粉沙海床管道在联锁排防护下的冲刷试验研究

采用当地海床的天然粉沙进行试验床面的设计,对海底管道在实际海床受到的极限波浪和最大水流作用进行试验,在管道上方铺设混凝土联锁排,对联锁排块体稳定性和其对管道防护的有效性进行研究。通过物理模型试验,研究了在极限波浪和最大水流作用下,管道在粉沙床面最大冲刷深度。通过不同水深中波流条件下研究了混凝土联锁排防护效果及其周围床面的冲刷变化,观测了联锁排的稳定性。试验结果表明:按半经验半理论简化公式得出的联锁排厚度能满足稳定性的要求,比水利部规范计算的联锁排厚度偏大的公式更加适合应用,试验期间混凝土联锁排的排面稳定,能有效保护管道,在该防护下管道没有冲刷,只在联锁排上下游与床面接触的来流段和尾端有冲刷,但该冲刷深度不影响联锁排整体的稳定性。     

随机波作用下海底管道振动对土体液化的影响

海底管道-土体-水体相互作用对土体和管道的稳定性具有重要影响，但波浪作用下海底管道对其周围土体性质的影响仍有待深入研究。通过一系列室内波浪水槽试验，研究了波浪荷载和管道振动作用下海床土体内部的超孔隙水压力响应。实验结果表明，管道的铺设会增大海底土体超孔隙水压力累积程度，当管道发生振动时，海床土体超孔隙水压力累积程度进一步增大，从而增加了土体液化势。此外，波高增加也会导致海床土体的超孔隙水压力累积程度增大。本文研究成果对管道-土体相互作用研究和海底管道维护具有指导意义。     

非线性波浪作用下埋置管道上波浪力简化计算

由于浅水区波浪的非线性影响显著,浅埋管道受非线性波浪荷载的影响大,为了保证管道长期运行的稳定性,在管道设计过程中需要充分考虑由非线性波浪引起的波浪力。考虑孔隙水和海床土的压缩性,基于Biot固结理论和一阶近似椭圆余弦波理论,利用分离变量法推导了非线性波浪作用下浅水区埋置管道周围海床的渗流压力,进而给出了埋置管道上的波浪力压力解析解,并与已有的文献结果进行比较。计算结果表明,在椭圆余弦波的作用下,海底管道周围海床内的渗流压力呈正弦分布,且管道所受的波浪力随着管径的增大而增大。     

波浪作用下管道冲刷暴发计算的边界元方法

管道冲刷暴发临界条件是海底管道设计和运营的重要参数。Sumer等给出了3个Keulegan-Carpenter(KC)数的波浪作用下冲刷暴发的试验曲线。但对于任意KC数,Sumer等的方法并不准确。因此,建立波浪作用下冲刷暴发条件计算方法,具有重要意义。因管道与床面相交形成了复杂的几何形状,管道与床面的交叉点是数值奇点,因而管道冲刷暴发临界条件计算较为复杂。本研究采用边界元方法计算波浪运动及渗流压力。边界元可准确地拟合海底与管壁边界,方便地处理管道与海床交叉点的数值奇点问题,并可直接计算出奇点处的垂向压力梯度,准确地计算冲刷暴发的临界条件。本研究计算结果与实测值符合良好。     

海底滑坡作用下滩海管道结构安全分析

海底滑坡作为常见的海洋地质灾害,对海洋油气工程安全产生巨大威胁。海床土体失稳引起滑坡体滑动,会对海底管道产生拖曳作用。基于计算流体动力学方法(CFD)建立海底滑坡体对管道作用的评估模型,采用H-B模型描述块状滑坡体并与试验比较验证,分析不同海床倾斜度滑坡对管道的作用并拟合表达式;研究了海底管道在滑坡作用下的力学响应,并采用极限状态方法开展海底滑坡作用下管道结构极限安全分析,探讨了管道埋地状态时的极限安全界限,建立滑坡作用下管道结构安全分析方法。研究表明:滑坡对管道作用力与海床倾角呈现正相关,而覆土层厚度对作用力影响较小;随着不排水抗剪强度的减小,允许的滑坡宽度和速度均增加,表明土体不排水抗剪强度与引起的拖曳力呈正相关;滑坡土体宽度对极限安全速度影响较大。     

巨浪冲蚀威胁下的海底管道仿生草防护技术

仿生草防护技术是一种通过降低海底管道附近水流的流速,促进沉积物颗粒在海底管道附近进行沉降淤积以防止冲刷发展的防护技术。波生流是近岸地区的重要水动力现象,直接影响海岸地貌演变与输沙过程。通过多组物理模型试验模拟了波浪作用于不同底质条件下仿生草对海底管道冲刷的防护作用以及不同的仿生草布设方式对其防护效果的影响,并对其作用机理进行了初步的分析研究。结合仿生草在平湖海管中的实际应用,证明了仿生草对悬空管道的防护效果明显。波浪在近岸区可能产生较强底流,仿生草技术通过阻尼作用对于砂质海床具有明显的防冲刷效果,但对于粉质海床效果略差,这是由于底质不同造成的。仿生草布设方式对其防护效果至关重要,主要是海底管道两侧的仿生草发挥了防护作用。建议根据具体情况将仿生草技术结合传统方法进行作业实施,以取得更好的效果。     

舟山册子岛-镇海海底管道附近海床冲淤数值模拟研究

舟山册子岛-镇海段海底原油管道连续多年监测数据显示,局部海床冲刷较为严重,管道多处裸露、悬空,对工程安全构成威胁。基于Delft3D建立杭州湾口二维水流泥沙数学模型,并利用实测潮位、流速、流向及悬沙质量浓度资料对模型进行率定与验证,进而模拟分析近年来人为开发活动对海底管道附近海床冲淤变化的影响。分析结果表明,新泓口围垦工程和金塘大桥工程对管线镇海登陆段海床冲刷影响较大,金塘大桥桥墩阻水作用加剧了管线深槽边坡西半段海床的冲刷,另外管线深潭延伸东半段的海床冲刷与金塘大桥主通航孔密切相关。     

往复流作用下海底管道局部冲刷机制数值模拟

基于开源的计算流体力学模式REEF3D,建立了海底管道局部冲刷水槽数值模型,在验证单向流实验结果的基础上,进一步对往复流作用下的海底管道局部冲刷机制进行了研究,并作对比分析。研究表明,总体上,往复流对管道所在海床局部冲刷规模比单向流弱。当流向改变后,原先下游的堆积区转变成上游,优先受到冲刷,并填充到管道下方的冲刷坑,同时使水流在管道下方的作用减弱。这种回填过程,使短周期下的往复流作用需要更长的冲淤平衡时间。在这种回填与冲刷的共同作用下,上下游的冲刷坑坡度会因流向变化而变化。     

波致砂土海床剪切与液化破坏特征对比研究

波浪作用下海床的稳定性直接影响着海洋构筑物的安全。目前在波土相互作用的研究中,虽然较多地涉及到对海床液化或剪切破坏的分析,但缺乏不同海床计算厚度和饱和度等条件下二者破坏特征的对比研究。本文基于波浪作用下海床应力的解析解,对砂土海床的剪切破坏和瞬态液化破坏特征进行了详细研究和对比。结果分析表明,对于波浪作用下不同饱和度的砂土海床,其剪切破坏深度随海床计算厚度的增加表现为3种变化模式,而其液化深度随海床计算厚度的增加则只表现为1种变化模式。相比非饱和砂土海床,饱和砂土海床计算厚度较小时才可能发生液化,且其液化深度最小,但相同条件下对应的剪切破坏深度却最大。波浪作用下砂土海床存在一个最不稳定厚度,其数值约为(0.2~0.3)倍波长,此时海床最易发生破坏,且破坏深度较大。波浪作用下砂土海床的剪切破坏在波峰和波谷处均可能发生,而瞬态液化只发生在波谷位置,且其液化深度位于剪切破坏深度范围内。     

废弃黄河三角洲侵蚀机理的试验研究

通过物理模型试验对河口水下三角洲冲刷侵蚀机理进行研究是研究三角洲侵蚀机理的一种重要方法，但这种方法一般比较少用，也许与底床对波浪响应的研究比较复杂有关。用物理模型试验的方法，通过分析底床对波浪作用过程的孔压响应以及地形变化，研究了粉土液化对海床的影响，河口水下三角洲在波浪作用下冲刷侵蚀的整个过程，沙坝的形成和变化，以及软黏土层在波浪作用下的受力情况和变化情况。由于软黏土层本身的特性和所处的冲刷侵蚀环境，使其容易发生流变和蠕变，最终产生刺穿现象，对海洋工程造成巨大的损害。海底沙波是一种常见的海底地貌，这里重点研究了波浪和海底地形对沙波的形成和特性的影响。     

斜向波作用下斜坡海床上管线三维冲刷不均衡性研究

由于海床起伏不平,斜坡的存在必然改变波浪对管线及海床的作用特性,进而影响管线三维冲刷。基于波浪港池实验,考虑规则波的作用,采用中值粒径为0.22mm的原型沙铺设与波浪传播方向成45°夹角的斜坡,研究斜向波作用下斜坡上海底管线的三维冲刷特性。通过测量管线下方冲刷坑宽度和深度的差异,分析管线三维冲刷的不均衡性。实验表明:管线的存在使斜坡上的波高有所降低;斜向波作用下管线三维冲刷的不均衡性表现为深度不均衡性和宽度不均衡性,宽度不均衡性主要是管后淤积泥沙的后移引起的,周期对三维冲刷不均衡性的影响比波高对其的影响程度大;管线自深海向近岸延展时,随水深的减小,冲刷深度分为缓慢发展阶段和快速发展阶段。     

杭州湾海底管道冲刷自埋演化过程初步研究

针对杭州湾海底管道的实际工程状况,使用声学探测技术对海底管道冲刷自埋演化过程进行了现场检测,验证了海底管道从初始敷设状态依次发展为孔道冲刷、部分掩埋、尾流冲刷、尾流冲刷平衡、再次孔道冲刷和回淤自埋状态的演化过程.采用数值模拟方法分析了海底管道自埋演化过程中的典型状态,结果表明:管道下方的渗流和天然微孔隙是孔道冲刷起动的...     

The Lift Forces Acting on a Submarine Composite Pipeline in a Wave-Current Coexisting Field

- A composite pipeline is defined as a main big pipe composed of one or several small pipes. The flow behaviour around a submarine composite pipeline is more complicated than that around a single submarine pipeline. A series model test of composite pipelines in a wave-current coexisting field was conducted by the authors. Both in-line and lift forces were measured, and the resultant forces were also analyzed. The results of lift forces and resultant forces are reported in this paper. It is found that the lift force coefficients for composite pipelines are well related to the KC number. The lift force coefficients for an irregular wave-current coexisting field are smaller than those for a regular wave-current coexisting field. The frequency of lift force is usually twice the wave frequency or higher. The authors test indicates that the resultant forces are about 10 to 20 percent larger than in-line forces (horizontal forces). The effect of water depth is analyzed. Finally, the relationship between lift f     

Hydrodynamic Forces and Instability of Submarine Pipelines Under Waves and Currents： A Review

Stability design of submarine pipelines is a very important procedure in submarine pipeline engineering design. The calculation of hydrodynamic forces caused by waves and currents acting on marine pipelines is an essential step in pipeline design for stability. The hydrodynamic forces-induced instabilities of submarine pipelines should be regarded as a wave/ current-pipeline-seabed interaction problem. This paper presents a review on hydrodynamic forces and stability research of submarine pipelines under waves and currents. The representative progress including the improved design method and guideline has been made for the marine pipelines engineering design through experimental investigations, numerical simulations and analytical models. Finally, further studies on this issue are suggested.     

舟山册子岛—宁波镇海海底原油管道冲刷的影响因素

局部冲刷引起裸露甚至悬空是造成管道失稳的主要原因之一。舟山册子岛—宁波镇海海底原油管道自2006年运行以来,其赋存状态由全线掩埋逐渐演变为局部裸露甚至悬空的严峻局面,并且有继续恶化的趋势。基于管道2006—2012年历年检测资料,从多个层面分析造成海底管道冲刷的原因,认为造成管道冲刷的基本条件是研究区的自然冲淤规律,极端天气条件、镇海侧的大型围垦工程、舟山连岛大桥建设、长江来沙减少等其他因素的叠加也不可小视。     

海底滑坡对置于海床表面管线作用力的CFD模拟

海底管线是海洋工程中用于传输原油和天然气等的重要通道,通常放置在海床表面或处于悬跨状态。本文采用计算流体动力学CFD法模拟了不同冲击角度下海底滑坡对置于海床表面的海底管线的作用,得到了管线所受的轴向荷载和法向荷载与滑坡冲击角度之间的关系。同时分析了沿冲击方向管线截面形状与管线所受阻力之间的关系。对已有研究进行拓展延伸,丰富了不同工况下轴向阻力系数和法向阻力系数的计算成果,得出了海底滑坡对置于海床表面管线冲击力的计算公式。     

Study on Model Tests and Hydrodynamic Force Models for Free Spanning Submarine Pipelines Subjected to Earthquakes

A test rig is built to model the dynamic response of submarine pipelines with an underwater shaking table in the State Key Laboratory of Coastal and Offshore Engineering, Dalian University of Technology, China. Model tests are carried out to consider the effects of exciting wave directions and types. Based on the experimental results, two hydrodynamic force models derived from Morison equation and Wake model are presented respectively. By use of hydrodynamic force models suitable for free spanning submarine pipelines under earthquakes, discretized equations of motion are obtained and finite element models are established to analyze dynamic response of free spanning submarine pipeline subjected to multi-support seismic excitations. The comparison of numerical results with experimental results shows that the improved Morison and Wake hydrodynamic force models could satisfactorily predict dynamic response on the free spanning submarine pipelines subjected to earthquakes.     

Experiments on Interaction Between Current-Induced Vibration and Scour of Submarine Pipelines on Sandy Bottom

In order to understand the dynamic behavior of submarine pipelines exposed to current andthe mechanism of the interaction between current-induced vibration and scour of pipelines on a sandy bot-tom,an experimental investigation is conducted with a small scale model.A test model which can be testedin the flume is set up by taking into account the typical working conditions of the pipelines and by ap-plying the similarity theory.The interactions between the shape of the scour hole and the behavior of thepipeline as well as the flow patterns of the current are detailed,and the interaction mechanism outlined.The effect of vibration of the pipeline on the development of dynamic scour at different stages is foundout.The proposed experimental method and test results provide an effective means for design of marinepipelines against scouring.     

埕岛油田海上石油平台基础冲刷研究

海洋石油平台的建立会改变平台周围的水动力条件，其中平台的基础及与之连接的海底管缆(输油管道、注水管道、海底电缆等)附近产生冲刷现象，对平台和海底管缆的安全造成威胁。根据对研究区典型平台的4次实洲水深并结合以往资料，分析了埕岛油田海上石油平台基础冲刷的过程及其规律。