一种海底管缆埋设射流开沟过程模拟试验装置

本发明属于海洋岩土工程及船舶与海洋工程领域，具体涉及射流冲刷土体的试验装置。

背景技术：

1、海洋资源能源开发工程中，各种海上结构物之间或海上结构物与陆地之间一般通过管线、电缆或光缆传送油气资源、电力资源或通信，海底管缆是陆海之间能源、电力和信息传递最为经济可靠的输送方式。在海底管缆运营过程中，波浪作用、生物撕咬、海水腐蚀、船舶锚泊和渔业活动均有可能对其造成破坏。英国parloc数据库中统计了英国北海海底管道事故，76％的事故源自于渔业活动、悬跨、埋设条件、施工等原因。上述的各种问题大多数都能通过将管缆进行一定深度的挖沟埋设来避免。所以，海底管道埋设已经成为海洋工程中的重要环节。

2、海底开沟和管道埋设作业的主要设备为海底挖沟机。开沟机通常根据其开沟方式的不同主要分为水力射流式、犁式以及机械式三种。犁式开沟机构造简单，主要通过水面平台的拖曳力将海床破坏，形成沟槽，但其需要母船拖行，受海底粘土的承载力限制较大；机械式开沟机适用范围广，可以对淤泥、砂土、黏土等各类土质开展作业，但其结构复杂、易损坏且维修作业成本较高、体型和重量较大、耗能多、易受海流影响；射流式开沟机利用高压射流破坏海床形成沟槽，达到海底开沟的目的。综合比较，射流式开沟机具有适用土质范围广、作业简单高效、与土壤直接接触部件少、维修成本低的优点，而且其结构复杂度和功能完备性较为平衡，在海底挖沟铺管作业中应用最为广泛。通过多遍开沟，可以将海管埋置于指定深度处。目前，研究射流式开沟机性能的主要方法是室内物理模型试验。但是射流开沟过程复杂，射流对土体的侵蚀机理尚不明晰，实际施工时工程师多以经验判断开沟状态，所以目前急需开发一种可以模拟实际多遍射流开沟全过程的试验装置，用于研究水下开沟过程所涉及的水土耦合机理。此项研究有望提高开沟铺管工程施工效率，节省施工成本，对海洋工程意义重大。

技术实现思路

1、为了模拟工程现场真实情况，室内水下射流开沟物理模型试验需要满足如下方面要求：

2、1)可以模拟调节不同射流喷嘴大小、喷嘴个数、射流角度、射流速度、射流靶距、以及喷嘴移动速度；

3、2)对于土质来说，可以制备砂性土质及黏性土质；

4、3)可以实时观测射流成沟过程中沟体内部水土耦合情况；

5、4)可以监测动态及静态沟型；

6、5)可以保持清水冲刷过程。

7、本发明提出了一种可以满足以上要求的射流开沟试验装置，为海洋工程挖沟及埋置管线等实际施工提供科学指导。

8、本发明的技术方案：

9、一种海底管缆埋设射流开沟过程模拟试验装置。包括供电及驱动系统i、管路及射流喷嘴ii、模型箱及水箱系统iii。

10、供电及驱动系统i包括集成式控制系统1、电线2、电磁流量计3、水泵4。这些装置是涉及到供电的装置。其中集成式控制系统1通过电线2与电磁流量计3、水泵4、电动马达及轨道12相连，集成式控制系统1用于控制水泵4的开关、控制电动马达及轨道12的平移速度，以及记录电磁流量计3的流量，是一个集供电与控制、采集为一体的操作系统。电线2用于给电磁流量计3、水泵4、电动马达及轨道12供电及传输信号。电磁流量计3设置于主管路5上，用于记录实时的主管路5中流量大小。水泵4置于水箱14中，用于将水箱14中的水供给到喷嘴9。

11、管路及射流喷嘴ii包括主管路5、分管路6、阀门a7、阀门b8，装配式喷嘴9、溢流管10。主管路5的作用是将水泵4抽起的水输送至喷嘴9以及分管路6入口处，电磁流量计3和阀门b8位于喷嘴9与分管路6入口之间。分管路6最终回流至水箱14中，阀门a7设置于分管路6上。主管路5先经过电磁流量计3(流量与流速换算公式为q＝va)，再经过阀门b8，最终供水至喷嘴9。使用阀门a7和阀门b8配合调控开度大小以达到控制射流流量大小的目的。

12、进一步地，主管路5是柔性管，因此调整滑台13在控制喷嘴9移动的过程中，并不会影响到主管路5。

13、溢流管10的两端分别连接模型箱11的高水位处及水箱14的顶部，模型箱11中的水位到达高位置时，水从溢流管10流回水箱14，如此既可以控制恒定水位，也可以实现水循环利用的效果。

14、进一步地，装配式喷嘴9设计可以自由更换不同直径大小的万向喷嘴，既可调整喷嘴直径，也可通过三通等连接件来调整喷射角度及喷嘴个数(见图2)。

15、模型箱及水箱系统iii包括模型箱11、电动马达及轨道12、调整滑台13、水箱14、过滤系统15。模型箱11放置于水箱14的上方，保证模型箱11内的水溢流能回到水箱14。模型箱11的顶面开放，正面采用透明的钢化玻璃，以便清晰看到射流与土体相互作用的内部发展情况。喷嘴9与调整滑台13连接，调整滑台13与电动马达及轨道12连接，电动马达及轨道12、调整滑台13的组合能让喷嘴9在xyz空间内任意移动，由此可以调整喷嘴9与土体之间的射流距离。

16、进一步地，电动马达及轨道12固定在模型箱11上部长度方向上，调整滑台13固定于轨道的滑块上(见图4)，滑块能够通过电动马达的驱动带动调整滑台13在轨道上移动，实现喷嘴9的x方向移动。

17、进一步地，调整滑台13包括横板、竖板，横板的一端与轨道的滑块固定，横板的一侧面上开设滑道a，连接块a的一端能够在滑道a上滑动，连接块a的另一端与竖板一侧面固定，竖板通过连接块在横板上做y方向的移动，并通过定位销定位。竖板另一侧面上开设滑道b，连接块b的一端能够在滑道b上滑动，连接块b的另一端与喷嘴9固定，喷嘴9能够通过连接块b在竖板上做z方向的移动，并通过定位销定位。

18、进一步地，装配式喷嘴9是由一段钢性管与喷嘴组成的，刚性管出口部分是喷嘴端，可以自由更换不同型号的喷嘴，刚性管和调整滑台13刚性连接，刚性管的入口端是和主管路5连接。

19、与水箱14连接的入口处设置过滤系统，模型箱11中的水位达到一定高度时，从溢流管流回水箱14，先经过过滤系统15，将经过水体中的悬浮泥土颗粒过滤，使得水泵4抽入模型箱11中的水保持清澈。

20、本发明的有益效果：

21、1)本发明所提系统可使用电动马达及滑轨12精确控制射流开沟的喷嘴行进速度，使用调整滑台13控制喷嘴和土面之间的冲击距离，也可以通过装配式喷嘴9来调整喷嘴大小及个数。可以模拟所有工程需求；

22、2)本发明所提模型箱一侧采用玻璃壁面，通过喷嘴贴壁射流的方式，可以通过玻璃壁面来观察射流与土体相互作用的内部发展情况，便于观察射流冲刷机理。配合测量声呐使用可以测量动态及静态开沟沟形；

23、3)本发明所提模型箱与水箱有高程差，模型箱内的水达到限定水位以后直接自然而然溢流回水箱并过滤，如此既可以保证恒定水位，也可以保证射流为清澈水流。

技术特征：

1.一种海底管缆埋设射流开沟过程模拟试验装置，其特征在于，包括供电及驱动系统i、管路及射流喷嘴ii、模型箱及水箱系统iii；

2.根据权利要求1所述的一种海底管缆埋设射流开沟过程模拟试验装置，其特征在于，主管路(5)是柔性管。

3.根据权利要求1所述的一种海底管缆埋设射流开沟过程模拟试验装置，其特征在于，装配式喷嘴(9)设计能够自由更换不同直径大小的万向喷嘴，既能调整喷嘴直径，也能够通过三通等连接件来调整喷射角度及喷嘴个数。

4.根据权利要求1所述的一种海底管缆埋设射流开沟过程模拟试验装置，其特征在于，电动马达及轨道(12)固定在模型箱(11)上部长度方向上，调整滑台(13)固定于轨道的滑块上，滑块能够通过电动马达的驱动带动调整滑台(13)在轨道上移动，实现喷嘴(9)的x方向移动。

5.根据权利要求4所述的一种海底管缆埋设射流开沟过程模拟试验装置，其特征在于，调整滑台(13)包括横板、竖板，横板的一端与轨道的滑块固定，横板的一侧面上开设滑道a，连接块a的一端能够在滑道a上滑动，连接块a的另一端与竖板一侧面固定，竖板通过连接块在横板上做y方向的移动，并通过定位销定位；竖板另一侧面上开设滑道b，连接块b的一端能够在滑道b上滑动，连接块b的另一端与喷嘴(9)固定，喷嘴(9)能够通过连接块b在竖板上做z方向的移动，并通过定位销定位。

6.根据权利要求1所述的一种海底管缆埋设射流开沟过程模拟试验装置，其特征在于，装配式喷嘴(9)是由一段钢性管与喷嘴组成的，刚性管出口部分是喷嘴端，能够自由更换不同型号的喷嘴，刚性管和调整滑台(13)刚性连接，刚性管的入口端是和主管路(5)连接。

技术总结一种海底管缆埋设射流开沟过程模拟试验装置，属于海洋岩土工程及船舶与海洋工程领域。包括供电及驱动系统I、管路及射流喷嘴II、模型箱及水箱系统III。本发明可以模拟调节不同射流喷嘴大小、喷嘴个数、射流角度、射流速度、射流靶距、以及喷嘴移动速度；对于土质来说，可以制备砂性土质及黏性土质；可以实时观测射流成沟过程中沟体内部水土耦合情况；可以监测动态及静态沟型；可以保持清水冲刷过程，为海洋工程挖沟及埋置管线等实际施工提供科学指导。技术研发人员：于龙,范泽仁,韩云瑞,杨庆受保护的技术使用者：大连理工大学技术研发日：技术公布日：2024/11/21