振动的试验模拟系统还包括：

水环境模拟装置，包括箱体、设在箱体内的模拟海床面和向箱体内注水的注水口；

滑坡体运动模拟装置，包括与模拟海床面连接的滑槽、用以向滑槽内注入海底滑坡土样的集料器；

进一步的，上述海底滑坡灾害致使工程管线振动的试验模拟系统还包括用以观测冲击试验管线变化的数据监测装置，包括正对模拟管线的摄像机和安装在模拟管线内侧安置槽中的孔压传感器。

进一步的，所述模拟管线包括设在模拟管线内的填充物和/或内管。

进一步的，所述管线支架的内壁沿长度方向设有安置模拟管线的凹槽，所述模拟海床面上设有竖向刻度尺，其中，所述模拟管线可在凹槽中发生竖向振动位移和扭转，所述模拟管线可固定管线外壳，管线外壳上设有用于观测管线扭转角度的标记。

进一步的，所述滑坡体运动模拟装置还包括水土回收槽，水土回收槽设在模拟管线外侧且与模拟海床面连接。

进一步的，所述集料器可在升降装置作用下调整高度。

进一步的，上述海底滑坡灾害致使工程管线振动的试验模拟系统，还包括轨道以及固定轨道和管线支架的可拆卸固定装置，所述管线支架侧壁设有与轨道配合的卡槽，所述轨道卡入卡槽中。

上述海底滑坡灾害致使工程管线振动的试验模拟系统，也可以用圆周运动的移动方式来代替卡槽和轨道配合的运动，包括固定在水环境模拟装置上方的支撑装置、与支撑装置活动连接的转盘以及固定转盘和支撑装置可拆卸固定装置，所述转盘与管线支架固定。

本发明还包括一种海底滑坡灾害致使工程管线振动的试验模拟系统的试验方法，包括以下步骤：

(1)制备模拟海底滑坡土样，置于集料器中，调节集料器高度；用滑坡土样铺设模拟海床面，移动管线支架至预定位置，用可拆卸固定装置将管线支架与轨道固定，将管线外壳套在模拟管线上并置入管线支架中，打开注水口向箱体注水至预定位置，摄像机开机进入工作状态。

（2）释放集料器中的模拟海底滑坡土样，形成的滑坡体进入滑槽，沿着滑槽向下滑动，然后进入模拟海床面，模拟海底滑坡灾害发生过程。

（3）滑坡体冲击其运动路径上的模拟管线，引起模拟管线振动；孔压传感器量测采集管线遭受的冲击荷载数据，竖向刻度尺量测管线的竖向振动位移，摄像机拍摄记录滑坡体冲击管线过程。

（4）冲击过程完成后，模拟滑坡体水土进入水土回收槽中，通过观测管线外壳的标记，记录扭转数据；关闭滑坡体运动模拟装置和数据监测装置，收集水土回收槽中的水土混合物；结束试验，进行后续数据处理及相关研究。

本发明的有益效果是：

⑴本发明的管线支架具有沿管线支架长度方向设置的凹槽，模拟管线安置在凹槽内，管线支架在试验开始时固定在箱体上，试验时，管线支架与箱体固定，模拟管线不产生横向位移，模拟海底管线为长细结构，受其余管线部分约束，遭受滑坡冲击的管线部分已经达到水平位移的极限，不再继续发生水平位移，此时模拟管线在模拟滑坡体作用下可在凹槽内产生竖向的振动以及旋转运动，通过同步摄录的高速摄像机记录模拟冲击的全过程，同时孔压感应器、竖向刻度尺、管线外壳标记等记录下相关的数据。

⑵本发明通过调整集料器的高度可模拟不同滑坡体运动速度、通过调整管线支架的相对位置模拟不同的冲击角度、通过调整管线填充物和内管实现模拟不同管线平均密度下的管线受力、流场、位移、扭转及相关图像的综合研究功能。

附图说明

图1为本发明的示意图；

图2为本发明模拟管线示意图；

图3为管线外壳示意图；

图4为升降台剖视示意图；

图5为本发明实施例1管线支架和轨道的示意图；

图6为本发明实施例2管线支架的俯视图；

图7为图6的剖视图。

附图标记说明：1、水环境模拟装置；2、箱体；3、U形槽；4、注水口；5、模拟海床面；6、滑坡体运动模拟装置；7、滑槽；8、集料器；9、滑槽底面；10、升降台；11、升降装置；12、模拟海底管线装置；13、模拟管线；14、管线支架；15、U形槽侧壁；16、数据监测装置；17、摄像机；18、凹槽；19、刻度尺；20、管线外壳；21、标记；22、安置槽；23、孔压传感器；24、填充物；25、内管；26、水土回收槽；27、垫层；28、轨道；29、卡槽；30、可拆卸固定装置；31、支撑装置；32、转盘；33、横杆。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明进一步详细说明。其中相同的零部件用相同的附图标记表示。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“底面”和“顶面”、“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。

参照图1所示，本发明的一种海底滑坡灾害致使工程管线振动的试验模拟系统的实施例1，包括：

水环境模拟装置1，包括箱体2、设在箱体2内的U形槽3和向箱体2内注水模拟水环境的注水口4，U形槽3的底面为模拟海床面5。模拟海床面5还可以铺设一些滑坡土样用来模拟真实海床面；

滑坡体运动模拟装置6，包括与U形槽3连接的滑槽7和用以向滑槽7内注入海底滑坡土样的集料器8，滑槽底面9与模拟海床面5连接，滑槽7固定在升降台10中，升降台10设有升降装置11，集料器8连接在升降装置11上，并且集料器8位于滑槽7的正上方；

模拟海底管线装置12，包括一根模拟管线13，和与模拟管线13连接的两个管线支架14，管线支架14固定在U形槽侧壁15上，其中，模拟管线13垂直与U形槽3成横向设在模拟海床面5上；

数据监测装置16，包括设在箱体2内的摄像机17，比如高速摄像机17或高清摄像机17用以摄录试验冲击的过程，摄像机17也可以设在箱体2外壁上或箱体2上方或在箱体2上开设供摄像机17使用的观测窗，摄像机17设在箱体2内时，应选用防水或水下摄像机17，一般来说，箱体2采用透明材料制成，便于试验人员的观察，因此摄像机17直接设置在箱体2外壁上也是一种较为简便的替代选择。

在上述实施例中，参照图1和图5所示，管线支架14具有沿高度方向设置的凹槽18，模拟管线13安置在凹槽18中，在本实施例中，管线支架14固定在U形槽3中，模拟管线13在试验冲击时，无法进行横向位移，而在竖向，由于凹槽18未在竖向限制模拟管线13，如果模拟管线13在冲击中受到向上的力或旋转力矩，模拟管线13就会产生竖向的位移和发生旋转或扭转，这就使得模拟管线13可以用来模拟海底管线在滑坡体冲击下的竖向位移和旋转运动。

在上述实施例中，参照图1所示，为了监测和记录模拟管线13在滑坡体冲击下振动位移和旋转运动，还包括设在海床面上的竖向刻度尺19用以观测竖向位移、固定在模拟管线13上的管线外壳20，管线外壳20上设有用于观测管线扭转角度的标记21，比如在管线外壳20圆周上等比例划分的竖线以及标记21在竖线周围的数字或字母等标记21。

在上述实施例中，参照图2所示，数据监测装置16还可以包括安装在模拟管线13内侧安置槽22中的孔压传感器23，孔压传感器23可以安装在管线上下左右四个方向，测量模拟管线13在各方向上受到的冲击载荷数据。

在上述实施例中，参照图2所示，模拟管线13中空，模拟管线13包括设在模拟管线13内的填充物24和/或内管25，通过添置或变更填充物24和/或内管25来改变模拟管线13的密度，用来模拟不同密度的海底管线在滑坡体冲击下的变化。

在上述实施例中，参照图1所示，滑坡体运动模拟装置6还包括水土回收槽26，此时，可通过垫层27垫高U形槽3，使U形槽3的高度与水土回收槽26的高度一致，水土回收槽26设在模拟管线13外侧并与模拟海床面5水平并连接，水土回收槽26可以用以在试验结束后回收试验水土以循环利用。

在上述实施例中，参照图4所示，所述集料器8固定在升降台10内的升降装置11上，集料器8可在升降装置11作用下调整高度，同时升降台10还起到固定并支撑滑槽7的作用，集料器8也可以吊挂在外部升降装置上实现高度的调整。

参照图5所示，本发明的实施例2与实施例1基本相同，区别仅在于实施例2中箱体2或U形槽3中还设有轨道28，管线支架14上设有与轨道28匹配的卡槽29，轨道28卡入卡槽29中，管线支架14可沿着轨道28移动用以调整模拟管线13受到滑坡体冲击的角度，管线支架14移动到预定位置后，可通过设置在管线支架14上的可拆卸固定装置30将轨道28与管线支架14固定，目的是在试验时固定管线支架14，避免模拟管线13发生横向位移。上述的固定装置可包括螺栓，通过旋出或旋入螺栓来固定管线支架14和轨道28。在本实施例中，由于改变两个管线支架14相对位置后，模拟管线13的长度随之变化，且为了便于限制模拟管线13的横向位移，模拟管线13的两端面应平行于管线支架14的侧壁，模拟管线13的端面与模拟管线13轴向不垂直，因此模拟管线13需要定制，且对模拟管线13的扭转产生一定的干扰，即本实施例不能用来准确模拟海底管线在冲击下的旋转运动。

为了克服实施例2的不足，参照图6、图7所示，本发明的实施例3与实施例2基本相同，区别仅在于实施例3中用圆周移动来代替实施例2中沿轨道28长度方向的移动方式，包括固定在水环境模拟装置1上方的支撑装置31、与支撑装置31活动连接的转盘32以及固定转盘32和支撑装置31的可拆卸固定装置30，所述转盘32与管线支架14连接，一般为固定连接，防止管线支架14扭转。上述支撑装置31可为固定在箱体2两侧的上横梁，也可以是其他形状的比如圆盘状，上述转盘32可以为圆环、圆形或其他转动装置，上述的可拆卸固定装置30可以包括螺栓固定，在本实施例3中，支撑装置31为固定在箱体2两侧上的上横梁，转盘32为与上横梁中心铰接的圆环，所述圆环的直径上设有横杆33，横杆33的中心与上横梁中心铰接，上横梁两端设有与转盘32可拆卸固定的螺栓。

在上述实施例1、实施例2、实施例3中，模拟海床面5还可以铺设一些滑坡土样用来模拟真实海床面，集料器8具有可在升降装置11作用下调整高度的底板和与滑槽7相连接的壁板，壁板上设有供底板调整高度上下移动的槽，使得土样被释放后可顺利进入滑槽。

本发明还公开了一种海底滑坡灾害致使工程管线振动的试验模拟系统的试验方法，包括以下步骤：

（1）制备模拟海底滑坡土样，置于集料器8中，调节集料器8高度；移动管线支架14至预定位置，用滑坡土样铺设模拟海床面5，用可拆卸固定装置30将管线支架14与轨道28固定，将管线外壳20套在模拟管线13上并置入管线支架14中，并使字母a所代表的竖线居中朝上，打开注水口4向箱体2注水至预定位置，摄像机17开机进入工作状态。

（2）释放集料器8中的模拟海底滑坡土样，形成的滑坡体进入滑槽7，沿着滑槽7向下滑动，然后进入模拟海床面5，模拟海底滑坡灾害发生过程。

（3）滑坡体冲击其运动路径上的模拟管线13，引起模拟管线13振动；孔压传感器23量测采集管线遭受的冲击荷载数据，竖向刻度尺19量测管线的竖向振动位移，摄像机17拍摄记录滑坡体冲击管线过程。

（4）冲击过程完成后，模拟滑坡体水土进入水土回收槽26中，通过观测管线外壳20的标记21，记录扭转数据；关闭滑坡体运动模拟装置6和数据监测装置16，收集水土回收槽26中的水土混合物；结束试验，进行后续数据处理及相关研究。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种海底滑坡灾害致使工程管线振动的试验模拟系统，其特征在于：包括模拟海底管线装置，模拟海底管线装置包括一根模拟管线，和与模拟管线连接的管线支架，其中，所述模拟管线横向设在模拟水环境中用以使用模拟滑坡体进行冲击。

2.根据权利要求1所述的一种海底滑坡灾害致使工程管线振动的试验模拟系统，其特征在于：还包括：

水环境模拟装置，包括箱体、设在箱体内的模拟海床面和向箱体内注水的注水口；

滑坡体运动模拟装置，包括与模拟海床面连接的滑槽、用以向滑槽内注入海底滑坡土样的集料器。

3.根据权利要求2所述的一种海底滑坡灾害致使工程管线振动的试验模拟系统，其特征在于：还包括数据监测装置，数据监测装置包括正对模拟管线的摄像机和安装在模拟管线内侧安置槽中的孔压传感器。

4.根据权利要求1所述的一种海底滑坡灾害致使工程管线振动的试验模拟系统，其特征在于：所述模拟管线包括设在模拟管线内的填充物和/或内管。

5.根据权利要求1所述的一种海底滑坡灾害致使工程管线振动的试验模拟系统，其特征在于：所述管线支架的内壁沿长度方向设有安置模拟管线的凹槽，所述模拟海床面上设有竖向刻度尺，其中，所述模拟管线可在凹槽中发生竖向振动位移和扭转，所述模拟管线可固定有管线外壳，管线外壳上设有用于观测管线扭转角度的标记。

6.根据权利要求1到5任意一项所述的一种海底滑坡灾害致使工程管线振动的试验模拟系统，其特征在于：还包括轨道以及固定轨道和管线支架的可拆卸固定装置，所述管线支架侧壁设有与轨道配合的卡槽，所述轨道卡入卡槽中，所述管线支架可沿轨道移动。

7.根据权利要求1到5任意一项所述的一种海底滑坡灾害致使工程管线振动的试验模拟系统，其特征在于：还包括固定在水环境模拟装置上方的支撑装置、与支撑装置活动连接的转盘以及固定转盘和支撑装置的可拆卸固定装置，所述转盘与管线支架固定。

8.根据权利要求2所述的一种海底滑坡灾害致使工程管线振动的试验模拟系统，其特征在于：所述滑坡体运动模拟装置还包括水土回收槽，水土回收槽设在模拟管线外侧。

9.根据权利要求2所述的一种海底滑坡灾害致使工程管线振动的试验模拟系统，其特征在于：所述集料器可调整高度。

10.一种权利要求6所述的海底滑坡灾害致使工程管线振动的试验模拟系统的试验方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)制备模拟海底滑坡土样，置于集料器中，调节集料器高度；用滑坡土样铺设模拟海床面，移动管线支架至预定位置，用可拆卸固定装置将管线支架与轨道固定，将管线外壳套在模拟管线上并置入管线支架中，打开注水口向箱体注水至预定位置，摄像机开机进入工作状态；

（2）释放集料器中的模拟海底滑坡土样，形成的滑坡体进入滑槽，沿着滑槽向下滑动，然后进入模拟海床面，模拟海底滑坡灾害发生过程；

（3）滑坡体冲击其运动路径上的模拟管线，引起模拟管线振动；孔压传感器量测采集管线遭受的冲击荷载数据，竖向刻度尺量测管线的竖向振动位移，摄像机拍摄记录滑坡体冲击管线过程；

（4）冲击过程完成后，模拟滑坡体水土进入水土回收槽中，通过观测管线外壳的标记，记录扭转数据；关闭滑坡体运动模拟装置和数据监测装置，收集水土回收槽中的水土混合物；结束试验，进行后续数据处理及相关研究。

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