本发明涉及海洋工程、泥沙运动学、海洋测量领域，特别是涉及一种模拟海底潮流沙波对管道工程影响的装置与实验方法。
背景技术
随着海洋油气资源的开发，海底管道成为海上油气输送的主要方式。海底沙波是一种近似波浪状分布的典型海底地貌形态，波长尺度在几米至米百米，波高在几米左右，广泛分布于近海大陆架海域。海洋观测数据表明：潮流作用是形成海底沙波的主要原因之一。海底沙波普遍具有活动性，在某些情况下海底沙波会发生快速移动，引起海底管道的暴露或者悬空，最终导致海底管道疲劳以及断裂破坏。因此研究海底沙波的活动及其引起的海底管道悬空具有重要的工程意义和科学价值。
目前对于海底沙波的研究主要依赖现场观测和数学方法，但是现场观测耗费巨大且观测周期也通常较长，数学方法均为简化模型，不能完全模拟沙波活动的瞬态过程，且也需要试验结果来验证模型的正确性。实验室模拟海底沙波是一种有效的研究手段。目前实验室中主要是利用波浪或单向流来简化替代潮流，但是得到的地形尺度很小，波长只有几厘米长，从本质上属于沙纹(一种更小的地形)，这并不是真正意义上的潮流沙波。
技术实现要素：
为了解决上述技术问题，本发明提供一种模拟海底潮流沙波对管道工程影响的装置与实验方法，利用变频控制器控制双向变频水泵实现水流的周期变化，模拟真实的潮流往复流动，并结合初始人工地形干扰来模拟潮流沙波的形成，进一步模拟沙波对海底管道的影响，采集数据真实，参考价值高。
一种模拟海底潮流沙波对管道工程影响的装置，包括实验水槽及生潮系统、地形扫描系统、海底管道模拟测量系统和数据采集处理及控制器，
所述实验水槽及生潮系统包括水槽、循环管道、缓坡沙坑、双向变频水泵、变频控制器和流速仪；所述缓坡沙坑设置于所述水槽中部，其两端凸起、中间凹陷形成用于容纳海沙的容腔，同时凸起部位在靠近水槽端部处设有缓坡，所述缓坡的高度逐渐减小；所述循环管道设置于所述水槽下侧，其进、出口端分别设置于所述水槽相对的两个端部底面上；所述缓坡沙坑内填充海沙；所述双向变频水泵安装在所述循环管道上，所述变频控制器分别与双向变频水泵及数据采集处理及控制器连接，能依据数据采集处理及控制器的指令控制所述双向变频水泵工作；所述流速仪安装在水槽内部，其与数据采集处理及控制器连接，向其传输水槽内的水流速度；
所述地形扫描系统包括超声地形仪、连接杆和运动装置；所述超声地形仪的探头安装在所述连接杆上，所述连接杆安装在所述运动装置上，由所述运动装置控制其运动轨迹；所述连接杆能通过伸缩的方式改变所述超声地形仪的探头的位置；所述超声地形仪与所述数据采集处理及控制器连接；
所述海底管道模拟测量系统包括管道模型、配重、光纤应变传感器和高速摄像机；所述高速摄像机安装在所述水槽的上方，与所述数据采集处理及控制器相连，用于拍摄并回传缓坡沙坑内海沙的形貌；所述管道模型放置在所述缓坡沙坑内，其局部或全部被海沙掩埋；所述管道模型内部设有配重；所述光纤应变传感器固定设置于所述管道模型的侧壁上，且与所述数据采集处理及控制器相连，用于将检测到的管道模型应变数据回传。
进一步，所述运动装置包括设置于所述水槽槽壁上的轨道、能沿所述轨道运动的滚轮装置、以及驱动所述滚轮装置运动的电机。
进一步，所述循环管道与所述缓坡沙坑的长边相平行。
进一步，所述缓坡的横截面为类直角三角形，高度与底边的比为1:15～25。
进一步，所述缓坡沙坑内的海沙局部为沙堆。
进一步，所述光纤应变传感器有多个。
进一步，所述光纤应变传感器有多个，其沿轴向上分布在所述管道模型的多个位置，且在每个位置的周向上均匀分布。
进一步，所述光纤应变传感器有多个，其沿轴向上分布在所述管道模型的多个位置，且在每个位置的周向上均匀分布有四个。
进一步，所述管道模型为pvc管。
进一步，所述配重为水或海沙。
一种模拟海底潮流沙波对管道工程影响的实验方法，包括如下步骤：
1)将沙样装入缓坡沙坑，然后将沙面总体整平，将沙面的局部区域加工成微小的凸起或沟槽状；
2)在不影响缓坡沙坑内沙样状态的条件下，向水槽内缓慢注水，达到实验要求深度；
3)利用变频控制器预设往复流的周期和最大流速，控制双向变频水泵工作，在水槽内形成往复流；
4)利用流速仪和超声地形仪探头进行采集缓坡沙坑内形貌，并将采集到的数据传输至数据采集处理及控制器(在实际应用中，数据采集处理及控制器往往是电脑)；
5)当沙样形成模拟的海底沙波后，放空水槽内的水，将管道模型铺设在海底沙波上，重新加入水至原高度，在水槽内形成往复流，模拟潮流场；
6)利用流速仪、超声地形仪、高速摄像机和光纤应变传感器，对水的流速、缓坡沙坑内形貌以及海底管道运动及变形进行同时观测；并将采集到的数据传输至数据采集处理及控制器进行分析处理。
该模拟海底潮流沙波对管道工程影响的装置利用变频控制器控制双向变频水泵实现水流的周期变化，模拟真实的潮流往复流动，并结合初始人工地形干扰来模拟潮流沙波的形成，进一步模拟沙波其对海底管道的影响，采集数据真实，参考价值高。
附图说明
图1为本发明提供的模拟海底潮流沙波对管道工程影响的装置的结构示意图；
图2为海底管道模拟测量系统3的结构示意图；
图3为图2侧视图的放大图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案进行详细描述。
一种模拟海底潮流沙波对管道工程影响的装置，包括实验水槽及生潮系统1、地形扫描系统2、海底管道模拟测量系统3和数据采集处理及控制器4，
实验水槽及生潮系统1包括水槽11、循环管道12、缓坡沙坑13、双向变频水泵14、变频控制器15和流速仪16；缓坡沙坑13设置于水槽11中部，其两端凸起、中间凹陷形成用于容纳海沙的容腔，同时凸起部位通过缓坡17与水槽底面连接，缓坡17的高度逐渐减小；具体来说，缓坡17的横截面为类直角三角形，高度与底边的比为1:15～25，作为本发明的一个实施例，高度与底边的比为1:20；循环管道12设置于水槽11下侧，其进、出口端分别设置于水槽11相对的两个端部底面上；缓坡沙坑13内填充海沙，优选，海沙表面整体平整，在局部加工成堆状凸起；作为本发明的一个实施例，缓坡沙坑13为矩形，循环管道12与缓坡沙坑13的长边相平行；双向变频水泵14安装在循环管道12上，变频控制器15分别与双向变频水泵14及数据采集处理及控制器4连接，能依据数据采集处理及控制器4的指令控制双向变频水泵14工作；流速仪16安装在水槽11内部，其与数据采集处理及控制器4连接，向其传输水槽11内的水流速度；
地形扫描系统2包括超声地形仪、连接杆22和运动装置23；超声地形仪的探头21安装在连接杆22上，连接杆22安装在运动装置23上，由运动装置23控制其运动轨迹；连接杆22能通过伸缩的方式改变超声地形仪的探头21的位置；超声地形仪与数据采集处理及控制器4连接；
海底管道模拟测量系统3包括管道模型31、配重33、光纤应变传感器32和高速摄像机34；高速摄像机34安装在水槽11的上方，与数据采集处理及控制器4相连，用于拍摄并回传缓坡沙坑内海沙13的形貌；管道模型31放置在缓坡沙坑13内，其局部或全部被海沙掩埋，优选，管道模型31为pvc管；管道模型31内部设有配重33；优选，配重33为水或泥沙。光纤应变传感器32固定设置于管道模型31的侧壁上，且与数据采集处理及控制器4相连，用于将检测到的管道模型31应变数据回传。具体来说，光纤应变传感器32有多个，其沿轴向上分布在管道模型31的多个位置，且在每个位置的周向上均匀分布；优选，每个位置的周向上均匀分布有四个。
作为本发明的一种实施方式，运动装置23包括设置于水槽11槽壁上的轨道、能沿轨道运动的滚轮装置、以及驱动滚轮装置运动的电机。
该技术方案具有如下特点：
(一)利用往复流模拟潮流场
现阶段在实验室水槽实验中，通常利用波浪或者单向流来代替潮流，作用在海床之上模拟沙波。其局限性是：波浪的周期为几秒，而模拟潮流的周期至少需要几个小时，二者周期相差很大；如果是利用单向流代替的话，又反映不出潮流的周期变化特性。因此，目前实验室里形成的波浪状地貌的尺寸都很小(只有几厘米)，本质上属于沙纹(一种更小的地貌形态)，而不是真正的潮流沙波。而现场观测数据表明：潮流的周期性作用是沙波形成的主要原因之一。因此，本发明将利用水槽及生潮系统产生大周期的往复流(周期约2小时)来模拟潮流场。生成往复流则需要水槽配备有变频水泵以及变频控制器来控制往复流的大小和周期，这也是本发明与以往沙波模拟实验的最大区别。
(二)初始人工地形干扰的加入
发明人前期经过反复尝试，发现在平坦的海床上，即使施加往复流来模拟潮流场，也不会形成潮流沙波。只有进行人工地形干扰之后，即在整平之后海床局部位置先人工设定一些小的凸起和沟槽，使局部床面变得不平整，以触发海床的不稳定性，才会形成潮流沙波地形。这些预设的人工地形干扰高度一般很小，一约5cm左右高，长度则需要在一定范围内变化(例如从0.5m到5米不等)。为了操作简便起见，这些人工地形干扰可以设置成三角形。这样在潮流和初始人工地形干扰的共同作用下，海床会逐渐发展变化，形成最终的沙波地貌。实验中，如果没有初始人工地形干扰的加入，则沙波不会形成，这一步也是当前发明的关键操作步骤。
(三)沙波地形自动扫描系统
由于试验中沙波海床地形范围较大，超声地形仪为单点式测量方式，因此，需要对整个海床进行连续扫描，以得到整个实验区域的地形数据。设计了一个地形扫描系统，利用运动装置在整个测试区域上方进行往复扫描测量。该运行系统可以设定扫描范围、运动速度以及每一步进的距离。
(四)管道运动及应变的非接触式测量
以往传统的海底管道运动测量方式多为接触式测量，会影响流场的结构分布。本装置采用图像运动测量方式，利用一部高速摄像机从水槽外部对海底管道的运动进行图像记录。在后处理阶段，对运动图像进行处理，得到对海底管道的位置变化情况。同时在海底管道表面布置光纤光栅应变传感器用于测量结构的应变。由于光纤应变传感器直径仅为0.2mm，粘贴于海底管道表面之后不会对结构特性有任何影响，且光纤应变属于动态应变测量具有很高采集频率(可达1000hz)，因此应变测量结果也具有很高的精度。
实验方法
1.潮流沙波的形成
1)选用合适的沙样，(例如本方法采用中值粒径为0.28mm的石英沙)，填放在缓坡沙坑13后，将表面整平。在平整后的沙面局部设置初始人工地形干扰，即利用模板刮出不同的三角形凸起，高度约5cm左右，长度在0.5m～5m之间。本步骤也是整个实验成败的关键。
2)向水槽11内缓慢注水并达到实验要求的深度，注意不要破坏设置好的初始人工地形干扰。
3)开始生成往复流，即潮流场。通过设定变频控制器15参数设定往复流的周期和最大流速(例如潮流往复周期2小时，最大流速0.4m/s)，双向变频水泵14开始工作，生成往复流。由于人工初始地形干扰的存在，会触发海床的不稳定性，并且改变潮流场的空间结构，在此基础上潮流沙波逐渐形成。
4)利用流速仪16和超声地形仪探头21进行数据采集。
2.沙波与海底管道的相互作用
1)等到海底沙波形成到一定的高度之后，将水槽11内的水放空，然后将海底管道模型31铺设到形成的海底沙波之上，铺设角度可以根据需要改变。重新放水至原来高度，继续模拟潮流场。
2)利用流速仪16、超声地形仪、高速摄像机34和光纤应变传感器32，对流速、沙波海床以及海底管道运动及变形进行同时观测。