噴射式挖溝機挖溝能力模型試驗研究

噴射式挖溝機挖溝能力模型試驗研究

隨著海洋油氣資源的開發(fā)，海床上的油氣管道越來越多。如何在海床上挖掘油氣管道已成為一個眾所周知的問題。噴射式挖溝機適用于海底管道周圍地質情況比較復雜的施工環(huán)境,目前在國內應用廣泛。噴射式挖溝機一般裝備大功率軸流泵,通過對海底土體進行射流沖刷來進行海底挖溝作業(yè)。雖然國內外學者對射流沖刷進行了系統(tǒng)研究,但是對海底挖溝施工作業(yè)時各因素對挖溝能力影響的研究甚少,且處理此類問題的方法大多是經驗性的。因此,通過模型試驗系統(tǒng)地研究不同因素對挖溝效果的影響,便于對海底挖溝機的設計和施工進行優(yōu)化。1試驗和組配置1.1試驗設備和試驗步驟試驗沙池長6m、寬5m、高2m,埋沙深度1m,采用鋼管模擬海底管道。試驗沙池外圍設置深1.2m的供水池,為試驗提供水源。在試驗沙池上安裝兩根間距1m的鋼軌作為平臺移動軌道,在軌道上安置可沿軌道運動的平臺,以變頻電機作為其動力裝置,平臺最大移動速度為1.6cm/s(圖1)。平臺上安裝自制的測量裝置,該裝置由多根測深桿組成,各測深桿可同時搖起或放下,測量沖溝斷面的幾何形狀。選用兩臺最大流量為140m3/h的水泵作為試驗用泵,并配以相應的變頻控制系統(tǒng),以調節(jié)水泵的工作流量。水泵吊裝在高于水面的軌道上(軌道高于水面是為了避免試驗時流出的泥沙阻塞軌道),并通過管道系統(tǒng)與安裝在平臺上的噴管相連,使水泵能夠與平臺同步運動(圖2)。在試驗管道系統(tǒng)的適當位置安裝電磁流量計,以監(jiān)控試驗時水泵的工作流量。試驗步驟:(1)平整泥沙;(2)向試驗水池中緩慢放水后靜置,直至泥沙密實;(3)開始移動沖刷試驗,同時,在一定位置進行泥沙取樣,測量泥沙質量分數;(4)沖刷完成后,平臺反方向運動,依次測量4~5個斷面的幾何尺寸,每個斷面測量的間隔為32cm;(5)平臺在最后一個測量斷面停止運動,連續(xù)測量該斷面隨時間的變化情況,直至其幾何形狀基本穩(wěn)定,達到平衡狀態(tài)。1.2模型沙的選取試驗模型按重力相似準則設計,幾何比尺取正態(tài)比尺λd=λl2.5=6.85,流速比尺λv=λd0.5=2.62,流量比尺λQ=λd2.5=6.85,水流時間比尺λt=λd2.5=2.62。其中λl為長度比尺。試驗成果能否用于指導工程實踐,模型沙的選取十分關鍵。根據經驗,鐵板沙是一種特殊的泥沙沉積物,沉積后的泥沙硬如“鐵板”,不易起動和破壞,較難成溝,因此選擇鐵板沙作為試驗原型沙。在選擇模型沙時,為使沖刷相似,應該滿足起動相似條件,即λv=λu=2.62,其中λu為起動流速比尺。調研發(fā)現,較難起動的鐵板沙的最大起動流速約為70cm/s,因此模型沙應選起動流速約為30cm/s、粘性較小的粉沙。取盤錦市大洼縣遼濱經濟區(qū)南端、大遼河入海口,中值粒徑為0.06mm的泥沙作為試驗沙。該泥沙的起動流速較小(35cm/s),動水沉降速率很大,如在1kg/m3初始含沙量下,20cm/s流速100%沉降速率為0.074cm/s,30%沉降速度可達0.135cm/s。泥樣密實速率很快,7h后即進入密實階段,大大縮短了試驗周期。1.3不同工藝條件對溝槽沖刷效果的影響試驗分別考察了3組噴口流速Vj和兩組挖溝機行進速度Vs對沖刷效果的影響(表1)。在試驗過程中,海底管道、噴口口徑、噴口與泥面的距離以及試驗底質均保持不變。2試驗結果與分析2.1最大測深t考察流速對沖溝的影響,對射流式挖溝機的優(yōu)化設計有著重要意義。根據不同流速下最大測深的歷時變化(圖3,t>37min),不同工況所對應的最大測深εm變化趨勢基本相似。根據不同流速在t=38min和平衡狀態(tài)時所對應的最大測深(圖4,Vs=50m/h),當t=38min時,流速的增大會使最大測深顯著增加;在平衡狀態(tài),流速從9.8m/s增大至12.59m/s時,流速對最大測深的增加產生明顯影響,但流速從12.59m/s增大至14.91m/s時,最大測深幾乎沒有變化。由此可見,流速的增加會對沖刷過后的某一時間段內的最大測深產生顯著影響,但當沖溝達到平衡狀態(tài)和流速達到一定時,流速對最大測深的影響很小。2.2挖溝機運行狀態(tài)分析挖溝機行進速度的大小也是影響其挖溝能力的重要因素。當t>37min且Vj相同時,Vs分別為50m/h和100m/h所對應最大測深的歷時變化趨勢非常相似(圖5)。由工況1和工況2中處于平衡狀態(tài)下的斷面(圖6)可知,挖溝機行進速度增大1倍,溝深僅僅小幅變淺,而溝寬卻明顯變窄;說明挖溝機行進速度在一定范圍內變化時,其對溝深的影響很小,但會對溝寬產生明顯影響。2.3沖溝溝型沖溝技術挖溝機作業(yè)時,已成溝區(qū)域上方的海底管道不會馬上沉入溝底,而是在管道有一定懸空長度后,靠管道自身重力作用產生足夠變形后落入溝底。以Vj=12.59m/s、Vs=50m/h工況為例,分析沖溝斷面的歷時變化。根據工況3中前38min斷面的變化情況(圖7),沖刷之后7~38min左右,測深明顯變淺,而溝寬明顯變寬,其原因主要是:在這段時間內,沖溝在水流或自身重力作用下發(fā)生滑坡或塌方。在該時間段內,泥沙在噴口離開測點的前20min內迅速沉降,到32min時,水中泥沙質量分數已小于1%,因此,泥沙落淤也是使沖溝測深變淺的原因之一。根據同一斷面在噴口離開該斷面后38min至平衡狀態(tài)的變化情況(圖8)。在t=44~55min時間段內,斷面測深變淺的速度很快,而溝頂寬度無明顯變化,說明該時間段內未出現明顯的滑坡或塌方現象。由于水中泥沙質量分數很小,沖刷懸起的泥沙基本完成落淤,該因素對測深變化的影響微小。泥沙在該時間段內快速密實,會使測深桿量得的測深數據顯著減小,因此該時間段內沖溝測深的變化應為泥沙密實所致。綜上所述,可得出以下結論:當流速達到一定程度時,增大流速雖能使剛沖刷后的最大溝深有所增加,但很難使已達到平衡狀態(tài)斷面的最大深度有明顯增加。因此,工程中選用功率適當的射水泵,可大大減少資金投入。在兩種不同行進速度下沖溝最大測深的歷時變化過程非常相似;行進