万方数据
万方数据
第６期赵冬岩，等：海底管线防冲刷技术试验研究?５９９?
坚固，只有高压水流才可以破坏它．
这种方法的优点是：
１）一次性投资，可以一劳永逸地解决冲刷问题，“人工草”不需维修；
２）安装后能够迅速阻止冲刷；
３）能够逐渐形成永久性纤维加强埂；
４）不影响周围水域中动植物的生长；
５）在深水及浅水水域都可获得良好使用效果；
６）沉积的泥沙等物质可以吸收能量，使水下管线免受外力冲击损伤．
图１“人工草”工作原理
Ｆｉｇ．１Ｗｏｒｋｉｎｇｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｆｉｂｅｒｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｍａｔ８
３海底管线防冲刷试验
由于海底管线“人工草”固定技术不但可以解决现有管线埋深不够及裸露、悬空等问题，而且可以为管线无沟敷设探索一种新的、更加长期有效的维护方法．为了证明其有效性，模拟了在砂质、粉质海床条件下铺设的管线上使用“人工草”防护的情况，对海底管线防护技术进行试验研究．
图２地形测量控制系统
Ｆｉｇ．２Ｔｏｐｏｇｒａｐｈｉｃｓｕｒｖｅｙｉｎｇｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍ
图３步进式地形测量仪
Ｆｉｇ．３Ｗａｌｋｉｎｇｔｏｐｏｇｒａｐｈｉｃｓｕｒｖｅｙｉｎｇｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ３．１试验条件
试验水槽长６２ｍ、宽１．５ｍ、高１．１ｍ有效工作水深０．７０ｒｎ．试验用水为生活用自来水．水槽底部为混凝土结构，槽体采用钢架结构，２个边壁镶嵌有２０ｍｍ厚的玻璃便于观测．水槽的造波系统为推板式造波机，由电液伺服计算机自动控制系统来控制造波，可以生成周期０．６—３．５ｓ的规则波和长峰随机波，并配有大型造流机、鼓风机等，具备同时模拟波、流、风的能力．造波机的后部设有消能网，以消除直立壁面对波浪的反射．在水槽末端设置消能滩，滩上布设有消能网等消浪措施．
３．２试验比尺
模型和原型相似有以下３个充分必要条件：１）模型与原型在几何形态上相似，且为同一数学表达式描述；２）模型与原型的边界条件、初始条件相似；３）模型与原型物理量比尺满足相似准数定理．严格满足相似理论的模型对原型模拟是有困难的．只要正确地选择主要物理量，尤其是主要作用力，模型试验结果是可以满足实际问题要求的．试验研究对象是水动力作用下的管线冲刷．在潮汐水流和波浪运动中，惯性力和重力起主导作用，所以波浪模型应遵循重力相似或傅汝德相似准则，要求模型与原型波浪的傅汝德数相同．该模型设计为正态模型，比尺设计为１：２０，其他物理量的比尺换算参见表１．
表１物理量换算表
Ｔａｂｌｅ１Ｓｃａｌｉｎｇｒｅｌａｔｉｏｎｓｂｅｔｗｅｅｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｐａｒａｍｅｔｅｒｓ
３．３模型设计
将加工好的模型管放置在试验区中央部位，模型管两端靠近玻璃处各用２根桩柱夹住，并用铁丝固定．在管道中央约１０ｃｍ范围布置“人工草”，如
图４所示，以避免边壁效应的影响．设计波浪为规则万方数据
?６００?哈尔滨工程大学学报第３０卷
波，波高１７ｃｍ，周期１．９８．
设计模型管使用材料为玻璃钢，管径为３．５ｃｍ，管壁厚度为０．５ｃｍ，管长１４９ｃｍ，如图５所示．
图４模型管示意图
Ｆｉｇ．４Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｖｉｅｗｏｆｔｈｅｍｏｄｅｌｐｉｐｅｌｉｎｅ
图５“人工草”铺设不意图
Ｆｉｇ．５Ｌａｙｉｎｇｖｉｅｗｏｆｆｉｂｅｒ
ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｍａｔｓ
４试验结果与讨论
砂质海床设计的土样粒径约为０．２ｍｍ，放置管道后，按照设计的波浪要素造波，使波浪作用４０ｍｉｎ．试验前后管道附近地形变化如图６所示，经过４０ｍｉｎ的波浪作用，管道底部没有冲刷，且在管道前后形成了２个沙埂，不但可以防止管道下部海床受到冲刷，而且可以保障海底管道的稳定性，防止管道发生位移．
１６
董１ｉ
０６１２ｉ８２４３０３６４２４８５４６０６６７２
ｘ／ｃｍ
图６砂质海床波浪作用下管道地形变化
Ｆｉｇ．６Ｔｏｐｏｇｒａｐｈｉｃｖａｒｉａｔｉｏｎｏｆ蛐ｓｅａｂｅｄｓｕｂｊｅｃｔｔｏｗａｖｅｓ粉质海床设计的土样粒径约为０．０３ｉｎｎｌ，平铺放置管道后，按照设计的波浪要素造波，使波浪作用４７ｍｉｎ，因管道未固定好，在实验过程中管道发生移动，致使无法测量冲刷后地形．出于时间、条件等因素考虑未能重复此试验．放水后，观测管道附近地形，未发现较大冲刷．平整地形后，固定好管道，施加恒定单向流作用于管道，测得表面流速平均值为３６．９２ｃｎｖ／ｓ，５５ｍｉｎ后停止造流，测得管道附近地形变化如图７所示．从图中可以看出，恒定流作用前后管道防护段附近地形变化不大，在管道前后略有淤积，但与图８所示无防护段相比而言，还是可以很明显地看出“人工草”的作用．
１６
喜１；
０６１２１８２４３０３６４２４８５４６０６６７２
ｘ／ｃｍ
图７粉质海床单向流作用下管道地形变化Ｆｉｇ．７Ｔｏｐｏｇｒａｐｈｉｃｖａｒｉａｔｉｏｎｏｆｓｉｌｔｙｓｅａｂｅｄｓｕｂｊｅｃｔｔｏｕｎｉ?ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｆｌｏｗ
１６
戥
一初始地形
０６１２１８２４３０３６４２４８５４６０６６７２
ｘ／ｃｍ
图８粉质海床单向流作用下管道地形变化（无防护段）Ｆｉｇ．８Ｔｏｐｏｇｒａｐｈｉｃｖａｒｉａｔｉｏｎｏｆｓｉｌｔｙｓｅａｂｅｄｓｕｂｊｅｃｔｔｏｕｎｉ－ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｆｌｏｗ（ｗｉｔｈｏｕｔｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ）
硝
缓缓蠢
图９“人工草”布设不意图
Ｆｉｇ．９Ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔｏｆｆｉｂｅｒｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｍａｔｓ此外，为了比较“人工草”布设在管道不同位置所产生的效果，设计一组试验将“人工草”集中布设在管道上方，而管道前后不布设，如图９所示．
将管道平铺在整理好的细砂质海床上（粒径约为０．１ｍｉｌｌ），固定好，加水至设计水深５０ｃｍ，然后按照设计的波浪要素造波，作用４５ｍｉｎ后停止造波．试验前后管道附近地形变化如图１０所示，管道正下方冲刷深度约为３．８ｃｍ，但在试验条件（水深、波浪要素、底床、作用时间等）完全相同，而未布设“人工草”的情况下，测得管道正下方的冲刷深度约为２．３ｃｍ．由此看来，图９所示的“人工草”布设方式，不仅不能促淤防冲，反而会加剧管道附近的冲刷．这是因为管道上方密集的“人工草”使其上部水流受到阻挡，产生涡流，而管下方流速明显加大，冲刷管道底部的海床．１６
戥
０６１２１８２４３０３６４２４８５４６０６６７２
ｘ／ｃｍ
图ｌＯ管道附近地形变化
Ｆｉｇ．１０Ｔｏｐｏｇｒａｐｈｉｃｖａｒｉａｔｉｏｎｉｎｔｈｅｖｉｃｉｎｉｔｙｏｆｔｈｅ
ｐｉｐｅ万方数据
万方数据
海底管线防冲刷技术试验研究
作者：赵冬岩， 余建星， 李广雪， 王琮， ZHAO Dong-yan， YU Jian-xing， LI Guang-xue，WANG Cong
作者单位：赵冬岩,ZHAO Dong-yan(天津大学,港口与海洋工程教育部、天津市重点实验室,天津
,300072;海洋石油工程股份有限公司,天津,300451)， 余建星,YU Jian-xing(天津大学,港
口与海洋工程教育部、天津市重点实验室,天津,300072)， 李广雪,LI Guang-xue(中国海洋
大学,海洋地球科学学院,山东,青岛,266003)， 王琮,WANG Cong(海洋石油工程股份有限公
司,天津,300451)
刊名：
哈尔滨工程大学学报
英文刊名：JOURNAL OF HARBIN ENGINEERING UNIVERSITY
年，卷(期)：2009，30(6)
引用次数：0次
参考文献(9条)
1.李士清.拾兵.初新杰海底石油管线防护技术研究[期刊论文]-中国海洋平台 2005(3)
2.阎通.李广雪埕北海域海底管线冲刷稳定性研究 1999(10)
3.苗文成埕岛海域海底管道隐患分析及治理[期刊论文]-石油工程建设 2004(3)
4.王海涛.王继忠.熊炜.李爱军.张伟埕岛油田海底输油管线悬空治理技术措施[期刊论文]-安全、健康和环境2004(8)
5.胡洪勤埕岛油田海底管道冲刷及工程治理[期刊论文]-海洋科学 2005(6)
6.潘学光海底管道悬空成因及防治[期刊论文]-中国船检 2005(10)
7.焦如义水下管道"人工草"固定技术及应用[期刊论文]-油气储运 1997(11)
8.邵怀海.胡洪勤.徐政峰滩海油田海底管道悬空治理[期刊论文]-石油规划设计 2003(6)
9.董丽丽.徐慧.郭振邦海底管道悬跨长度的计算[期刊论文]-中国海上油气(工程) 2003(6)
相似文献(10条)
1.会议论文栾茂田.曲鹏.杨庆.郭莹非线性波浪作用下海底管线-海床动力响应分析2007
确定波浪荷载作用下海底埋置管线和海床的响应是海底管线设计中的关键问题。目前大多数研究只是考虑了管线、海床在线性推进波作用下的响应，并没有考虑管线与海床之间的相互作用效应。采用接触摩擦理论，考虑管线与海床之间的相互作用效应，基于有限元方法研究了非线性波浪作用下海底埋置管线和多孔海床相互作用问题。数值计算结果表明，在计算中如果忽略波浪非线性项，既有可能低估海底管线内应力及管线周围海床中孔隙水压力，也有可能高估海底管线内应力及管线周围海床中孔隙水压力。
2.学位论文曲鹏波浪作用下海底管线及周围海床动力响应分析2008
海底管线是目前最为经济、高效地由近海油田向陆地输送石油和天然气的工程设施，在海洋石油工程中具有广泛的应用。在设计管线时所考虑的环境荷载中，波浪荷载是主要的环境因素之一。当波浪在海面传播时，会引起海床表面周期性变化的波压力，海床表面的波压力进一步传递到海床中，在海床中引起超静孔隙水压力和附加有效应力，改变了海床中有效应力的分布。因此，为了合理地评价海底管线在波浪作用下的稳定性，必须考虑波浪荷载在管线周围海床中所引起的动力响应及其对管线自身内部动应力的影响。迄今为止，在海底埋置管线的稳定设计中，大多是基于经验性的结果，还没有发展一个更加合理、完整的设计方法。在海底管线设计中存在的一个关键性问题就是准确地计算由波浪所引起的海底管线附近海床中的超静孔隙水压力和管线内应力。 本文考虑管线的柔性，分别采用饱和孔隙介质的Biot动力固结理论和弹性动力学理论列出了海床与管线的控制方程，进而采用摩擦接触理论考虑海床与管线之间的相互作用效应，基于有限元方法建立了海床.管线相互作用的计算模型及其数值算法。通过计算发现土.管之间的接触效应对波浪所引起的管线周围海床中的超静孔隙水压力影响很小，但对波浪所引起的管线内应力影响显著。惯性力效应对波浪所引起的管线周围海床中的超静孔隙水压力具有一定影响，但对波浪所引起的管线内应力影响很小。管沟尺寸对于管线内应力具有显著影响。管沟形状对管线附近海床中由波浪所引起的超静孔隙水压力及管线内应力均有显著影响。 目前大多数研究只是考虑了管线、海床在线性推进波作用下的响应，没有考虑波浪非线性对于管线及其周围海床响应的影响，也没有考虑立波波浪荷载作用下管线及其周围海床响应。本文基于Biot动力固结理论及弹性动力学理论列出多孔海床及海底管线的有限元方程，并采用接触摩擦理论考虑管线与海床之间的相互作用效应，基于有限元方法研究非线性波浪作用下海底埋置管线和多孔海床相互作用问题。数值计算结果表明，在计算中如果忽略波浪非线性项，既有可能低估海底管线内应力及管线周围海床中超静孔隙水压力，也有可能高估海底管线内应力及管线周围海床中超静孔隙水压力。这取决于波数、水深、波长及波高等波浪要素。相同波浪参数条件下，立波和推进波所引起的管线内应力及其周围海床中超静孔隙水压力分布有很大差别。对于立波波浪，如果忽略波浪非线性项，甚至会得到正负符号与实际情况完全相反的计算结果。 本文应用重复性原理提出一种二维有限元模型来研究波浪引起的埋置管线及其周围海床土体响应问题。此模型认为海床土体为多孔弹性介质，管线为弹性介质，采用摩擦接触理论考虑海床与管线之间的相互作用效应；重点考察上覆层宽度、深度和倾角等因素对于波浪引起的埋置管线内应力及其周围海床土体中超静孔隙水压力的影响。研究发现随着上覆层宽度的增大，由波浪所引起的管线外表面超静孔隙水压力和管线内部的剪应力增大，而管线内部的径向正应力、环向正应力减小。随着上覆层厚度和上覆层倾角的减小，由波浪所引起的管线外表面超静孔隙水压力增大；随着上覆层厚度和上覆层倾角的增大，由波浪所引起的管线内部的径向正应力、环向正应力均增大，而管线内部的剪应力减小。本论文将不排水条件下的超静孔隙水压力增长模式引入到二维固结方程中，对于管线附近海床建立了推广的带有超静孔隙水压力累积源项的二维固结方程。基于有限元方法对推广的固结方程进行数值求解，得到波浪作用下海床中累积超静孔隙水压力的发展过程与变化规律。通过变动参数对比计算讨论了海床土性参数、波浪参数和管线几何尺寸对由波浪所引起的管线周围海床中累积超静孔隙水压力及累积超静孔隙水压力比分布的影响。通过计算分析可以发现，土的变形模量、渗透系数和波松比等土性参数对由波浪所引起的管线周围海床中的累积超静孔隙水压力具有显著影响：随着土的变形模量、渗透系数和波松比的减小，由波浪所引起的海床中的累积超静孔隙水压力均增大。海水深度、波浪高度、海床厚度等因素也会对由波浪所引起的管线周围海床中的累积超静孔隙水压力比产
生显著影响：随着海水深度和海床厚度的减小、波浪高度的增大，由波浪所引起的海床中的累积超静孔隙水压力比增大。另外管线半径和管线埋深对管线附近海床中的累积超静孔隙水压力及累积超静孔隙水压力比影响规律较为复杂；但在距离管线一定距离之外的海床中，管线半径和管线埋深对海床中累积超静孔隙水压力及累积超静孔隙水压力比的影响非常小。 室内模型实验和现场观测均已发现波浪引起的海床超静孔隙水压力存在瞬时和累积两种响应，已有工作大多只单独研究其中的一种超静孔隙水压力响应机理。本文将波浪引起的振动超静孔隙水压力与海床的变形和固结紧密结合起来
，将不排水条件下超静孔隙水压力增长模式引入Biot动力固结方程中，提出一种新的适用于海床液化问题的二维有效应力分析方法，进一步对波浪作用下海底管线周围海床中瞬时和累积超静孔隙水压力的发展过程与变化规律进行了有限元模拟与分析。根据所估算的超静孔隙水压力，对波浪作用下管线周围海床的液化势进行了评价。通过计算分析可以发现，在较浅区域海床中，瞬时超静孔隙水压力有可能对于海床液化起主导作用；相对于较深区域海床，较浅区域海床更易发生液化；海床土土性参数、波浪要素以及管线几何参数对由波浪所引起的管线周围海床中的超静孔隙水压力均具有显著影响。
3.期刊论文栾茂田.曲鹏.杨庆.郭莹.LUAN Maotian.QU Peng.YANG Qing.GUO Ying波浪引起的海底管线周围海床
动力响应分析-岩石力学与工程学报2008,27(4)
在目前的海床-管线相互作用问题研究中,管线与海床交界面一般假定为不可滑动,没有考虑海床-管线接触效应,同时也没有考虑土体和管线加速度效应对海床动力响应的惯性影响,同工程实际情况存在较大差异.为此,分别基于Biot动力固结理论和弹性动力学理论列出海床和海底管线的控制方程,进而根据摩擦接触理论考虑海床与管线之间的相互作用效应,建立海床-管线相互作用的有限元计算模型.根据计算发现,海床-管线接触效应对管线附近海床中的有效应力影响显著,不同的管沟形状对海床中由波浪所引起的超静孔隙水压力及有效应力影响显著.
4.学位论文宋岩新砂质海床上海底管线稳定性的数值分析2008
海底管线是一种经济、高效的近海油气输送设施，在海洋石油工程中应用非常广泛。海底管线的液化失稳问题是海底管线设计中需考虑的关键问题之一。波浪在传播过程中，会在海床表面引起周期性的波压力。这种周期性的波压力作用会在海床中引起超静孔隙水压力及附加有效应力，改变了海床中的应力分布。海床上放置的管线亦会对其附近海床中的超静孔隙水压力及附加有效应力产生影响，使海床的中的应力分布更加复杂，最终可能使海床发生变形、剪切破坏及液化等现象，导致海床的失稳破坏。因此，研究波浪-管线-土体的相互耦合作用具有十分重要的理论意义和工程实用价值。
本文通过非线性有限元计算软件ABAQUS，对砂质海床上的裸置管线进行有限元分析，研究在环境荷载及管线荷载作用下，海床中的应力发展情况，进而对管线附近的海床土体的液化做出判断，为海底管线的稳定性设计提供理论依据。 文中首先将海床视为多孔弹性介质，对波浪-管线-土体进行了耦合分析，得到了在波浪荷载及管线荷载的共同作用下，海床中的超静孔隙水压力及附加有效应力的分布情况。探讨了不同的渗透系数、海水深度、波浪高度、波浪周期、波浪理论、管线参数及土体变形模量等因素对海床中的超静孔隙水压力及z方向有效正应力分布的影响。 随后，为更加接近实际情况，本文将海床视为非均质的Gibson土进行研究，分别考虑了单独变化渗透系数、单独变化剪切模量及同时变化渗透系数与剪切模量等情况，得到了作为Gibson土考虑时，海床中的超静孔隙水压力及z方向有效正应力的分布情况。 最后，考虑土体的自重荷载，使用Python语言对ABAQUS的计算结果进行二次开发。使用了Zen和Yamazaki的液化判断准则，得到了在波浪荷载及管线荷载共同作用下，海底管线周围砂质海床的瞬时液化结果，并对结果进行分析。
5.期刊论文栾茂田.张小玲.张其一.LUAN Maotian.ZHANG Xiaoling.ZHANG Qiyi地震荷载作用下海底管线周围砂
质海床的稳定性分析-岩石力学与工程学报2008,27(6)
地震荷载作用下海床液化是海底管线失稳的主要原因之一.建立地震荷载作用下海底管线周围砂质海床液化问题的有限元模型,利用先进的土工静力-动力液压三轴-扭剪多功能剪切仪,将在不排水循环扭剪试验条件下得到的孔隙水压力增长模式作为考虑地震循环作用所引起的孔隙水压力源项引入到二维动力固结方程中,基于有限元方法对推广的固结方程进行数值求解,得到地震荷载作用下砂质海床中累积孔隙水压力的发展过程与变化规律.通过变动参数计算研究砂质海床土性参数和管线几何尺寸对由地震所引起的管线周围海床中累积孔隙水压力分布的影响,进一步对管线周围砂质海床的液化势进行评判.通过计算分析发现,土的渗透系数对由地震所引起的管线周围砂质海床中的累积孔隙水压力比具有显著影响,而管线半径只影响管线周围海床的累积孔隙水压力比分布,在离开管线一定距离之外,其影响可以忽略.
6.学位论文潘冬子波浪荷载作用下海床及管线的动力响应研究2007
波浪引起的海床变形和稳定性问题是海底管线工程设计中必须考虑的关键问题之一.研究波浪荷载作用下海床及管线的动力特性,对于海床及管线的稳定性评价具有重要意义.基于这样的出发点,按照国家自然科学基金资助项目"海底管线灾变机理及 TDR 监控研究 (No. 50479045)"的总体要求,本文采用理论分析、模型试验和数值模拟相结合的方法,对海床及管线波浪响应的基本问题进行研究,揭示了一些现象的力学机制,为工程设计提供可参考的依据. 分别基于平面应变条件下的 Biot 固结理论和广义 Biot 固结理论,采用积分变换的方法,求解突加波浪荷载作用下单层海床的动力响应问题,并利用 Frobenius 级数解对 Gibson 海床的波浪响应问题进行研究. 结合大量的算例,针对波浪荷载作用下海床的孔压响应、应力场分布及土骨架位移等问题进行了详细地分析,并与前人的工作进行了对比. 增设覆盖层是海床保护常用的措施之一.对于成层海床的波浪响应问题利用状态空间法进行分析,建立表征该问题基本状态量之间的传递矩阵,通过矩阵递推规律、边界条件及逆变换技术实现成层海床波浪响应问题的求解,并对成层横观各向同性海床和海床一土工布复合体系的波浪响应问题进行研究.分析结果表明,覆盖层能有效的提高海床抗剪切破坏和抗瞬时液化的能力,起到保护海床的作用. 利用大型波浪水槽通过机械造波分不同的工况进行波浪荷载作用下海床及管线的动力响应模型试验研究.结合试验数据,利用信号分析的方法,探讨了波浪荷载作用下海床孔压发展的机理,对土工布加固粉质海床进行了模拟试验；深入系统地研究了推进波作用下管线周围局部冲刷的演化规律和冲刷形态；对于浅埋管线,通过不同工况的模型试验研究加载波浪周期、波高、相对水深、散射系数及相对埋深等参数对管线周围孔压和管线所受上举力的影响. 结合波浪水槽模型试验的结果,分别利用保角变换法和基于贴体坐标的有限差分法,对波浪一海床一管线的相互作用问题进行分析,讨论管线存在对于海床孔压场、应力场和位移场的影响,进而对管线周围局部区域剪切破坏和瞬时液化特性进行分析；并采用状态空间法和共振条件求解波浪荷载引起的海底管线极限冲刷长度,讨论了地基模量、管径、施工残余轴向力及共振频率对极限冲刷长度的影响. 对波浪引起的海床表层液化进行研究,提出了分析表层液化的启动和发展深度的判据,在此基础上从信号分析的角度入手,采用多尺度分析法对波浪荷载引起的海床累积液化进行分析,并通过基于贴体坐标的有限差分法实现波浪一海床一管线的液化评估.
7.期刊论文张小玲.栾茂田.郭莹.ZHANG Xiao-ling.LUAN Mao-tian.GUO Ying海底管线周围海床瞬时液化的数值
分析-防灾减灾工程学报2009,29(2)
地震荷载作用下,海床液化是海底管线失稳的主要原因之一.本文采用Mohr-Coulomb模型和Drucker-Prager模型,基于饱和多孔介质的Biot动力固结方程,进行了有效应力分析;利用大型有限元计算软件ADINA,计算得到了海底管线周围海床土体中的超孔隙水压力及其变化规律,并在此基础上进行了瞬时液化分析.在数值计算的过程中,引入粘弹性人工边界的方法模拟地震波由有限域到无限域的传播,从而更为实际地反映了在地震作用下,海底管线周围土体的动力响应问题.
8.学位论文李俊杰粉土海床海底管线冲刷机理及防护方法研究2008
海洋石油和天然气已成为我国能源生产重要的组成部分，对国民经济建设、国家安全战略有着重要的意义。海底油气输送管线具有输送连续、输送量大、管理方便等优点，在海洋工程中得到了广泛的应用。然而，海底管道所处的海洋环境非常恶劣，在波浪、潮流等水动力作用下，管道附近底床很容易发生冲刷侵蚀，从而导致海底管道发生悬跨，引发事故，造成巨大的损失。海底水动力作用下管道附近海床冲刷造成管道悬跨破坏等问题，是管道工程的一项重要研究内容，在学术和工程应用方面都有很高的指导意义。但是，对于管道在海底复杂的动力环境中的冲刷机理，现有研究成果还不完善，尤其是对粉土海床管道冲刷的研究不足。 本文的主要目的是通过物理模型试验探索粉土海床管道冲刷机理及有效的防护方法。 在充分调研了前人研究成果的基础上，本文立足大型水槽试验，模拟了管道平铺和半埋两种状态，小波浪、大波浪、单向流、波流联合四种水动力环境下的海床冲刷情况，并对冲刷过程中管道受力变化及表层土体的孔压变化进行实时检测。 首先，本文详细描述了各组试验中管道附近海床冲刷过程，对比了在不同情况下管道冲刷的不同。在此基础上，本文得出结论：(1)管道冲刷不会无止境地进行下去，存在一个平衡状态；(2)冲刷过程具有规律性，各组试验中，冲刷都是按沉积物颗粒开始运动--隧道发育--快速冲刷--达到平衡这一顺序发展的；(3)管道平铺、管径加大、波浪周期、波长增大这几个因素都会使得平衡冲刷深度加大，冲刷加剧；(4)波流联合作用时，冲刷速度很快，总体冲刷量也远大于二者单独作用时。但由于流速较大，波浪仅能加速冲刷，不影响冲刷深度，所以平衡深度小于大波浪单独作用时，接近单向流作用时。此外，本文比较了几种常用的管道平衡冲刷深度的计算公式，验证
了CHAO和HENNSSY模型对于粉土海床最适用。 其次，重点分析了波流联合作用时管道受力变化以及在冲刷过程中表层土体的孔压响应。 最后，对目前国内外常用的海底管道冲刷保护技术进行了介绍，并对海底管道仿生防护技术--“人工草”保护技术进行试验。
9.期刊论文栾茂田.曲鹏.郭莹.杨庆.范庆来.LUAN Mao-tian.QU Peng.GUO Ying.YANG Qing.FAN Qing-lai波浪作
用下孔隙海床-管线动力相互作用分析-海洋工程2007,25(2)
波浪作用下海床中的孔隙水压力与有效应力是影响海底管线稳定性的主要因素.然而,在目前的海床响应分析中一般将管线假定为刚性,并不能合理地考虑海床与管线之间的相互作用效应,同时也没有考虑土体和管线加速度对海床动力响应的惯性影响,从而无法确定由此所引起的管线内应力.为此考虑管线的柔性,分别采用饱和孔隙介质的Biot动力固结理论和弹性动力学理论列出了海床与管线的控制方程,进而采用摩擦接触理论考虑海床与管线之间的相互作用效应,基于有限元方法建立了海床-管线相互作用的计算模型及其数值算法.通过变动参数对比计算讨论了管线几何尺寸、海床土性参数对波浪所引起的管线周围海床孔隙水压力和管线内应力的影响.
10.学位论文远航波浪作用下埕岛油田海底管线稳定性数值分析2009
海底管线是海洋油气集输与储运系统的重要组成部分，被喻为海上油气田的“生命线”，在海洋油气资源的开发利用中发挥着重大作用。海底管线运行环境恶劣，失效概率高，在波浪、海流、潮汐的作用下，其稳定性状况一直是研究热点。 位于现代黄河水下三角洲的胜利埕岛海上油田，海底管线稳定性成为重要的安全隐患。这与该海区海床沉积物独特性质及海洋动力条件密切相关。目前设计上采用的常规方法，由于缺少地区特色的针对性使其结果受到置疑。在中石化重点攻关课题“埕岛海管剩余寿命评价及海缆监测技术研究-海底管线安全防护对策”(JP05007)资助下，本论文针对埕岛油田海区特点，在搜集整理分析研究区水文与地质资料的基础上，利用数值模拟的方法，较为系统地研究了海底裸置管线、埋藏管线的稳定性，取得了一些突破性的研究成果，同时在研究方法上也取得一些进展。 本文的主要研究工作与成果有： 1．现场调查并收集研究区地质与水文资料，依据138个钻孔数据的统计分析，将埕岛海域研究区地层分为三个亚区，并对各亚区内的海床土性质及水动力特征进行了统计分析，为进一步管线稳定性分析提供必要的水文与地质资料。 2．基于Biot固结理论，根据埕岛海域特定的水文、地质条件，建立了波流作用下裸置管线动力响应问题的数学模型。采用WakeⅡ模型计算了裸置管线所受的拖曳力和升力，改善了以往采用Morison方程计算管线受力时忽略尾流效应的不足，使计算结果更加符合实际情况。通过与相关研究的对比，验证了本文所采用方法的可靠性。根据所建模型对影响裸置管线横向稳定性的各项因素分析表明，忽略尾流的影响会严重高估裸置管线的在位稳定性，影响管线稳定性最主要的因素是单位长度管线重量。在此基础上建立了埕岛油田地区的裸置管线稳定性校核曲线
，可为本地区管线设计提供指导。 3．将非线性波浪理论和随机波浪理论引入有限元模型，建立了埕岛地区埋置管线复杂波浪荷载作用下瞬态响应的数学模型。讨论了波浪的随机性对管线及海床动力响应的影响及海床土体与埋置管线的接触效应。与前人研究结果相比，本文中所采用的数学模型更为接近实际情况，可以更好的反映波浪作用下埕岛油田地区海床土体与埋置管线之间的相互作用。并据此模型对复杂波浪荷载下埋置管线的动力响应进行分析，发现波浪的非线性和随机性以及管线-土体之间的接触效应对计算结果的影响十分显著，如果忽略这些因素，则会在分析埋置管线动力响应时造成较大误差。 4．基于大变形理论，开发了基于ABAQuS的用户单元子程序，对波浪作用下埕岛地区海床土体内残余孔压的发展进行了计算，及海床液化判别分析。将液化后土体视为Bingham体，开发了大变形下的用户材料子程序，对管线在液化土体内的移动进行了研究。结果表明，埕岛海域不同工程地质分区土体液化行为差别较大，海床土液化深度随波浪作用时间的增加而增加，但是最终会趋于稳定；液化后土体的粘性系数影响到管线在液化土中的运动速度，但不影响其运动趋势。 主要创新点：针对埕岛油田具体水文、地质条件，采用更为合理的水动力模型计算裸置管线所受荷载，在此基础上建立了埕岛油田地区裸置管线与土体相互作用的数学模型，提出了适合埕岛油田裸置稳定性分析的校核曲线。建立了复杂波浪荷载作用下埋置管线与周围土体相互作用的数学模型，并基于大变形理论，对管线在液化土体中的移动进行了模拟，并对影响土体液化和管线在液化土体中行为的因素进行了分析。
本文链接：https://www.doczj.com/doc/972136121.html,/Periodical_hebgcdxxb200906001.aspx
下载时间：2010年5月1日