專利名稱：滲透變形誘導(dǎo)海底管道地基懸空的模擬方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種海底管道工程的模擬方法及裝置。
背景技術(shù)：
海底管道是海洋石油開發(fā)過程中輸送油氣的最有效的工具，鋪設(shè)在海床上的管道在海洋環(huán)境下的穩(wěn)定性直接關(guān)系到管道系統(tǒng)能否正常運營。在特定的海流作用下，管道兩側(cè)會形成恒定的壓力差管道的前方即迎著來流的方向為高壓區(qū)，在管道后方形成低壓區(qū)，而在波浪作用下，管道兩側(cè)的壓力差是周期變化的。管道的兩側(cè)壓力差，將使管道下方土體內(nèi)部形成滲流，在一定的壓力差情況下，管道下方的土體將產(chǎn)生滲透變形，進而誘導(dǎo)海底管道地基被淘空；管道局部地基被淘空后，管道將產(chǎn)生懸跨，這時在流體載荷的作用下管道可能發(fā)生渦激振動，嚴重時會導(dǎo)致管道斷裂。
為了分析滲透變形誘導(dǎo)海底管道地基懸空的過程，需對這一過程進行模擬。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種滲透變形誘導(dǎo)海底管道地基懸空的模擬方法及裝置，為達到上述目的，本發(fā)明的解決方案為一種滲透變形誘導(dǎo)海底管道地基懸空的模擬方法，該方法包括以下步驟(一)在實驗水槽內(nèi)制備土體，得到模擬海床；(二)在該模擬海床內(nèi)安裝實驗管道，并使實驗管道嵌入海床設(shè)定深度；(三)將實驗管道兩側(cè)的水槽相互分隔，并在實驗管道兩側(cè)的水槽內(nèi)分別施加不同的壓力，使實驗管道兩側(cè)的水槽之間產(chǎn)生預(yù)定壓力差；(四)觀測實驗管道下方的土樣變形。
進一步，在所述步驟(二)中，所述實驗管道兩端分別抵靠于所述實驗水槽的兩側(cè)壁上，并且所述實驗管道上密封連接有與該實驗管道長度相匹配的隔板，該隔板可相對于所述實驗水槽上下移動并且與實驗水槽壁之間密封。
進一步，在所述步驟(三)中，在所述實驗管道兩側(cè)的水槽內(nèi)依次施加不同壓力，使管道兩側(cè)的水槽之間存在一定幅值的周期動壓力。
進一步，在所述步驟(三)中，將所述實驗水槽密閉，在實驗管道一側(cè)的密閉水槽內(nèi)通過壓縮氣體加壓到預(yù)定值，另一側(cè)保持常壓，使管道兩側(cè)的水槽之間存在穩(wěn)定的壓力差。
進一步，在所述步驟(三)中，首先在所述實驗水槽內(nèi)隔板的兩側(cè)分別注入深度相同的適量水，然后將一側(cè)的溢水口全部關(guān)閉，并打開該側(cè)的進水管，使穩(wěn)定水流流入，同時將另一側(cè)的溢水口中的一個開啟，使管道兩側(cè)的水槽之間存在穩(wěn)定的壓力差。
進一步，在所述步驟(三)中，將所述實驗水槽密閉，依次在所述實驗管道兩側(cè)的密閉水槽內(nèi)通過壓縮氣體加壓到預(yù)定值，另一側(cè)保持常壓，使管道兩側(cè)的水槽之間存在一定幅值的周期動壓力。
一種實現(xiàn)上述方法的裝置，該裝置包括實驗水槽，實驗水槽內(nèi)設(shè)有土體，土體上設(shè)有實驗管道，該實驗管道嵌入土體一定深度，并且該實驗管道上帶有隔板，該實驗管道及隔板的兩端均抵靠于該實驗水槽的兩側(cè)壁上，該隔板可相對于水槽上下移動并且與實驗水槽壁之間密封。
進一步，在所述隔板兩側(cè)的實驗水槽壁上的不同高度，分別設(shè)有若干個可開啟、關(guān)閉的溢水口，并且所述實驗水槽內(nèi)隔板兩側(cè)分別設(shè)有進水管，進水管上設(shè)置有水量控制裝置，在所述實驗管道兩側(cè)的水中安裝有壓力傳感器，該壓力傳感器與該水量控制裝置相連接。
進一步，所述隔板兩端均設(shè)有卡槽，所述實驗水槽上的相應(yīng)位置設(shè)有與該卡槽相對應(yīng)的凸臺。
進一步，所述實驗水槽側(cè)壁上與所述隔板相對應(yīng)的位置設(shè)有可與所述隔板相卡固的卡槽，在所述實驗管道兩側(cè)分別設(shè)有微型孔隙水壓力傳感器，該微型孔隙水壓力傳感器埋設(shè)于所述實驗管道附近的土體中。
采用上述方法后，由于本發(fā)明裝置包括實驗水槽，實驗水槽內(nèi)設(shè)有土體，土體上設(shè)有實驗管道，該實驗管道嵌入土體一定深度并且該實驗管道上帶有隔板，該實驗管道及隔板的兩端均頂置于該實驗水槽的兩側(cè)壁上，將實驗水槽分隔為相互獨立的兩部分，因此依次在隔板兩側(cè)的實驗水槽內(nèi)施加不同壓力，即可在實驗管道兩側(cè)模擬海流作用，該方法及裝置簡單、易操作。另外，由于在隔板兩側(cè)分別設(shè)有進水管、并且實驗水槽壁上的不同高度分別設(shè)有若干個溢水口，因此可在隔板兩側(cè)因水面高度不同產(chǎn)生壓差而模擬海流作用；實驗管道兩側(cè)的水中安裝有壓力傳感器，該壓力傳感器與設(shè)于進水管上的水量控制裝置相連接，使得到的實驗管道兩側(cè)的壓差更準確。


圖1為本發(fā)明裝置的正視圖；圖2為本發(fā)明裝置的俯視圖；圖3為本發(fā)明裝置另一實施例的俯視圖。
具體實施例方式如圖1所示，在實驗水槽1內(nèi)制備土體2，形成模擬海床，然后安裝實驗管道3，使實驗管道3嵌入土體2一定深度，實驗管道3上帶有隔板4，實驗管道3及隔板4的兩端均分別抵靠于實驗水槽1的兩側(cè)壁上，如圖2所示，隔板4兩端設(shè)有卡槽41與實驗水槽1側(cè)壁設(shè)有的凸臺11相卡固，該卡槽與凸臺之間設(shè)有密封墊，隔板4可相對于水槽1上下移動；或在水槽1側(cè)壁設(shè)置卡槽12，隔板4直接卡固于卡槽12內(nèi)，在隔板4和卡槽12之間設(shè)置密封墊，如圖3所示；實驗管道3及隔板4將水槽1分割為13、14兩部分，該兩部分分別設(shè)有進水管5、6，并且在隔板4兩側(cè)的實驗水槽壁上的不同高度，分別設(shè)有若干個溢水口42、43；首先在水槽1內(nèi)隔板4的兩側(cè)分別注入高度相同的適量水，然后將溢水口42全部關(guān)閉，將溢水口43中的一個開啟，打開進水管5，使穩(wěn)定水流流入水槽的13部分，則水槽內(nèi)的13、14兩部分之間產(chǎn)生壓差，在壓差作用下，在管道3下方的土體2內(nèi)形成從水槽13到14的滲流，當(dāng)水槽14部分的水面到達開啟狀態(tài)的溢水口43時則從該溢水口溢出，使水槽14內(nèi)水壓力保持恒定，從而保持水槽的13、14兩部分之間壓差穩(wěn)定，開啟設(shè)置于不同水平面上的溢水口，即可在管道3兩側(cè)得到不同的單向壓力差；在該單向壓差作用下，即可模擬單向海流的作用，管道下方的土體將產(chǎn)生滲透變形，進而使土體被淘空，通過非接觸光學(xué)測量的方法，透過水槽的透明邊壁測量滲流引起的土體滲流變形，還可檢測地基懸空的觸發(fā)等。
或者，在實驗過程中，首先在水槽1內(nèi)隔板4的兩側(cè)分別注入高度相同的適量水，然后將所述實驗水槽1密閉，在實驗管道3一側(cè)的密閉水槽13內(nèi)通過氣壓泵或其它壓縮氣體的方式給密閉氣體加壓到預(yù)定值，而水槽另一側(cè)14保持常壓，使管道兩側(cè)的水槽13、14之間存在穩(wěn)定的單向壓力差，在該單向壓差作用下，即可模擬單向海流的作用，管道3下方的土體2將產(chǎn)生滲透變形，進而使土體被淘空，通過非接觸光學(xué)測量的方法，透過水槽1的透明邊壁測量滲流引起的土體滲流變形，還可檢測地基懸空的觸發(fā)等。
在實驗管道3一側(cè)的密閉水槽13內(nèi)通過氣壓泵或其它壓縮氣體的方式給密閉氣體加壓到預(yù)定值，而另一側(cè)14保持常壓，使實驗管道兩側(cè)的水槽13、14之間存在穩(wěn)定的單向壓力差，保持這一狀態(tài)一段時間后，給密閉水槽14內(nèi)的密閉氣體加壓到預(yù)定值，而另一側(cè)13內(nèi)保持常壓，使實驗管道兩側(cè)的水槽13、14之間存在相反方向的穩(wěn)定的單向壓力差，如此循環(huán)，則在實驗管道3兩側(cè)的水槽之間存在一定幅值的周期動壓力，透過水槽的透明邊壁測量滲流引起的土體滲流變形，還可檢測地基懸空的觸發(fā)等。
為使得到的實驗管道3兩側(cè)的壓力差更準確，在實驗管道3兩側(cè)的水中安裝壓力傳感器7，該壓力傳感器7與設(shè)于進水管5、6上的水量控制裝置8相連接，以準確控制進水量。另外，為使實驗過程中實驗用水可循環(huán)利用，溢水口42、43分別與水箱9、10相連接，水箱9、10內(nèi)設(shè)有水泵20、30，該兩水泵分別與進水管5、6相連通，當(dāng)水槽內(nèi)需進水時，打開水泵20或30即可，使實驗用水可循環(huán)利用。
另外，在實驗管道3兩側(cè)分別設(shè)有微型孔隙水壓力傳感器，該微型孔隙水壓力傳感器埋設(shè)于實驗管道3附近的土體中，用于測量不同壓差下實驗管道3兩側(cè)的土體孔隙水壓力，以檢測土體的透水性。
權(quán)利要求
1.一種滲透變形誘導(dǎo)海底管道地基懸空的模擬方法，其特征在于該方法包括以下步驟(一)在實驗水槽內(nèi)制備土體，得到模擬海床；(二)在該模擬海床內(nèi)安裝實驗管道，并使實驗管道嵌入海床設(shè)定深度；(三)將實驗管道兩側(cè)的水槽相互分隔，并在實驗管道兩側(cè)的水槽內(nèi)分別施加不同的壓力，使實驗管道兩側(cè)的水槽之間產(chǎn)生預(yù)定壓力差；(四)觀測實驗管道下方的土樣變形。
2.如權(quán)利要求1所述的滲透變形誘導(dǎo)海底管道地基懸空的模擬方法，其特征在于在所述步驟(二)中，所述實驗管道兩端分別抵靠于所述實驗水槽的兩側(cè)壁上，并且所述實驗管道上密封連接有與該實驗管道長度相匹配的隔板，該隔板可相對于所述實驗水槽上下移動并且與實驗水槽壁之間密封。
3.如權(quán)利要求1所述的滲透變形誘導(dǎo)海底管道地基懸空的模擬方法，其特征在于在所述步驟(三)中，在所述實驗管道兩側(cè)的水槽內(nèi)依次施加不同壓力，使管道兩側(cè)的水槽之間存在一定幅值的周期動壓力。
4.如權(quán)利要求1所述的滲透變形誘導(dǎo)海底管道地基懸空的模擬方法，其特征在于在所述步驟(三)中，將所述實驗水槽密閉，在實驗管道一側(cè)的密閉水槽內(nèi)通過壓縮氣體加壓到預(yù)定值，另一側(cè)保持常壓，使管道兩側(cè)的水槽之間存在穩(wěn)定的壓力差。
5.如權(quán)利要求1所述的滲透變形誘導(dǎo)海底管道地基懸空的模擬方法，其特征在于在所述步驟(三)中，首先在所述實驗水槽內(nèi)隔板的兩側(cè)分別注入深度相同的適量水，然后將一側(cè)的溢水口全部關(guān)閉，并打開該側(cè)的進水管，使穩(wěn)定水流流入，同時將另一側(cè)的溢水口中的一個開啟，使管道兩側(cè)的水槽之間存在穩(wěn)定的壓力差。
6.如權(quán)利要求3所述的滲透變形誘導(dǎo)海底管道地基懸空的模擬方法，其特征在于在所述步驟(三)中，將所述實驗水槽密閉，依次在所述實驗管道兩側(cè)的密閉水槽內(nèi)通過壓縮氣體加壓到預(yù)定值，另一側(cè)保持常壓，使管道兩側(cè)的水槽之間存在一定幅值的周期動壓力。
7.一種實現(xiàn)上述方法的裝置，其特征在于該裝置包括實驗水槽，實驗水槽內(nèi)設(shè)有土體，土體上設(shè)有實驗管道，該實驗管道嵌入土體一定深度，并且該實驗管道上帶有隔板，該實驗管道及隔板的兩端均抵靠于該實驗水槽的兩側(cè)壁上，該隔板可相對于水槽上下移動并且與實驗水槽壁之間密封。
8.如權(quán)利要求7所述的實現(xiàn)上述方法的裝置，其特征在于在所述隔板兩側(cè)的實驗水槽壁上的不同高度，分別設(shè)有若干個可開啟、關(guān)閉的溢水口，并且所述實驗水槽內(nèi)隔板兩側(cè)分別設(shè)有進水管，進水管上設(shè)置有水量控制裝置，在所述實驗管道兩側(cè)的水中安裝有壓力傳感器，該壓力傳感器與該水量控制裝置相連接。
9.如權(quán)利要求7所述的實現(xiàn)上述方法的裝置，其特征在于所述隔板兩端均設(shè)有卡槽，所述實驗水槽上的相應(yīng)位置設(shè)有與該卡槽相對應(yīng)的凸臺。
10.如權(quán)利要求7所述的實現(xiàn)上述方法的裝置，其特征在于所述實驗水槽側(cè)壁上與所述隔板相對應(yīng)的位置設(shè)有可與所述隔板相卡固的卡槽，在所述實驗管道兩側(cè)分別設(shè)有微型孔隙水壓力傳感器，該微型孔隙水壓力傳感器埋設(shè)于所述實驗管道附近的土體中。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種滲透變形誘導(dǎo)海底管道地基懸空的模擬方法及裝置，該方法包括以下步驟(一)在實驗水槽內(nèi)制備土樣，得到模擬海床；(二)在該模擬海床內(nèi)安裝實驗管道，并使實驗管道嵌入海床設(shè)定深度；(三)將實驗管道兩側(cè)的水槽相互分隔，并在實驗管道兩側(cè)的水槽內(nèi)分別施加不同的壓力，使實驗管道兩側(cè)的水槽之間產(chǎn)生預(yù)定壓力差；(四)觀測實驗管道下方的土樣變形。因此依次在隔板兩側(cè)的實驗水槽內(nèi)施加不同壓力，即可在實驗管道兩側(cè)模擬海流作用，并且該方法及裝置簡單、易操作。采用本發(fā)明裝置，只需依次在隔板兩側(cè)的實驗水槽內(nèi)施加不同壓力，即可在實驗管道兩側(cè)模擬海流作用，并且該方法及裝置簡單、易操作。
文檔編號F16L1/16GK1749624SQ20051010299
公開日2006年3月22日 申請日期2005年9月16日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月16日
發(fā)明者高福平, 閆術(shù)明, 楊兵, 吳應(yīng)湘 申請人:中國科學(xué)院力學(xué)研究所