针对海底管道的仿生草防护措施试验研究

作     者：王启凡 

作者单位：天津大学 

学位级别：硕士

导师姓名：白志刚

授予年度：2019年

学科分类：081505[工学-港口、海岸及近海工程] 08[工学] 0815[工学-水利工程] 0824[工学-船舶与海洋工程] 0814[工学-土木工程] 082401[工学-船舶与海洋结构物设计制造] 

主      题：海底管道防护 仿生草 系列比尺 泥沙冲刷试验 

摘      要：海底管道是连接海上油气田与陆地的重要油气输送通道。由于管道所处环境受各种自然、人为因素影响,管道周边稳定的流场很容易被破坏,造成海床的冲刷侵蚀,使管道出现裸露甚至悬空。悬空的管道会在重力作用下发生变形,并在海流作用下产生涡激振动,造成管道结构的疲劳损伤,带来巨大的安全隐患。仿生草防护技术,是基于海洋仿生学原理而开发研制的一种海底防冲刷技术。实践表明仿生草能够有效降低海流速度,保护海床防止冲刷并促进泥沙在草内淤积。本文以舟山册子岛--镇海海底管道为案例,提出了一种新型式的羽状叶仿生草防护措施,具有更好的阻流能力和较低的材料成本。通过水槽造流试验,对三种不同型式的仿生草的阻流效果进行了观测对比,并探究了高度、密度变化对羽状叶仿生草阻流效果的影响。结果表明羽状叶仿生草具有最高的阻流率,在近似工况下羽状叶仿生草（阻流率约90%）阻流能力优于条带状仿生草（阻流率约78.7%）。相对草高（仿生草高度/水深）与阻流率呈正相关,一定工况下,仿生草高度与密度均存在最优值,超过最优值后继续增加草高和密度,阻流效率增幅有限,收益很小。铺设仿生草后,仿生草内部流速大幅降低,在草上缘处出现10cm高度的流速激增区,最大增幅约25%,断面整体流速呈现反S型分布。根据舟山地区实测水文资料,设计了管道泥沙冲刷试验,验证了羽状叶仿生草对管道的防护效果。经过泥沙颗粒分析及泥沙起动试验分析,选用了曹妃甸地区的泥沙作为冲刷试验原型沙。采用系列比尺模型试验法,在15:1、20:1、25:1三个几何比尺下,观测了仿生草铺设前后管道的冲刷状况,在双对数坐标下将拟合结果外推到了原型中。结果表明,在舟山地区水文环境下,布设羽状叶仿生草能有效保护管道:单向恒定流下,模拟日最大落潮流速和极端条件最大流速时,仿生草出现不同程度冲刷,管道基本不会出现裸露;模拟潮汐往复流时,仿生草内泥沙冲淤平衡,管道防护效果良好。羽状叶仿生草阻流促淤效果良好,具有很高的应用价值。本文对羽状叶仿生草的防护效果及其影响因素进行了分析,为其未来的推广应用提供了一定的参考依据。