分析海流作用下海底管道侧向失稳特征的试验研究

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1、海流作用下海底管道侧向失稳特征的试验研究资助项目：中国科学院“十一.五”知识创新工程重要方向项目（KJCX2－YW－L02）闫术明，高福平，吴应湘摘要对海流载荷下管道在砂质海床上侧向失稳的物理过程进行了试验模拟，分析了管道侧向失稳的典型特征。水动力试验发现，管道侧向失稳经历了三个特征时间：(1)砂粒起动，(2)管道轻微侧向位移，(3)管道侧向失稳。利用机械加载装置分别研究了两端自由和防滚两种端部约束条件下管道在侧向失稳过程中的侧向土阻力及管道沉降特征。实验发现，随着管道水平位移的增加，侧向土阻力逐渐

2、增加并最终达到极限值；而端部约束条件对极限侧向土阻力及其与管道沉降量之间的关系影响较大。两种模型试验结果具有较好的对比性，海流引起的局部冲刷可降低管道侧向稳定性。关键词：海流；海底管道；失稳特征；侧向稳定性；侧向土阻力1引言海洋油气资源开发已逐渐由浅海走向深海，波浪对海底管道在位稳定性的影响逐渐减弱，而海流则成为重点考虑的海洋环境载荷之一。合理分析海流作用下海底管道侧向稳定性对深水管道设计与施工具有重要意义。迄今，国内外研究者大多侧重于研究波浪作用下海底管道的侧向稳定性[1-5]，而关于海流作用下海

3、底管道侧向稳定性的研究却较少[6,7]。在海流引起的管道侧向失稳过程中，管道沉降深度和侧向土阻力将随着管道水平位移而发生变化。对上述变化规律的揭示，将有助于进一步建立合理描述管道侧向失稳的管土相互作用模型。本文将采用水动力和机械加载的试验方法，模拟海流载荷下管道侧向失稳的物理过程，进一步分析管道侧向失稳的典型特征。2管道侧向失稳过程的水动力试验模拟2.1水动力模拟装置及方法水动力试验是在单向流水槽中进行的。水槽长19m，宽0.5m，高0.6m，试验水深0.4m，试验段（见图1）布置在水槽中间位置。水

4、槽底部铺设15cm厚的石英砂。试验管道为光滑的不锈钢管，直接铺设于饱和砂床上，水流方向垂直于管道轴线。基于相似理论，通过改变模型管道的水下重量（）可模拟大尺寸实际管道的相应水下重量条件下的侧向稳定性[7]。模型管道直径D=0.050m，长度L＝0.47m。试验土样采用中砂，平均粒径d50=0.38mm,有效粒径d10=0.30mm,不均匀系数Cu=1.46,浮容重γ'=9.3kN/m3,初始孔隙比e0=0.73,相对密实度Dr=0.40。为了使试验结果具有可比性，每次试验均严格控制砂的密实度，并且利

5、用刮砂器刮平砂床表面。为了观测管道两侧砂粒起动和床面变化过程，试验中采用片光源和反射镜等设备进行砂粒起动的显示；利用数码摄像机记录砂床冲蚀过程，同时也记录了管道的侧向失稳过程（参见图1）。图1模拟管道侧向稳定性的水动力加载试验示意图[7]2.2管道失稳过程的试验观测及描述模型管道直接放置于砂床上，产生一定的初始沉降量(见图2、图3)。试验时，逐渐增加水流速度，直至管道发生侧向失稳。同时，利用流速仪记录水流速度。图4给出了单向水流作用下，管道发生侧向失稳的典型过程。通过观察发现，砂质海床上管道侧向失稳

6、一般经历了三个特征时间：：管道两侧砂粒起动；：管道轻微侧向位移；：管道侧向失稳。详细描述如下：(1)：管道两侧砂粒起动当水流速度增加到一定数值时，管道附近砂床在水流作用下会产生局部冲刷。流动显示表明，管道结构附近床面砂粒起动是管道尾迹涡与砂床相互作用的结果。局部冲刷首先发生在管道后方约3－5倍管径的位置；随着水流速度的增加，冲刷区域逐渐扩大。在局部冲刷过程中，管道前方砂床表面的砂粒随着水流朝着管道方向运动，管道后方砂床表面砂粒随水流远离管道作推移质运动。(2)：管道轻微侧向位移当水流速度增加到一定数

7、值时，管道挤压下方土体产生轻微的侧向位移，然后管道保持静止不动，并且可以维持一段时间(如图3,图4所示)。(3)：管道侧向失稳当水流速度增加到足够大，管道突然产生较大的水平位移而侧向失稳(如图3,图4所示)。试验发现，即使对于较大水下重量的管道，从“管道轻微侧向位移”到“管道失稳”也是在很短的时间内发生的。(a)(b)图2海流作用下管道侧向失稳：(a)管道初始位置,(b)管道侧向失稳(D=0.050m,管道水下重量WS=7.096N/m)图3海流作用下管道侧向失稳的典型位移时间曲线图4单向水流作用下

8、管道侧向失稳的典型过程通过以上水动力模型实验，模拟了单向海流载荷引起管道在砂质海床上发生侧向失稳的典型过程，这较好地反映了“海流－管道－海床”三者之间的流固土耦合作用。基于相似理论，可获得描述海流载荷下管道侧向稳定性的流固土耦合经验关系式[7]。上述小尺寸水动力模型的实验结果在工程应用时，需要现场实验或较大尺寸室内模型实验的验证。下文将进一步介绍大尺寸机械加载模型实验的情况。在接近于现场管道尺寸的机械加载实验中，便于测量分析管道侧向失稳过程中管道嵌入深度和侧向土阻力随