摘要
海底管道是连接海洋与陆地进行油气资源输运的主要设施，在近海和浅海区域，其通常需要进行一定的埋深，即挖沟埋管，这主要是为了防止船舶作业等对其造成破坏以及满足用海需求。最常用的挖沟埋管方式为预挖沟法或者采用射流冲喷的后挖沟法，但是波浪潮流等环境对预挖沟沟槽的冲刷淤积以及对冲喷开沟过程的影响规律并不清晰，产生了预挖沟沟槽及管道破坏和射流冲喷形成的沟槽不可控等问题，对工程造成了重大的损失。因此本文针对以上两个问题进行深入分析，厘清预挖沟沟槽对海管冲刷淤积的影响、分析射流冲喷过程和其影响因素，为近海海底管道铺设提供技术支撑。 本文以N-S方程为控制方程，采用RNG k-ε湍流模型，应用非粘性泥沙理论，建立了海底管道冲刷和射流开沟数字化模型。首先对比均匀流下的海管局部冲刷结果和圆形射流冲刷结果，验证了所建立模型的准确性，随后开展了海底管道在4种不同沟槽中冲刷问题数值模拟，对比分析了不同坡角θ下冲刷淤积的规律，进一步开展了海底管道在射流作用下冲喷开沟过程的分析，探究了海管运动、射流流速、坡角和水平水流作用对开沟深度等物理量的影响，取得了以下研究成果： （1）成功建立了研究管道在预挖沟沟槽中冲刷问题、固定射流冲喷开沟过程及影响因素和可垂向运动的射流冲喷开沟问题的三种不同的数值模型，并与物理模型实验进行对比，验证了数值模型的准确性，为接下来的数值研究工作奠定基础。 （2）管道局部冲刷程度受流速和床面剪切应力控制。与平底海床相比，海底管道放置在预挖沟槽中能减小冲刷和淤积效果，但是在来流一侧坡肩和边坡位置出现冲刷和淤积问题。随着预挖沟槽坡角θ的增大，管道下方冲刷深度和后方淤积厚度越小，来流一侧相应位置的冲刷和淤积程度增大。综合考虑两个位置的冲刷淤积问题得到，预挖沟槽的坡角θ选择在15-20°最为适宜，小于10°则管道下方冲刷严重，大于30°则来流一侧冲刷严重。 （3）对海底管道进行固定射流冲喷开沟将形成“W”形状的沟槽，并且证明沟槽的形成与动水压强和床面剪切应力有关；管道的自动下沉对沟槽形态的影响主要体现在管道周围且可忽略；射流流速对沟槽的深度和宽度起着主导作用，可通过调节射流流速达到对沟槽形态的需求；水平水流对于射流冲喷过程的影响不可忽略，其使来流一侧冲喷深度减小了1/4倍管径、淤积厚度增加了1/2倍管径，这对冲喷开沟过程产生了不利影响。 （4）建立了一种可垂向运动的射流冲喷开沟数值模型，此模型可以更加准确地模拟实际工程中的后挖沟过程。射流和管道的同步下沉有助于增大沟槽深度，尤其在管道正下方位置处，与固定射流冲喷相比增加了0.5倍管径。而管道的局部下沉造成沿管道方向淤积厚度增加1/2倍管径，这将对射流冲喷开沟造成不利影响。 （5）预挖沟槽的存在对射流冲喷开沟过程的影响主要体现在冲喷深度和边坡角度。随着预挖沟槽坡角的增大，冲喷形成的边坡角度逐渐增大；但是当预挖沟槽的坡角小于20°时，冲喷深度基本保持不变。进一步证明，当预挖沟槽坡角在15-20°时，既可以减小水流对沟槽和海管的冲刷作用，也不影响后挖沟进度。
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