管线穿越河流的相似材料模拟实验装置及测试方法技术领域
本发明涉及相似材料模拟实验技术领域，具体涉及一种管线穿越河流的相似材料
模拟实验装置及测试方法。
背景技术
河底、海底管道(尤其是用于输送油气的管道)工作环境恶劣，一旦管壁上产生过
大的缺陷则有可能导致管道的破损、泄漏，后果严重。为了避免这一情况的发生，需要定期
不定期地对管道进行检测，以期尽早地发现缺陷，并及时修补和更换缺陷管道。
相似材料模拟是科学实验的一种，建立在相似理论基础上，用与物理力学性质相
似的人工材料，按照管道与河床实际原型，遵循一定比例缩小做成相似模型，观察管线的变
形、位移，破坏和压力情况，加以分析，推测原型中所发生的情况。目前，公知的相似材料模
拟实验装置多为由边框架、实验机台、侧向支梁结构构成的二维或三维实验装置，大多用于
矿山开采过程中地层运动变形领域及地应力实时检测的研究，其效果显著。但是管线穿越
河流的相似材料模拟实验的研究却较少。
目前国内外对管道穿河段的检测大多采用管道的外检测技术，即将检测设备放在
管道外部，了解管道情况，这类方法虽然能够实现不开挖，不影响正常工作的情况下对穿河
管道进行检测，属于间接管道检测，但是存在现场检测环境复杂、检测设备成本极高，得到
的检测数据与实际数据误差较大的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种结构简单、操作简便、可模拟监测河床下管线整体或局
部位移与应力变化、检测方法简单、检测结果准确的管线穿越河流的相似材料模拟实验装
置及测试方法。
本发明的技术方案如下：
一种管线穿越河流的相似材料模拟实验装置，包括水循环系统、介质循环系统、模
拟箱和数据采集系统；所述模拟箱的底部设置有用河沙铺设的模拟河床，所述模拟河床的
两侧设置有用河沙铺设而成的边坡，边坡与中间的模拟河床形成凹槽状；所述介质循环系
统包括介质箱、介质管和在介质箱中的介质泵，所述介质管一端与介质泵连接，从介质箱中
伸出进入模拟箱中埋设在河沙下面，穿过边坡和模拟河床，然后穿出模拟箱回到介质箱形
成一个循环系统，介质管在模拟箱中能发生位移；所述水循环系统包括水箱、在水箱中的水
泵、至少一根进水管和出水管，进水管的一端与水泵连接，将水从水箱输入到模拟箱中，并
且水在模拟箱中的流向与模拟河床的延伸方向一致，出水管连接水箱和模拟箱使得水从模
拟箱流回水箱中形成水循环系统；所述数据采集系统包括若干测试探头、数据传输线和数
据采集仪，所述测试探头埋设在模拟箱中介质管的正下方和两侧的河沙中，数据传输线连
接测试探头与模拟箱外的数据采集仪。
作为优选地，所述模拟箱上供介质管通过的孔内装有软环，且软环套在介质管外。
软环一方面可以起到一定的密封作用，防止河沙往外漏，另一方面不妨碍模拟管道穿河段
在河床中的位移和应力变化。
作为优选地，所述进水管、出水管与水箱、模拟箱的连接为螺纹环连接，方便组装
和拆卸。
作为优选地，所述进水管上设置有流量表和阀门，所述出水管上设置有阀门，在实
验时通过阀门来调节流量模拟实际河流中的水流量、流速；进水管为多根且在不同高度进
入模拟箱，可以控制上下层水流速度，更真实地模拟实际河流情况，使得检测数据更真实；
所述介质管上设置有压力表和阀门，可以控制介质管中液体流速，模拟现场的不同情况。
作为优选地，所述水箱上设置有注水孔、水位观察孔，方便往水箱中注水和观察水
箱中的水量。
作为优选地，所述模拟箱的侧壁为透明材质，方便观察模拟箱中的情况。
作为优选地，所述介质箱上设置有注入孔和观察孔，方便注入液体介质和观察液
体介质量。
作为优选地，所述测试探头为应力和位移测试探头，可以同时监测介质管的位移
和应力的实时变化。
作为优选地，所述水箱、介质箱、模拟箱由下往上依次叠加而成，使得整个装置次
序整齐、美观，使用方便，且通过紧固螺栓固定连接，防止实验过程中各部件松动带来安全
隐患以及造成实验结果的不准确。
一种管线穿越河流的相似材料模拟实验测试方法，采用上述的模拟实验装置，包
括以下步骤：
1)根据实际要测试的现场的河床沙土密度和强度、河床体积、河床坡度、管道的实
际埋深、管道的材质和管径、单位体积河流流量，按照几何和动力相似比计算出模拟的介质
管的管径大小、模拟河床的体积、沙土密度和强度、边坡的坡度和介质管在模拟河床中的埋
深、模拟单位河流流量；
2)根据步骤1)计算出的数据在模拟箱中铺设模拟河床，埋设介质管，在需要测试
的点位埋设测试探头，连接测试探头、数据传输线和数据采集仪；
3)根据实际要测试的现场的河流流量，按照几何和动力相似比设定模拟箱中的单
位体积水流量；根据现场管道内的介质单位流量，按照动力相似比设定介质管中的介质单
位流量；
4)开启水循环系统、介质循环系统、数据采集系统，采集测试数据进行分析。
本发明的有益效果是：该管线穿越河流的相似材料模拟实验装置结构简单、操作
简便、实验结果准确、系统误差小、能够实时监测河流下管线整体或局部的位移和应力变
化，将该装置应用在输油穿河管线领域，解决了穿河管线所存在的“突变点”监测不到的技
术难题、以及现有外管道检测技术中存在的结果不全面、不准确、检测难度大的问题。使用
本发明的装置和模拟测试方法能够监测河床下管线整体或局部应力和位移的实时变化，根
据应变疲劳的破坏机制，得到管线整体或局部疲劳损伤劣化趋势，计算管线整体或局部累
计疲劳损伤程度，为穿越河流管线的剩余使用寿命的预测奠定基础，具有很好的应用前景。
附图说明
图1是本发明中的管线穿越河流的相似材料模拟实验装置结构示意图。
图2是图1中的水箱结构示意图。
图3是图1中的介质箱结构示意图。
图4为穿越段管线相似模拟实验埋深图。
图5为穿越段管线实际检测埋深和相似实验埋深对比图。
图6为穿越段管线的实时应力测试曲线图；系列1～13分别为初始应力、第1至12天
的应力实时测试曲线。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但并不因此而限制本发明。
下述实施例中的实验方法，如无特别说明，均为常规方法。
实施例1管线穿越河流的相似材料模拟实验装置
如图1-3所示，一种管线穿越河流的相似材料模拟实验装置，主要由水循环系统1、
介质循环系统2、模拟箱3和数据采集系统4组成。模拟箱3的底部设置有用河沙铺设的模拟
河床31，模拟河床31的两侧设置有用河沙铺设而成的边坡32，边坡32与中间的模拟河床31
形成凹槽状；介质循环系统2包括介质箱21、介质管22和在介质箱中的介质泵23，介质管22
一端与介质泵23连接，从介质箱21中伸出进入模拟箱3中埋设在河沙下面，穿过边坡32和模
拟河床31，然后穿出模拟箱3回到介质箱21形成一个循环系统，介质管22在模拟箱3中能发
生位移；模拟箱3上供介质管22通过的孔内装有软环24，且软环24套在介质管22外，软环24
一方面可以防止河沙往外漏，另一方面也对介质管22起到一定的支撑作用，却不阻碍介质
管22在水流的作用下发生的位移。模拟箱3的侧壁为透明材质，使得可以方便观察箱内情
况。介质管22上设置有压力表和阀门，可以控制介质管中液体(比如石油)流速，模拟现场的
不同情况。介质箱21上还设置有注入孔和观察孔。
水循环系统1包括水箱11、在水箱中的水泵12、至少一根进水管13和出水管14，进
水管13的一端与水泵12连接，将水从水箱11输入到模拟箱3中，并且水在模拟箱3中的流向
与模拟河床31的延伸方向一致，出水管14连接水箱11和模拟箱3使得水从模拟箱3流回水箱
11中形成水循环系统。进水管13、出水管14与水箱11、模拟箱3的连接为螺纹环连接，方便组
装和拆卸。进水管13上设置有流量表和阀门，出水管14上设置有阀门，方便调节水流，模拟
不同的现场情况；进水管13为2根且在不同高度进入模拟箱3中，可以控制上下层水流速度，
更真实地模拟实际河流情况，使得检测数据更真实。水箱11上还设置有注水孔、水位观察
孔。水箱11、介质箱21、模拟箱3由下往上依次叠加而成，且通过紧固螺栓固定连接。
数据采集系统4包括若干测试探头41、数据传输线42和数据采集仪43。测试探头41
埋设在模拟箱3中介质管22的正下方和两侧的河沙中，测试探头41的数量、埋深根据现场实
际情况需要进行模拟。数据传输线42连接测试探头41与模拟箱3外的数据采集仪43。测试探
头41为应力和位移测试探头，可以实时监测介质管22的位移和应力变化。
实施例1管线穿越河流的相似材料模拟实验测试
利用实施例1所述的管线穿越河流的相似材料模拟实验装置对河床下的原油输油
管线进行模拟测试，监测管线位移和应力的实时变化。
一、现场实际情况介绍
1条长输原油管道(D406)穿越河流，设计时穿越点河流流量1051m3/s，水位
21.73m，最大冲涮深度2.14m，入土与出土点同沟铺设的两条管线水平间距均为1.1m，管道
正常输量400×104t/a，最小输量236×104t/a，最大输量450×104t/a。河道比降4.23‰，该
河上游两岸多山，植被较差，河床多卵石，河床宽20～200m，比降3.41‰。下游河沙极多，河
床宽50～150m，比降2.18‰。该河流域面积穿越段地面起伏较大，表现为上游及两岸地势较
高，其中河床上、下游的地势高程为2.5～16.0m左右，河床两侧为漫滩及阶地，阶地顶面的
高程为5～20m左右，靠近下游的河床两侧为低丘。
二、利用模拟实验装置进行模拟实验测试，按照如下步骤操作：
(1)根据管线穿越的河流的河床沙土密度和强度、河床体积、河床坡度、管道的实
际埋深、管道的材质和管径、单位体积河流流量，按照几何和动力相似比计算出模拟系统中
介质管22的管径大小、模拟河床31的体积、沙土密度和强度、边坡32的坡度和介质管22在模
拟河床31中的埋深、相似单位体积河流流量。实测和相似实验河流穿越管段数据见表1，相
似实验埋深根据相似理论计算，管道实际检测埋深见图4所示。该河流穿越段实测总长为
200m，实测深度为地表到管底的高度。
设计资料、实测结果与相似实验对比结果如图5所示，可以看出：实际检测埋深与
相似实验埋深差距较小，实际检测埋深比设计埋深小0.38～0.75m，但均在设计冲刷线之下
2.5m处，满足规范要求，说明了相似实验预测的埋深数据的真实可靠性。
表1穿越水下管道检测结果
(2)根据步骤(1)计算出的数据在模拟箱3中铺设模拟河床31，埋设介质管22，在需
要测试的位点埋设测试探头41，连接测试探头41、数据传输线42和数据采集仪43。测试探头
41为应力和位移测试探头，实时监测介质管22的位移和应力变化。
(3)根据实际河管穿越河流现场的河流流量，按照几何和动力相似比设定模拟箱3
中的单位体积水流量；根据现场管道内的原油和成品油输量，按照动力相似比设定介质管
22中的介质流量。
(4)开启水循环系统1、介质循环系统2、数据采集系统4，采集测试数据进行分析。
从9月12日--9月23日连续12天，每天对一个点位采集29次应力数据，得到该点位
在这12天中的应力测试数据，如表2所示，点位在一天中的应力变化曲线图如图6所示，图中
系列1～13分别对应每个点位的初始应力和9月12日至23日的应力数据变化曲线。
表2实时应力测试数据
根据采集到的模拟实验中管线整体或局部应力和位移的实时变化，根据应变疲劳
的破坏机制，得到管道疲劳损伤劣化趋势，计算管线整体或局部累计疲劳损伤程度，为穿越
河流管线的疲劳剩余寿命的预测奠定基础。