粉土海床海底管线冲刷机理及防护方法研究

论文摘要

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。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 0 前言
• 0.1 研究意义
• 0.2 研究现状
• 0.2.1 室内试验研究
• 0.2.2 理论分析与数值模拟
• 0.3 本文主要工作
• 1 模型试验
• 1.1 理论基础
• 1.2 本文试验目的
• 1.3 试验条件
• 1.4 试验设计
• 1.4.1 试验比尺的设计
• 1.4.2 试验模型的设计
• 1.5 试验内容
• 2 管道冲刷底床变化
• 2.1 粉土性质
• 2.2 冲刷机理
• 2.3 冲刷过程
• 2.4 试验地形数据分析
• 2.4.1 平衡冲刷深度计算模型
• 2.4.2 本文各组试验的平衡冲刷深度
• 2.4.3 各组试验的冲刷过程
• 2.4.4 总结
• 3 冲刷过程中管道受力及表层土体的孔压响应
• 3.1 海底管道受力研究
• 3.2 波浪作用下海床响应研究
• 3.3 试验数据分析
• 3.3.1 波压数据分析
• 3.3.2 孔压数据分析
• 4 海底管线冲刷防护技术
• 4.1 悬空临界长度
• 4.2 常用的防护方法
• 4.2.1 支撑管道
• 4.2.2 回填悬空段
• 4.2.3 加压载块
• 4.2.4 用桩稳定管道
• 4.2.5 重新挖沟埋管
• 4.2.6 挠性管
• 4.2.7 阻流板
• 4.2.8 “人工草”固定法
• 4.3 海底管道仿生防护技术
• 4.3.1 物理试验
• 4.3.2 试验过程
• 4.3.3 试验结果分析
• 5 结论和展望
• 5.1 结论
• 5.2 存在问题
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历