[发明专利]一种模拟海底潮流沙波对管道工程影响的装置与实验方法

权利要求书

1.一种模拟海底潮流沙波对管道工程影响的装置，包括实验水槽及生潮系统(1)、地形扫描系统(2)、海底管道模拟测量系统(3)和数据采集处理及控制器(4)，其特征在于：

所述实验水槽及生潮系统(1)包括水槽(11)、循环管道(12)、缓坡沙坑(13)、双向变频水泵(14)、变频控制器(15)和流速仪(16)；所述缓坡沙坑(13)设置于所述水槽(11)中部，其两端凸起、中间凹陷形成用于容纳海沙的容腔，同时凸起部位通过缓坡(17)与水槽底部连接，所述缓坡(17)的高度逐渐减小；所述循环管道(12)设置于所述水槽(11)下侧，其进、出口端分别设置于所述水槽(11)相对的两个端部底面上；所述缓坡沙坑(13)内填充海沙；所述双向变频水泵(14)安装在所述循环管道(12)上，所述变频控制器(15)分别与双向变频水泵(14)及数据采集处理及控制器(4)连接，能依据数据采集处理及控制器(4)的指令控制所述双向变频水泵(14)工作；所述流速仪(16)安装在水槽(11)内部，其与数据采集处理及控制器(4)连接，向其传输水槽(11)内的水流速度；

所述地形扫描系统(2)包括超声地形仪、连接杆(22)和运动装置(23)；所述超声地形仪的探头(21)安装在所述连接杆(22)上，所述连接杆(22)安装在所述运动装置(23)上，由所述运动装置(23)控制其运动轨迹；所述连接杆(22)能通过伸缩的方式改变所述超声地形仪的探头(21)的位置；所述超声地形仪与所述数据采集处理及控制器(4)连接，用于回传缓坡沙坑内的海沙地貌；

所述海底管道模拟测量系统(3)包括管道模型(31)、配重(33)、光纤应变传感器(32)和高速摄像机(34)；所述高速摄像机(34)安装在所述水槽(11)的上方，与所述数据采集处理及控制器(4)相连，用于拍摄并回传缓坡沙坑内海沙(13)的形貌；所述管道模型(31)放置在所述缓坡沙坑(13)内，其局部或全部被海沙掩埋；所述管道模型(31)内部设有配重(33)；所述光纤应变传感器(32)固定设置于所述管道模型(31)的侧壁上，且与所述数据采集处理及控制器(4)相连，用于将检测到的管道模型(31)应变数据回传。

2.如权利要求1所述模拟海底潮流沙波对管道工程影响的装置，其特征在于：所述运动装置(23)包括设置于所述水槽(11)槽壁上的轨道、能沿所述轨道运动的滚轮装置、以及驱动所述滚轮装置运动的电机。

3.如权利要求1所述模拟海底潮流沙波对管道工程影响的装置，其特征在于：所述循环管道(12)与所述缓坡沙坑(13)的长边相平行。

4.如权利要求1所述模拟海底潮流沙波对管道工程影响的装置，其特征在于：所述缓坡(17)的横截面为类直角三角形，高度与底边的比为1:15～25。

5.如权利要求1所述模拟海底潮流沙波对管道工程影响的装置，其特征在于：所述缓坡沙坑(13)内的海沙局部为沙堆。

6.如权利要求1所述模拟海底潮流沙波对管道工程影响的装置，其特征在于：所述光纤应变传感器(32)有多个；优选，所述光纤应变传感器(32)有多个，其沿轴向上分布在所述管道模型(31)的多个位置，且在每个位置的周向上均匀分布；更优选，所述光纤应变传感器(32)有多个，其沿轴向上分布在所述管道模型(31)的多个位置，且在每个位置的周向上均匀分布有四个。

7.如权利要求1所述模拟海底潮流沙波对管道工程影响的装置，其特征在于：所述管道模型(31)为PVC管，所述配重(33)为水或海沙。

8.一种模拟海底潮流沙波对管道工程影响的实验方法，其特征在于包括如下步骤：

1)将沙样装入缓坡沙坑(13)，将沙面总体整平之后，在沙面的局部区域加工成微小的凸起或沟槽；

2)在不影响缓坡沙坑(13)内沙样状态的条件下，向水槽(11)内缓慢注水，达到实验要求深度；

3)利用变频控制器(15)预设往复流的周期和最大流速，控制双向变频水泵(14)工作，在水槽(11)内形成往复流；

4)利用流速仪(16)和超声地形仪探头(21)进行采集缓坡沙坑内形貌，并将采集到的数据传输至数据采集处理及控制器(4)；

5)当沙样形成模拟的海底沙坡后，放空水槽(11)内的水，将管道模型(31)铺设在海底沙坡上，重新加入水至原高度，在水槽内形成往复流，模拟潮流场；

6)利用流速仪(16)、超声地形仪、高速摄像机(34)和光纤应变传感器(32)，对水的流速、缓坡沙坑内形貌以及海底管道运动及变形进行同时观测；并将采集到的数据传输至数据采集处理及控制器(4)进行分析处理。