海底管线作用下的泥沙休止角的试验研究_刘勇

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1、海底管线作用下的泥沙休止角的试验研究_刘勇DOI:10.13984/j.cnki.cn37-1141.2012.04.026　２０１２年海洋湖沼通报ＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｆＯｃｅａｎｏｌｏａｎｄＬｉｍｎｏｌｏｇｙｇｙ　　№４海底管线作用下的泥沙休止角的试验研究刘　勇，拾　兵，杨立鹏，范菲菲（）中国海洋大学，山东青岛２６６１００摘　要：由于海底水动力环境的复杂性，海底管线破坏等问题日益突出，而海床的冲刷是管线破坏的一个重要原因。本文经对单向恒定流作用下的海底管线冲刷坑内泥沙动水休止角这一特征参数的理论分析和试验研究，得到其相关关系和变化规律，对进一步研究海底管线的防护

2、技术有一定参考价值。）；关键词：海底管线；单向恒定流；刚性导流板（泥沙休止角ｓｏｉｌｅｒｐ（）中图分类号：ＴＶ１４９．２文献标识码：Ａ———————————————————————————————————————————————文章编号：１００３６４８２２０１２０４０３１０５－－－引言海底管线作为海上输油的重要载体，在海洋工程中的应用越来越广泛。但因海底水动力环境的复杂性，在其作用下引起的管线下海床冲刷进而导致管线破坏等问题也越来越引起广大工程技术人员的关注。由此开展海底管线冲刷机理和冲刷坑休止角的研究，并进一步研究海底管线的安全防护技术，具有一定的工程应用价值。１］詹

3、义正等人［从散体泥沙堆积的实际物冲刷深性导流板使管线两侧的压力差增大，度和范围都明显增大。基于上述研究成果，本文旨在探讨单向恒定流作用下管线及安装）刚性导流板（后冲刷坑内临界休止角ｓｏｉｌｅｒｐ的变化规律，为进一步研究平铺管线冲刷坑尺度奠定基础。１　水下动水休止角的理论推导在海流作用下，海底管线裸置于沙质海，与海床之间无间隙）其下部会发生局床上（部冲刷，产生冲刷坑，最终将趋于稳定。冲刷稳定后的坑内坡角即为在管线作用下的泥沙动水休止角φ。假设迎流侧动水休止角为背流侧的动水休止角为φ如图１所示。１，２，φ这时，管线迎流侧的水流流向受到管线影响，水流绕管线作曲线运动，对床面泥

4、沙施加了一个附加质量力Ｆｒ１。由于此时水流绕管线流动明显，可近似认为水流流动轨迹为管线的同心圆弧。在背流侧，———————————————————————————————————————————————同样产生一个附加质量力ＦＦｒ２。但因管后尾流区的影响，ｒ２的）、（分析及取值较为困难。图１中（分别ａｂ）后泥沙颗粒的受力图式。给出了管前、在管线作用下，冲刷坑内的泥沙颗粒主要受以下几个力的作用：拖曳力ＦＤ、附加质理过程出发建立了相应的力学平衡方程式，获得了水下散体泥沙休止角计算公式，并在２］试验中得到验证。黄长伟等人［基于均匀沙考虑黏结力及动水作用等的楔入堆积模式，影响，

5、建立了相应的力学平衡方程，由此获得了包含主要影响因素的黏性～散体均匀沙的动水休止角计算公式。Ｇｏｋｃｅ和Ｇｕｎ－［］ｂａｋ３研究了波浪作用下的导流板对管线的冲刷影响，发现附加导流板后管线冲刷深度［］增加了。Ｃｈｉｅｗ４研究了单向流作用下导流并观板的安装方位对海底管线的冲刷影响，测了附加导流板后海底管线冲刷的增加深５］度。韩艳等人［通过物理模型试验验证了刚，：刘勇（男，中国海洋大学工程学院水力学及河流动力学专业硕士研究生，１９８７Ｅ－ｍａｉｌｌｔａｉａｎｌ①第一作者简介：－）ｙｙ＠——————————————————————————————————————————————

6、—联系电话：１６３．ｃｏｍ，１５２６９２０９８８０收稿日期：２０１１０９２１－－３２　海　洋　湖　沼　通　报２０１２年对于床面上单个泥沙颗粒受到的附加质量力可以表达为：ｕ２２·ｂＦｒ＝ｎ＝４４２２Ｌ２（）ｙＲｙ（）６令则２（）Ｃｙｒ＝２Ｒｙ∫Ｌ（）７（）８２ｂ２Ｆｒ＝Ｃｒ４２式中：Ｃｒ为附加质量力系数。———————————————————————————————————————————————图１　管线冲刷示意图Ｆｉ．１　Ｅｒｏｓｉｏｎｏｆｕｎｄｅｒｔｈｅａｃｔｉｏｎｔｈｅ　　ｇｉｅｌｉｎｅｓｕｂｍａｒｉｎｅ　ｐｐ量力Ｆ上举力ＦＬ、水下重力Ｗ、摩擦阻力ｒ、Ｒｆ。（）拖

7、曳力１泥沙颗粒上的拖曳力可表示为：２ｂ２（）ＦＤ＝ＣＤ１４２式中：ＣＤ为拖曳力系数；ｕｂ为床面处底流速。（）附加质量力２图２　管线下侧流速分布示意图Ｆｉ．２　Ｆｌｏｗｖｅｌｏｃｉｔｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎａｒｏｕｎｄ　　ｇｙ　ｓｕｂｍａｒｉｎｅｉｅｌｉｎｅ　ｐｐ（）上举力３泥沙颗粒的上举力可表示为：２ｕｂ２（）ＦＬ＝Ｃ９Ｌ４２［］———————————————————————————————————————————————式中：取极限值０．Ｃ１７８４。Ｌ为上举力系数，（）水下重力４如图２所示，为了便于计算泥沙颗粒上在距管线中心取一圆柱形流