专利名称：渗透变形诱导海底管道地基悬空的模拟方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种海底管道工程的模拟方法及装置。
背景技术：
海底管道是海洋石油开发过程中输送油气的最有效的工具，铺设在海床上的管道在海洋环境下的稳定性直接关系到管道系统能否正常运营。在特定的海流作用下，管道两侧会形成恒定的压力差管道的前方即迎着来流的方向为高压区，在管道后方形成低压区，而在波浪作用下，管道两侧的压力差是周期变化的。管道的两侧压力差，将使管道下方土体内部形成渗流，在一定的压力差情况下，管道下方的土体将产生渗透变形，进而诱导海底管道地基被淘空；管道局部地基被淘空后，管道将产生悬跨，这时在流体载荷的作用下管道可能发生涡激振动，严重时会导致管道断裂。
为了分析渗透变形诱导海底管道地基悬空的过程，需对这一过程进行模拟。
发明内容
本发明的目的在于提供一种渗透变形诱导海底管道地基悬空的模拟方法及装置，为达到上述目的，本发明的解决方案为一种渗透变形诱导海底管道地基悬空的模拟方法，该方法包括以下步骤(一)在实验水槽内制备土体，得到模拟海床；(二)在该模拟海床内安装实验管道，并使实验管道嵌入海床设定深度；(三)将实验管道两侧的水槽相互分隔，并在实验管道两侧的水槽内分别施加不同的压力，使实验管道两侧的水槽之间产生预定压力差；(四)观测实验管道下方的土样变形。
进一步，在所述步骤(二)中，所述实验管道两端分别抵靠于所述实验水槽的两侧壁上，并且所述实验管道上密封连接有与该实验管道长度相匹配的隔板，该隔板可相对于所述实验水槽上下移动并且与实验水槽壁之间密封。
进一步，在所述步骤(三)中，在所述实验管道两侧的水槽内依次施加不同压力，使管道两侧的水槽之间存在一定幅值的周期动压力。
进一步，在所述步骤(三)中，将所述实验水槽密闭，在实验管道一侧的密闭水槽内通过压缩气体加压到预定值，另一侧保持常压，使管道两侧的水槽之间存在稳定的压力差。
进一步，在所述步骤(三)中，首先在所述实验水槽内隔板的两侧分别注入深度相同的适量水，然后将一侧的溢水口全部关闭，并打开该侧的进水管，使稳定水流流入，同时将另一侧的溢水口中的一个开启，使管道两侧的水槽之间存在稳定的压力差。
进一步，在所述步骤(三)中，将所述实验水槽密闭，依次在所述实验管道两侧的密闭水槽内通过压缩气体加压到预定值，另一侧保持常压，使管道两侧的水槽之间存在一定幅值的周期动压力。
一种实现上述方法的装置，该装置包括实验水槽，实验水槽内设有土体，土体上设有实验管道，该实验管道嵌入土体一定深度，并且该实验管道上带有隔板，该实验管道及隔板的两端均抵靠于该实验水槽的两侧壁上，该隔板可相对于水槽上下移动并且与实验水槽壁之间密封。
进一步，在所述隔板两侧的实验水槽壁上的不同高度，分别设有若干个可开启、关闭的溢水口，并且所述实验水槽内隔板两侧分别设有进水管，进水管上设置有水量控制装置，在所述实验管道两侧的水中安装有压力传感器，该压力传感器与该水量控制装置相连接。
进一步，所述隔板两端均设有卡槽，所述实验水槽上的相应位置设有与该卡槽相对应的凸台。
进一步，所述实验水槽侧壁上与所述隔板相对应的位置设有可与所述隔板相卡固的卡槽，在所述实验管道两侧分别设有微型孔隙水压力传感器，该微型孔隙水压力传感器埋设于所述实验管道附近的土体中。
采用上述方法后，由于本发明装置包括实验水槽，实验水槽内设有土体，土体上设有实验管道，该实验管道嵌入土体一定深度并且该实验管道上带有隔板，该实验管道及隔板的两端均顶置于该实验水槽的两侧壁上，将实验水槽分隔为相互独立的两部分，因此依次在隔板两侧的实验水槽内施加不同压力，即可在实验管道两侧模拟海流作用，该方法及装置简单、易操作。另外，由于在隔板两侧分别设有进水管、并且实验水槽壁上的不同高度分别设有若干个溢水口，因此可在隔板两侧因水面高度不同产生压差而模拟海流作用；实验管道两侧的水中安装有压力传感器，该压力传感器与设于进水管上的水量控制装置相连接，使得到的实验管道两侧的压差更准确。
图1为本发明装置的正视图；图2为本发明装置的俯视图；图3为本发明装置另一实施例的俯视图。
具体实施例方式如图1所示，在实验水槽1内制备土体2，形成模拟海床，然后安装实验管道3，使实验管道3嵌入土体2一定深度，实验管道3上带有隔板4，实验管道3及隔板4的两端均分别抵靠于实验水槽1的两侧壁上，如图2所示，隔板4两端设有卡槽41与实验水槽1侧壁设有的凸台11相卡固，该卡槽与凸台之间设有密封垫，隔板4可相对于水槽1上下移动；或在水槽1侧壁设置卡槽12，隔板4直接卡固于卡槽12内，在隔板4和卡槽12之间设置密封垫，如图3所示；实验管道3及隔板4将水槽1分割为13、14两部分，该两部分分别设有进水管5、6，并且在隔板4两侧的实验水槽壁上的不同高度，分别设有若干个溢水口42、43；首先在水槽1内隔板4的两侧分别注入高度相同的适量水，然后将溢水口42全部关闭，将溢水口43中的一个开启，打开进水管5，使稳定水流流入水槽的13部分，则水槽内的13、14两部分之间产生压差，在压差作用下，在管道3下方的土体2内形成从水槽13到14的渗流，当水槽14部分的水面到达开启状态的溢水口43时则从该溢水口溢出，使水槽14内水压力保持恒定，从而保持水槽的13、14两部分之间压差稳定，开启设置于不同水平面上的溢水口，即可在管道3两侧得到不同的单向压力差；在该单向压差作用下，即可模拟单向海流的作用，管道下方的土体将产生渗透变形，进而使土体被淘空，通过非接触光学测量的方法，透过水槽的透明边壁测量渗流引起的土体渗流变形，还可检测地基悬空的触发等。
或者，在实验过程中，首先在水槽1内隔板4的两侧分别注入高度相同的适量水，然后将所述实验水槽1密闭，在实验管道3一侧的密闭水槽13内通过气压泵或其它压缩气体的方式给密闭气体加压到预定值，而水槽另一侧14保持常压，使管道两侧的水槽13、14之间存在稳定的单向压力差，在该单向压差作用下，即可模拟单向海流的作用，管道3下方的土体2将产生渗透变形，进而使土体被淘空，通过非接触光学测量的方法，透过水槽1的透明边壁测量渗流引起的土体渗流变形，还可检测地基悬空的触发等。
在实验管道3一侧的密闭水槽13内通过气压泵或其它压缩气体的方式给密闭气体加压到预定值，而另一侧14保持常压，使实验管道两侧的水槽13、14之间存在稳定的单向压力差，保持这一状态一段时间后，给密闭水槽14内的密闭气体加压到预定值，而另一侧13内保持常压，使实验管道两侧的水槽13、14之间存在相反方向的稳定的单向压力差，如此循环，则在实验管道3两侧的水槽之间存在一定幅值的周期动压力，透过水槽的透明边壁测量渗流引起的土体渗流变形，还可检测地基悬空的触发等。
为使得到的实验管道3两侧的压力差更准确，在实验管道3两侧的水中安装压力传感器7，该压力传感器7与设于进水管5、6上的水量控制装置8相连接，以准确控制进水量。另外，为使实验过程中实验用水可循环利用，溢水口42、43分别与水箱9、10相连接，水箱9、10内设有水泵20、30，该两水泵分别与进水管5、6相连通，当水槽内需进水时，打开水泵20或30即可，使实验用水可循环利用。
另外，在实验管道3两侧分别设有微型孔隙水压力传感器，该微型孔隙水压力传感器埋设于实验管道3附近的土体中，用于测量不同压差下实验管道3两侧的土体孔隙水压力，以检测土体的透水性。
权利要求
1.一种渗透变形诱导海底管道地基悬空的模拟方法，其特征在于该方法包括以下步骤(一)在实验水槽内制备土体，得到模拟海床；(二)在该模拟海床内安装实验管道，并使实验管道嵌入海床设定深度；(三)将实验管道两侧的水槽相互分隔，并在实验管道两侧的水槽内分别施加不同的压力，使实验管道两侧的水槽之间产生预定压力差；(四)观测实验管道下方的土样变形。
2.如权利要求1所述的渗透变形诱导海底管道地基悬空的模拟方法，其特征在于在所述步骤(二)中，所述实验管道两端分别抵靠于所述实验水槽的两侧壁上，并且所述实验管道上密封连接有与该实验管道长度相匹配的隔板，该隔板可相对于所述实验水槽上下移动并且与实验水槽壁之间密封。
3.如权利要求1所述的渗透变形诱导海底管道地基悬空的模拟方法，其特征在于在所述步骤(三)中，在所述实验管道两侧的水槽内依次施加不同压力，使管道两侧的水槽之间存在一定幅值的周期动压力。
4.如权利要求1所述的渗透变形诱导海底管道地基悬空的模拟方法，其特征在于在所述步骤(三)中，将所述实验水槽密闭，在实验管道一侧的密闭水槽内通过压缩气体加压到预定值，另一侧保持常压，使管道两侧的水槽之间存在稳定的压力差。
5.如权利要求1所述的渗透变形诱导海底管道地基悬空的模拟方法，其特征在于在所述步骤(三)中，首先在所述实验水槽内隔板的两侧分别注入深度相同的适量水，然后将一侧的溢水口全部关闭，并打开该侧的进水管，使稳定水流流入，同时将另一侧的溢水口中的一个开启，使管道两侧的水槽之间存在稳定的压力差。
6.如权利要求3所述的渗透变形诱导海底管道地基悬空的模拟方法，其特征在于在所述步骤(三)中，将所述实验水槽密闭，依次在所述实验管道两侧的密闭水槽内通过压缩气体加压到预定值，另一侧保持常压，使管道两侧的水槽之间存在一定幅值的周期动压力。
7.一种实现上述方法的装置，其特征在于该装置包括实验水槽，实验水槽内设有土体，土体上设有实验管道，该实验管道嵌入土体一定深度，并且该实验管道上带有隔板，该实验管道及隔板的两端均抵靠于该实验水槽的两侧壁上，该隔板可相对于水槽上下移动并且与实验水槽壁之间密封。
8.如权利要求7所述的实现上述方法的装置，其特征在于在所述隔板两侧的实验水槽壁上的不同高度，分别设有若干个可开启、关闭的溢水口，并且所述实验水槽内隔板两侧分别设有进水管，进水管上设置有水量控制装置，在所述实验管道两侧的水中安装有压力传感器，该压力传感器与该水量控制装置相连接。
9.如权利要求7所述的实现上述方法的装置，其特征在于所述隔板两端均设有卡槽，所述实验水槽上的相应位置设有与该卡槽相对应的凸台。
10.如权利要求7所述的实现上述方法的装置，其特征在于所述实验水槽侧壁上与所述隔板相对应的位置设有可与所述隔板相卡固的卡槽，在所述实验管道两侧分别设有微型孔隙水压力传感器，该微型孔隙水压力传感器埋设于所述实验管道附近的土体中。
全文摘要
本发明公开了一种渗透变形诱导海底管道地基悬空的模拟方法及装置，该方法包括以下步骤(一)在实验水槽内制备土样，得到模拟海床；(二)在该模拟海床内安装实验管道，并使实验管道嵌入海床设定深度；(三)将实验管道两侧的水槽相互分隔，并在实验管道两侧的水槽内分别施加不同的压力，使实验管道两侧的水槽之间产生预定压力差；(四)观测实验管道下方的土样变形。因此依次在隔板两侧的实验水槽内施加不同压力，即可在实验管道两侧模拟海流作用，并且该方法及装置简单、易操作。采用本发明装置，只需依次在隔板两侧的实验水槽内施加不同压力，即可在实验管道两侧模拟海流作用，并且该方法及装置简单、易操作。
文档编号F16L1/16GK1749624SQ20051010299
公开日2006年3月22日 申请日期2005年9月16日 优先权日2005年9月16日
发明者高福平, 闫术明, 杨兵, 吴应湘 申请人:中国科学院力学研究所