CN110441028B - 一种可模拟海底砂土液化导致的滑坡和冲击的实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可模拟海底砂土液化导致的滑坡和冲击的实验装置，包括自动撒砂装置、土体液化装置、测量***、数据采集***、吊机和用于置放实验装置的机架。吊机用于抬升水槽到指定角度。自动撒砂装置安装在水槽正上方，用于生成滑槽内的砂样，其中千斤顶安装在水槽支架上方，与液压控制***相连接，千斤顶可以产生驻波，使土体液化，发生流动，冲击海底管道。通过各类传感器监测滑坡体的运动特性及海底管道的受荷。水槽侧面和顶部的高速相机用于记录滑坡体的运动形态。本装置可以实现海底滑坡后对海底管道的破坏监测，通过对比工况组合的数据，得到滑坡体的运动特性和与结构物作用的机理，为海底滑坡的防治提供科学的依据和指导。

Description

一种可模拟海底砂土液化导致的滑坡和冲击的实验装置

技术领域

本发明涉及海洋工程建设领域，具体涉及一种模拟海底中砂土液化导致的滑坡和对结构物冲击的实验装置，可用于室内测量海底中发生滑坡后对海底管道冲击的荷载，为海洋工程建设提供一定的指导。

背景技术

海洋蕴藏着极其丰富的能源，包括海洋石油、天然气、可燃冰、海洋再生能源(风能、潮汐能、潮流能和波浪能)等。以开发、利用、保护、恢复海洋资源为目的的海洋工程建设是我国未来经济发展的重要方向。在影响海洋陆坡地质环境安全的灾害因素中，海底滑坡是具有直接活动性、危害性最大的一种。它的发生不仅可以重塑陆坡区地质环境，严重破坏油气开发平台、油气管道、海底通讯电缆等重要设施，对海洋工程建设造成巨大的困难；还会引发天然气水合物资源的大量分解，造成海洋环境的恶化，引起海浪涡旋和海啸。也就是说海底滑坡所产生的影响在本质上控制着一个区域的地质灾害风险。因此，全面深入地研究认知近海滑坡的形成机制、影响因素以及风险评价方法，对于保障我国海洋能源开发、海洋空间利用中的工程设施建设意义重大。

目前对海底滑坡的研究主要集中在滑坡的几何形态意识、结构分析与触发因素的定性研究等方面，但由于研究的困难性，对于海底滑坡的定量研究、滑坡机制和动力学的数值-物理方面仍有很多的工作要做。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种可模拟海底砂土液化导致的滑坡和冲击的实验装置，为工程近一步的解决海底滑坡灾害问题提供一定的指导。

本发明的目的是通过如下技术方案实现的：

一种模拟海底中砂土液化导致的滑坡和对结构物冲击的实验装置，包括自动撒砂装置、土体液化装置、测量***、数据采集***、吊机和用于置放实验装置的机架；吊机与固定板一端相连，测量***与数据采集***相连；所述机架包括立柱、承台、多个水槽支架、置放在承台上的固定板和固定在固定板上的水槽；立柱位于吊机和水槽的中间并竖直固定在固定板上；多个水槽支架焊接固定在水槽上；自动撒砂装置包括电机和出口向下的料箱，所述料箱一端与电机相连，电机通过一螺钮固定在立柱上；料箱出口处设置有一活塞；所述土体液化装置包括两个运动方向相反的千斤顶及用于控制千斤顶运动的液压控制***；两个千斤顶朝下，通过水槽支架依次固定在水槽顶，千斤顶与自动撒砂装置位于同一侧；液压控制***固定在水槽支架上；所述测量***包括置放在水槽中的海底管道、用于测量海底管道受荷的轴力传感器、用于测量滑坡体的流深的位移传感器、用于监测孔压的孔压传感器、用于测量沙土液化情况的弯曲元和用于记录水槽内的流动形态的多个高速相机；轴力传感器固定在海底管道表面，位移传感器和颗粒分度仪传感器的安装位置与自动撒砂装置位于同一侧，通过水槽支架固定在水槽顶；孔压传感器安装在水槽底部，弯曲元安装在自动撒砂装置下方水槽的侧壁上；多个高速相机固定在水槽支架上，高速相机至少一个安装在与自动撒砂装置同一侧的水槽顶，至少一个安装在海底管道周围的水槽侧壁上。

进一步地，所述料箱出口下端还安装有一用于控制下落砂子的粒径的漏网。

进一步地，数据采集***包括计算机和数据采集仪。数据采集仪连接各个传感器，计算机数据进行分析处理并根据用户设置发布指令。

进一步地，所述实验装置还包括安装在高速相机周围的照明灯。

本发明的有益效果是：本发明的实验装置通过千斤顶和水槽造波产生不同波高的波浪，水槽侧壁的弯曲元可以监测到砂样的孔隙变化，为砂样的液化程度甚至海底滑坡的发生提供一定的评估。之后，滑坡体在重力作用下会向下滑动，冲击海底结构物比如海底管道，而轴力测力计可以记录结构物受到的冲击荷载，同时其他传感器可以监测到其他状态量，高速相机直接记录了滑坡体对海底结构物冲击的整个过程。因此该水槽装置为量化滑坡体与结构物的作用提供了可能。

附图说明

图1是推板式造波机原理示意图；

图2是本发明的结构示意图(正面图)；

图3是本发明的结构示意图(俯视图)；

图4是本发明的结构示意图(侧视图)；

图5是本发明的数据处理流程图；

其中，1.水槽支架、2.高速相机固定支架、3.高速相机、4.海底管道、5.轴力传感器、6.承台、7.颗粒分度仪传感器、8.照明灯、9.孔压传感器、10.位移传感器、11.液压控制***、12.千斤顶、13.固定板、14.料箱、15.砂样、16.立柱、17.活塞、18.漏网、19.螺钮、20.电机、21.吊钩、22.吊绳、23、吊环、24.弯曲元。

具体实施方式

由于海底地形的独特性和不可控制性以及大型海底滑坡实验的高成本性，从而阻碍了对海底滑坡的产生以及滑坡体与海底结构物的作用机理的认识，无法对海底滑坡灾害的防治提供合理的指导。目前尽管有一些海底滑坡定性的野外观测结果，但是我们仍需要通过大量定量的研究为海底滑坡的产生和冲击过程提供科学的量化标准。而可重复和可控制的室内小型水槽实验为我们认识滑坡体的冲击机理提供了可能。

如图1、2和3所示，一种模拟海底中砂土液化导致的滑坡和对结构物冲击的实验装置，包括自动撒砂装置、土体液化装置、测量***、数据采集***、吊机和用于置放实验装置的机架；吊机与固定板13一端相连，测量***与数据采集***相连；所述机架包括立柱16、承台6、水槽支架1、置放在承台6上的固定板13和固定在固定板13上的水槽；立柱16位于吊机和水槽的中间并竖直固定在固定板13上；水槽支架1焊接固定在水槽上；自动撒砂装置包括电机和出口向下的料箱14，所述料箱14一端与电机相连，电机通过一螺钮固定在立柱16上；料箱14出口处设置有一活塞17；所述土体液化装置包括两个运动方向相反的千斤顶12及用于控制千斤顶12运动的液压控制***；两个千斤顶12朝下，通过水槽支架1依次固定在水槽顶，千斤顶12与自动撒砂装置位于同一侧；液压控制***固定在水槽支架1上；所述测量***包括置放在水槽中的海底管道4、用于测量海底管道4受荷的轴力传感器5、用于测量滑坡体的流深的位移传感器10、用于监测孔压的孔压传感器9、用于测量沙土液化情况的弯曲元24和用于记录水槽内的流动形态的多个高速相机3；轴力传感器5固定在海底管道4表面，位移传感器10和颗粒分度仪传感器7的安装位置与自动撒砂装置位于同一侧，通过水槽支架1固定在水槽顶；孔压传感器9安装在水槽底部，弯曲元24安装在自动撒砂装置下方水槽的侧壁上；多个高速相机3固定在水槽支架1上，高速相机3至少一个安装在与自动撒砂装置同一侧的水槽顶，至少一个安装在海底管道4周围的水槽侧壁上。

本发明中使用千斤顶的往复运动产生驻波，从而模拟海底中砂土液化过程，其造波原理接近推板式造波机的原理，如图1所示。目前，线形理论广泛用于波浪水槽中Themethod and properties of waves generated by serpent-type wave-maker、Extensionof the effective test area of multi-directional waves by side wallreflections.、Analysis of wave generators and absorbers in basins.，忽略流体的粘性和可压缩性，以微波理论为基础，张忆(2017)等人提出造波机最大负载功率P_(max)和造波参数的关系：

式中S_max表示波的最大行程；F_max表示最大负载力；Fp_max表示最大波压。其中S_max,F_max,Fp_max计算式如下：

Fp_max＝ωS_max×D_a×d

式中，H_b表示最大破碎波高，A表示推波板运动形成的一半；m表示造波机运动结构的质量；ω表示波浪的角频率；d表示推波板的宽度；D_a,m_a为中间变量。

式中，ρ表示水的密度；k为波数；h为水深；k_n为中间变量由下式决定：

ω²+k_ng tan(k_nh)＝0

因此，本装置通过千斤顶12造波可以在水槽内造出不同波长和波高的波浪，模拟实际波浪对海底砂样的作用效果，并通过水槽侧壁的弯曲元24可以监测到砂样15的孔隙变化，为砂样的液化程度甚至海底滑坡的发生提供一定的评估。之后，滑坡体在重力作用下会向下滑动，冲击海底结构物比如海底管道4，而轴力传感器5可以记录结构物受到的冲击荷载，为评估海底砂样液化程度提供量化标准。同时其他传感器可以监测到其他状态量，高速相机直接记录了滑坡体对海底结构物冲击的整个过程。

作为优选，所述料箱14出口下端还安装有一用于控制下落砂子的粒径的漏网18。所述实验装置还包括安装在高速相机3周围的照明灯8，用于补光，使照相机拍出来的照片更加清晰。

另外，如图5所示，数据采集***包括计算机、程序控制软件和数据采集仪。数据采集仪连接各个传感器，将采集的数据传输至计算机通过程序软件对数据进行分析处理。

下面简述一下采用本发明装置的实验过程：

通过螺钮19调整自动撒砂装置在立柱16上的高度，照明灯8也安装在水槽支架1上，将轴力传感器5固定在海底管道4表面，位移传感器10和颗粒分度仪传感器7的安装位置与自动撒砂装置位于同一侧，通过水槽支架1固定在水槽顶；孔压传感器9安装在水槽底部，弯曲元24安装在自动撒砂装置下方水槽的侧壁上；将各传感器与数据采集***和计算机相连；高速相机3固定在水槽支架1上，一个安装在与自动撒砂装置同一侧的水槽顶，一个安装在海底管道4周围的水槽侧壁上。

将砂子放到料箱里，打开与料箱14连接的电机20，根据砂子的密实度，调节电机20的振动频率，打开料箱14底部的活塞17，砂子会在重力作用下自由下落，同时可以根据需要调节料箱14底部漏网18的孔隙，控制下落砂子的粒径；

待砂样覆盖弯曲元24后，砂样15生成，通过吊机把固定板13抬起使装置抬升到相应角度，然后从水槽低的一端缓慢注入水至完全浸没砂样15；

等到水面静止后，通过液压控制***控制两个千斤顶12上下往复运动，产生驻波，直至使土体液化发生流动，模拟海底中砂样土液化导致的滑坡和对结构物的冲击。整个过程通过测量***的位移传感器10测量滑坡体的流深，轴力传感器5测量海底管道4的受荷，孔压传感器9监测孔压，颗粒分度仪传感器7测量滑坡体的颗粒的分布、弯曲元24测量砂土液化程度以及通过高速相机3记录水槽内的流动形态，包括滑坡体的运动形态和海底管道4的变形形态等。并通过数据采集***获得相关数据。一组实验完成，控制吊机降下固定板13，使水槽恢复水平位置，仔细清理水槽，准备下一组实验。

通过在不同的实验组别中设置不同级配和密实度的砂样、不同倾角的水槽的工况组合，得到大量详细的测量数据，对数据进行对比分析，可以得到滑坡体的运动特性和与结构物作用的机理，为海底滑坡的防治提供科学的依据和指导。

Claims (4)

1.一种可模拟海底中砂土液化导致的滑坡和对结构物冲击的实验装置，其特征在于，包括自动撒砂装置、土体液化装置、测量***、数据采集***、吊机和用于置放实验装置的机架；吊机与固定板(13)一端相连，测量***与数据采集***相连；所述机架包括立柱(16)、承台(6)、水槽支架(1)、置放在承台(6)上的固定板(13)和固定在固定板(13)上的水槽；立柱(16)位于吊机和水槽的中间并竖直固定在固定板(13)上；多个水槽支架(1)焊接固定在水槽上；自动撒砂装置包括电机和出口向下的料箱(14)，所述料箱(14)一端与电机相连，电机通过一螺钮固定在立柱(16)上；料箱(14)出口处设置有一活塞(17)；所述土体液化装置包括两个运动方向相反的千斤顶(12)及用于控制千斤顶(12)运动的液压控制***；两个千斤顶(12)朝下，通过水槽支架(1)依次固定在水槽顶，千斤顶(12)与自动撒砂装置位于同一侧；液压控制***固定在水槽支架(1)上；所述测量***包括置放在水槽中的海底管道(4)、用于测量海底管道(4)受荷的轴力传感器(5)、用于测量滑坡体的流深的位移传感器(10)、用于监测孔压的孔压传感器(9)、用于测量沙土液化情况的弯曲元(24)和用于记录水槽内的流动形态的多个高速相机(3)；轴力传感器(5)固定在海底管道(4)表面，位移传感器(10)和颗粒分度仪传感器(7)的安装位置与自动撒砂装置位于同一侧，通过水槽支架(1)固定在水槽顶；孔压传感器(9)安装在水槽底部，弯曲元(24)安装在自动撒砂装置下方水槽的侧壁上；多个高速相机(3)固定在水槽支架(1)上，高速相机(3)至少一个安装在与自动撒砂装置同一侧的水槽顶，至少一个安装在海底管道(4)周围的水槽侧壁上。

2.如权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述料箱(14)出口下端还安装有一用于控制下落砂子的粒径的漏网(18)。

3.如权利要求1所述的实验装置，其特征在于，数据采集***包括计算机和数据采集仪；数据采集仪连接各个传感器，将采集的数据传输至计算机分析处理。

4.如权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述实验装置还包括安装在高速相机(3)周围的照明灯(8)。

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