一种基于臂式土工离心机的海底滑坡冲击管线模拟装置

1.本实用新型涉及一种基于臂式土工离心机的海底滑坡冲击管线模拟装置。


背景技术：

2.海底滑坡指海底岩土体受海洋环境动力和内动力地质作用等多种因素综合影响下，发生失稳破坏，并在自身重力与初始动力作用下发生长距离滑移运动的地质现象，是一种发生频繁、影响区域广泛、预测困难的海洋土体灾害。海底滑坡一旦发生，失稳后的滑移体可以高速运移至数十千米甚至上百千米远，可能对其影响区域内的海洋油气生产平台、海底管道、海底电缆等海洋工程设施造成破坏性作用，特别是具有长细结构的海底管线，更易遭受海底滑坡灾害的威胁，例如：1977年3月，美国texaco公司的一条海底输油管道因海底滑坡冲击而发生破坏，导致大量原油泄漏；1986年，花莲地震致使台湾省东部龟山岛附近发生海底滑坡，切断了琉球群岛与关岛间的海底电缆，造成大面积停电。因此，探究海底滑坡对管线的冲击作用对于滑坡灾害评价与工程设施设计而言具有十分重要的参考价值。
3.然而，当前有关海底滑坡的研究主要依托于室内水槽模型试验，无法真实地模拟滑坡灾害发生时的重力场水平及海底管线的实际尺寸，导致海底滑坡对管线的冲击作用研究受到制约。目前有关海底滑坡运动模拟及其动力冲击管线过程的试验装置及方法十分有限，特别是基于臂式土工离心机的试验装置及方法，基本处于空白，不利于海底滑坡灾害的评价及海底滑坡易发区内管线工程设施设计的发展。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的是提供一种可供模拟海底滑坡冲击海底管线的装置，尤其是对真实重力水平下的海底滑坡冲击管线工程问题进行模拟的装置。
5.为了实现以上目的，本实用新型提供的一种基于臂式土工离心机的海底滑坡冲击管线模拟装置，包括臂式土工离心机、设在臂式土工离心机模型箱中的模拟水环境、固定在模拟水环境中的模拟管线和可相对模拟管线运动的模拟滑坡土样的承载器，承载器与助推器相连，所述承载器可在助推器推动下向模拟管线运动，并用承载器上的模拟滑坡土样冲击模拟管线。
6.进一步的，所述承载器为承载箱，承载箱包括挡土板，挡土板连接用以自动开启挡土板的开门器。
7.进一步的，所述开门器包括定滑轮和连接绳，所述定滑轮固定在承载箱上，连接绳第一端绕定滑轮与挡土板下端连接，连接绳第二端与模拟水环境的箱体固定。
8.进一步的，所述模拟水环境由包括模型箱、设在模型箱内的u形槽、进水口组成的水环境模拟装置注水形成。
9.进一步的，还包括数据监测装置，数据监测装置包括安装在模拟水环境中的摄像机和/或安装在模拟管线上的压力传感器。
10.进一步的，所述数据监测装置还包括设在模拟水环境冲击试验区中的标记点或网
格线。
11.进一步的，还包括臂式土工离心机，所述模型箱安装在臂式土工离心机中，所述模型箱具有上面板，所述进水口设在上面板上，所述进水口可启闭。另一种方案，包括臂式土工离心机，所述模型箱安装在臂式土工离心机中，所述臂式土工离心机中固定有进水管，进水管第一端与模型箱的进水口相连，进水管第二端固定在臂式土工离心机的圆心上，注水口插接在进水管第二端上，所述注水口与进水管第二端间隙配合。
12.上述由承载箱、助推器和开门器组成的滑坡体运动装置，可以采用另外一种替代技术方案，包括限位器，限位器固定在模拟水环境中用以限制承载箱的移动，所述承载箱内部设有推土板和固定在承载箱内壁凹槽中的弹性拨片，弹性拨片用以将推土板与承载箱连接在一起，所述助推器的助推杆固定在推土板上，所述开门器包括分别固定在承载箱前后两端的支架和活动连接在支架上的定滑轮及连接绳，所述支架向承载箱外侧倾斜，所述连接绳的第一端绕定滑轮与挡土板下端连接，连接绳的第二端与助推器的助推杆固定，所述连接绳的第二端与助推杆的夹角不大于90
°
。
13.本实用新型的有益效果是：
14.（1）本实用新型采用助推器，比如电液伺服助推器推动设置模拟水环境中的滑坡土样承载器以匀速向模拟管线运动，用承载器中的滑坡土样冲击管线，由于助推器的速度可调，滑坡土样的初始冲击速度与助推器速度相同，因此本实用新型可在较宽的范围内模拟不同速度的滑坡体对海底管线的冲击过程。
15.（2）本实用新型通过将模型箱置入臂式土工离心机，臂式土工离心机可模拟真实重力水平下的海底滑坡冲击管线工程问题。
16.（3）本实用新型通过标记点阵，可用摄像机记录滑坡土样进入标记点阵后的冲击过程，便于实现图像、流速场的变化分析，尤其是利用计算机软件进行分析。
附图说明
17.图1为本实用新型的示意图；
18.图2为本实用新型的剖视图；
19.图3为助推杆与齿轮连接示意图；
20.图4为推土板与承载箱剖视示意图；
21.图5为臂式土工离心机与模型箱示意图；
22.图6为注水口与进水管放大示意图；
23.图7为模拟管线截面图。
24.附图标记说明：1、模拟管线；2、承载箱；3、助推器；4、水环境模拟装置；5、模型箱；501、隔壁；502、模型箱内壁；503、上面板；6、u形槽；7、进水口；8、滑坡体运动模拟装置；9、轨道；10、滚轮；11、助推室；12、电动机；13、齿轮；14、齿纹；15、限位器；16、挡土板；161、挡土板下端；17、开门器；171、支架；172、定滑轮；173、连接绳；174、连接绳第一端；175、连接绳第二端；18、凹槽；19、推土板；20、弹性拨片；21、摄像机；22、压力传感器；23、标记点；24、臂式土工离心机；25、密封塞；26、进水管；261、进水管第一端；262、进水管第二端；27、注水口；28、助推杆；29、冲击试验区。
具体实施方式
25.下面结合附图和实施例，对本实用新型进一步详细说明。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。
26.参照图1、图5所示，本实用新型的一种基于臂式土工离心机的海底滑坡冲击管线模拟装置的实施例1，包括臂式土工离心机24、设在臂式土工离心机24的模型箱5中的模拟水环境、固定在模拟水环境中的模拟管线1和可相对模拟管线1运动的模拟滑坡土样的承载器，承载器为承载箱2，承载箱2与助推器3相连，承载箱2可在助推器3推动下向模拟管线1运动，并用承载箱2上的模拟滑坡土样冲击模拟管线1。模拟水环境可由包括模型箱5、固定连接或可拆卸固定在模型箱5内的u形槽6和进水口7组成的水环境模拟装置4注水形成，承载箱2与助推器3则组成了滑坡体运动模拟装置8，滑坡体运动模拟装置8还可以包括轨道9，承载箱2可以具有滚轮10，滚轮10可沿轨道9滚动，轨道9和承载箱2安装在模拟水环境中的u形槽6内，助推器3可包括如图2、图3所示的电动助推器，模型箱5包括一个与模拟水环境形成水密封的助推室11，助推室11内安装有电动机12，助推杆28穿过模型箱5的隔壁501与承载箱2固定，助推杆28上设有齿纹14，电动机12传动轴与齿轮13啮合或同轴传动，齿轮13与助推杆28的齿纹14啮合推动助推杆28，通过控制电动机12控制助推杆28推进的速度，当然助推器3也可以选用现有技术中的其他助推器，比如电液伺服助推器，也可以控制助推器推动承载器的速度。
27.在上述实施例中，参照图2、图4所示，承载箱2包括挡土板16，承载箱2上设有用以自动开启挡土板16的开门器17，开门器17包括固定在承载箱2上的支架171、活动连接在支架171上的定滑轮172以及连接绳173，连接绳第一端174绕定滑轮172与挡土板下端161连接，连接绳第二端175与模拟水环境的模型箱内壁502固定，挡土板16铰接在承载箱2上，比如铰接在承载箱2侧面板或连接在侧面板的凸耳上，挡土板16也可以采用其他现有技术活动连接在承载箱2上，比如通过轴穿过凸耳上的孔连接在承载箱2上，利用重力使挡土板16自然下垂挡住箱内的模拟滑坡土样。在本实施例中，连接绳第一端174与挡土板下端161固定连接，连接绳第二端175与模型箱内壁502固定，连接绳173的长度预先根据承载箱2的移动距离确定，当助推器3推动承载箱2以匀速移动时，连接绳173逐步被拉紧，承载箱2移动至预定冲击试验区29时，连接绳173拉开挡土板16，承载箱2内的模拟滑坡土样暴露在水环境中，然后助推杆28停止，承载箱2停止，承载箱2内的模拟滑坡土样在惯性作用下，以初始速度进入冲击试验区29进行冲击试验，承载箱2下底面可以采用坡面在一定程度上解决模拟滑坡土样惯性作用可能导致的残留问题。
28.在上述实施例中，参照图1、图7所示，还包括数据监测装置，数据监测装置包括安装在模拟水环境中的摄像机21和/或安装在模拟管线1上的压力传感器22，摄像机21推荐为水下或具有防水功能的高速摄像机或高清摄像机。
29.在上述实施例中，参照图1所示，数据监测装置还包括设在模拟水环境冲击试验区29中的标记点23或网格线。
30.在上述实施例中，参照图5所示，还包括臂式土工离心机24，模型箱5安装在臂式土工离心机24的离心室中，模型箱5具有上面板503，所述进水口7设在上面板503上，所述进水
口7可关闭，比如通过密封盖或密封塞25，所述模型箱可与模拟水环境形成水密封。另一种方案是，参照图5、图6所示，臂式土工离心机24中固定有进水管26，进水管第一端261与模型箱5的进水口7相连，进水管第二端262固定在臂式土工离心机24的圆心上，注水口27插接在进水管第二端262上，注水口27与进水管第二端262间隙配合，所述模型箱5箱体部分也需要与模拟水环境形成水密封，防止在高速转动中将模型箱5中的水甩到离心室中，本技术方案可以在离心机启动达到一定的重力加速度后再开启注水入口27，而不需要提前将水注入模型箱5中。在本实施例中，模型箱5中的助推器3需要与外部电源连接，可采用现有技术中的设在离心机中的电缆来为助推器3提供电源，助推器3的控制按钮也可以采用现有技术中通过电缆或无线控制方式设在离心机外部，这里不再赘述。
31.在上述实施例中，模拟滑坡土样主要靠惯性冲出承载箱2，可能会有部分滑坡土样残留在承载箱2内，该部分残留会在一定程度上影响或干扰试验，参照图4所示，本实用新型的实施例2与实施例1基本相同，其区别仅在于，还包括限位器15，限位器15固定在模拟水环境中用以限制承载箱2的移动，在本实施例中，限位器15固定在轨道9上用来限制滚轮10继续向前滚动，承载箱2内部设有推土板19和固定在承载箱2内壁凹槽18中的弹性拨片20，弹性拨片20用以将推土板19与承载箱2连接在一起，助推器3的助推杆28固定在推土板19上，开门器17包括分别固定在承载箱2前后两端的支架171和活动连接在支架171上的定滑轮172及连接绳173，支架171向承载箱2外侧倾斜，连接绳第一端174绕定滑轮172与挡土板下端161连接，连接绳第二端175与助推器3的助推杆28固定，连接绳第二端175与助推杆28的夹角不大于90
°
。试验开始时，助推器3推动推土板19，由于推土板19在弹性拨片20作用下与承载箱2连接在一起，推土板19不与承载箱2相对移动，而是与承载箱2一起匀速沿着轨道9移动，滚轮10撞上限位器15后，承载箱2停止，推土板19在助推器3作用下克服弹性拨片20的弹性力挤压弹性拨片20至凹槽18内，推土板19相对承载箱2继续向前移动，此时，连接绳173在助推杆28作用下拉动挡土板16，挡土板16被打开，承载箱2内的滑坡土样在惯性和推土板19的推动下匀速冲出承载箱2，解决了滑坡土样可能残留的问题。
32.在上述实施例1或实施例2中，挡土板16在自然重力下遮挡承载箱2内的滑坡土样可能在移动过程中溢出，一种替代方案为，承载箱2与挡土板16接触得至少一部分由磁性材料制作，承载箱2与挡土板16在磁性力作用下，可防止模拟滑坡土样溢出。
33.在上述实施例1或实施例2中，助推杆28长度需要满足模拟滑坡土样与管线距离设置参数需求，助推杆长度一般应不小于400mm，助推杆28将以某一固定速度推动承载箱2，速度由助推器3控制。
34.在上述实施例1或实施例2中，模拟管线优选为金属制作，比如钢，确保在滑坡土样的高速冲击下不变形。
35.在上述实施例中，可以采用以下步骤进行试验：
36.(1)进行试验准备工作，按需制备模拟海底滑坡土样，放入承载器中，关闭挡土板16，将模型箱5放入离心机室；
37.(2)启动臂式土工离心机24，然后打开注水口27向模型箱5内注水，形成模拟水环境，推荐在臂式土工离心机24加速度达到重力加速度20g时，开始注水，形成模拟水环境；
38.(3)模拟水环境形成后，启动助推器3，控制助推器3按照试验需要的速度沿轨道9推动承载箱2匀速向模拟管线1移动，直至承载箱2撞上限位器15后，助推杆28继续匀速推动
推土板19挤压弹性拨片20，弹性拨片20受力后弯折至解除对推土板19的限制，推土板19继续以匀速推动模拟滑坡土样，同时，助推杆28拉动固定在助推杆28上的连接绳173，连接绳173拉动挡土板16旋转，挡土板16被打开，模拟滑坡土样以匀速向模拟管线1冲击；
39.(4)模拟滑坡土样以初始速度运动进入标记点23或网格线区域，并冲击其运动路径上的模拟管线1，对模拟管线1结构形成冲击荷载；压力传感器22量测采集管线遭受的冲击荷载数据，摄像机21拍摄记录模拟滑坡土样冲击模拟管线1过程；
40.(5)由标记点图像与计算软件，确定冲击作用过程的滑坡体流速场变化特点；
41.（6）冲击过程完成后，臂式土工离心机24降速，直至停止，关闭助推器3和数据监测装置，结束试验，并进行后续数据处理及相关研究。
42.以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，本实用新型的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本实用新型思路下的技术方案均属于本实用新型的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型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实用新型的保护范围。