冀東南堡油田4號構(gòu)造路島工程的建造對潮流影響的試驗研究

李凱雙，李順利，李 偉，王新民，富井新，劉國英，林沛榮，陸松濤

（中國石油冀東油田公司，河北唐山 063200）

冀東南堡油田4號構(gòu)造路島工程的建造對潮流影響的試驗研究

李凱雙，李順利，李 偉，王新民，富井新，劉國英，林沛榮，陸松濤

（中國石油冀東油田公司，河北唐山 063200）

通過冀東南堡油田4號構(gòu)造路島工程整體物理模型試驗，研究該路島工程建造后與周邊海域潮流的相互影響。試驗結(jié)果表明，人工島建成后僅改變?nèi)斯u附近的東、西坑坨淺灘局部水流形態(tài)，灘面平均水流強(qiáng)度減小13%～15%，人工島對漲落潮灘面水流的漫灘歸槽有一定的引導(dǎo)和歸順作用，對曹妃甸海域宏觀水流強(qiáng)度、流態(tài)影響較小?？紤]到波浪長期作用，建議4-1號人工島南側(cè)和引堤前岸灘的底床防護(hù)范圍為50～60 m，人工島南岸線東西兩端防護(hù)范圍適當(dāng)增加。

物理模型；潮流；流速；流態(tài)

0 引言

冀東南堡油田位于渤海灣北岸，唐山曹妃甸工業(yè)區(qū)附近，部分油田位于近岸淺水區(qū)。為滿足4號構(gòu)造油藏開發(fā)需要，在西坑坨及其北側(cè)高灘分別布置4-1、4-2號人工島及進(jìn)島通道。4-1號人工島平面尺度為624 m×487 m。4-2號人工島平面尺度為737 m×400 m。人工島長軸線盡可能與水流流向平行，盡量減小與潮流流向的夾角，人工島整體上呈近似橢圓形布置。連接路堤長2.67 km，堤頂寬19 m。南堡油田4號構(gòu)造路島工程位置見圖1，圖中等深線為85黃海高程。

為了研究4號構(gòu)造路島工程的建造對附近水流條件可能產(chǎn)生的影響，研究人工島在波浪、潮流作用下的穩(wěn)定性問題，開展了冀東南堡油田4號構(gòu)造路島工程整體物理模型試驗，為該工程的實施提供科學(xué)依據(jù)。

1 潮汐水流條件

曹妃甸海域?qū)俜钦?guī)半日混合潮性質(zhì)，即一天發(fā)生兩次高潮和兩次低潮，相鄰兩潮潮高不等。

根據(jù)1996年10月、2005年3月和2006年3月三次水文測驗資料分析比較，雖然潮流流速變化總體上呈現(xiàn)潮差大流速大，潮差小流速小，但兩者相關(guān)關(guān)系不密切，說明曹妃甸地區(qū)慣性流動力作用不容忽略。曹妃甸海域水流有以下特點[1]：

（1）潮波呈駐波特點，即中潮位時流速最大，高低潮位時轉(zhuǎn)流。

（2）漲潮時流速大于落潮流速。

（3）在流速平面分布上，由于曹妃甸甸頭的岬角效應(yīng)，曹妃甸島附近深槽處為水流最強(qiáng)地區(qū)，這也是曹妃甸甸頭深槽水深能夠維持的主要動力因素。大潮時 （潮差1.9 m左右），甸頭附近深槽水域大潮最大潮流可達(dá)1.20 m/s，落潮流可達(dá)0.95 m/s。此外，在曹妃甸東側(cè)潮溝匯流處 （相當(dāng)于瀉湖口門區(qū)）的落潮歸槽水流也較強(qiáng)。其他距甸頭較遠(yuǎn)處海域，各測點水流強(qiáng)度有向岸逐漸減小的趨勢。在甸頭東側(cè)附近，可能由于岬角的掩護(hù)作用，是曹妃甸海域流速最小的區(qū)域。

（4）漲潮期間，隨著潮位的升高，漲潮水體首先充填了曹妃甸淺灘東西兩側(cè)的眾多潮溝，隨后淺灘灘面淹沒，漲潮水體在曹妃甸接岸大堤軸線附近匯合。落潮時，隨著潮位的降低，淺灘逐漸露出，灘面上的水體歸槽、潮溝的落潮歸槽水流一般強(qiáng)于漲潮漫灘水流。大潮時曹妃甸甸頭附近深槽和老龍溝匯流處流速明顯較強(qiáng)，小潮時平面流速差異變化不太明顯。

2 模型試驗結(jié)果分析

2.1模型設(shè)計

物理模型場地范圍為50 m×40 m，根據(jù)模型實際場地，確定水平比尺為1∶720，物理模型容納范圍為36 km×29 km，模型范圍主要包括曹妃甸甸頭深槽、老龍溝及東西坑坨附近水域。物理模型南邊界處對應(yīng)的實際場地最大水深為30 m左右。根椐試驗要求及港區(qū)水動力及泥沙條件，模型內(nèi)布置有生波系統(tǒng)、 潮汐系統(tǒng)及測量系統(tǒng)。模型主要比尺見表1[2]。

2.2 模型驗證

為保證物理模型能夠正確地復(fù)演曹妃甸海域潮流、波浪共同作用下的泥沙運(yùn)動，試驗前須對物理模型進(jìn)行驗證，驗證工作包括潮汐水流驗證試驗和泥沙條件驗證試驗。根據(jù)2007年8月曹妃甸海域大、小潮全潮水文泥沙測驗結(jié)果，進(jìn)行了模型驗證。

表1 模型主要比尺

模型范圍內(nèi)流速有 2＃、 3＃、 4＃、 5＃、 6＃、 7＃、 8＃七個觀測點，潮位點有曹妃甸甸頭和哈坨測站，因此， 模型范圍內(nèi)驗證 2＃、 3＃、 4＃、 5＃、 6＃、 7＃、 8＃七個流速、流向點和曹妃甸、哈坨潮位驗證點 （見圖2）。大潮驗證結(jié)果見圖3。

潮位驗證結(jié)果表明，各潮型模型相位與實測基本一致，潮位平均偏差在0.04 m左右，潮位最大偏差0.11 m，從總體上看驗證結(jié)果較好。

流速驗證結(jié)果表明，各潮型模型相位與實測基本一致，模型中漲、落潮最大流速與實測值大小基本一致，模型漲落潮平均流速與實測值偏差基本在±10%以內(nèi)。

流向驗證結(jié)果表明，除個別測點的個別潮時模型流向與實測流向偏差稍大外，總體來說模型流向與實測流向吻合較好。

模型驗證試驗結(jié)果表明，模型可以較好地模擬現(xiàn)場水流流態(tài)，模型設(shè)計和制作以及生潮是成功的。

2.3 模型試驗

實測結(jié)果表明，工程未建前，漲潮時水流從東、西坑坨西側(cè)和北側(cè)潮溝進(jìn)入老龍溝，東、西坑坨淺灘上水流流速很小，只在高潮位時東、西坑坨淺灘上才有水流通過。漲潮時水流從東、西坑坨西側(cè)和北側(cè)潮溝退出老龍溝，東、西坑坨淺灘上水流流速很小。`

各區(qū)域建成前后流速比值見表2。

表2 人工島建成后測點漲落潮平均流速變化比值

人工島建成后，工程海域水流流態(tài)沒有明顯變化，4號構(gòu)造路島工程建成對曹妃甸海域宏觀流態(tài)影響不大。

2.3.1 老龍溝、二溝和甸頭東側(cè)灘槽區(qū)域

由表2可見，流速變化百分比數(shù)值均在流速測量誤差內(nèi)擺動，可認(rèn)為流速變化極小。4號構(gòu)造路島建成后，老龍溝口門通道、二溝深槽和甸頭東側(cè)灘槽區(qū)域水流流速流向變化很小，對水流強(qiáng)度影響極小，工程對老龍溝深槽穩(wěn)定沒有影響，對二溝和甸頭東側(cè)灘槽水流條件基本沒有影響。

2.3.2 人工島灘面

試驗時，在人工島所在灘面設(shè)置了18個測點（101～118）。淺灘被淺灘前深槽、老龍溝、二溝深槽包圍。淺灘被連島導(dǎo)堤分為東西兩個區(qū)，人工島工程建設(shè)前后東西區(qū)平均流速見表3。

表3 人工島建成后灘面全潮平均流速

由表3可見，灘面整體平均流速在人工島建成后有14%～15%的減小，灘面流速有較大范圍的減小。

漲潮時，天然條件下漲潮水流先填滿老龍溝和二溝，而后漫上灘面，隨著潮位的升高，老龍溝和二溝內(nèi)漫上灘面的水體此強(qiáng)彼弱地互相頂推爭奪灘面；人工島建成后將灘面劃分成東西兩個區(qū)域，漲潮水流分別從老龍溝、二溝涌向灘面后沿島堤流動，流動的方向取決于兩條潮溝和4-1號人工島前深槽水位差。

落潮時，天然條件下開始是大范圍的刷灘落潮，水流方向與大范圍水體的落潮方向相同，仿佛淺灘并不存在，隨著水位的降低，灘面水體變?yōu)槿〗輳搅魅胱罱某睖?；人工島建成后，在水位較高時堤西側(cè)水體始終受島堤影響沿著導(dǎo)堤流入4-1號島前深槽，而堤東側(cè)水體離島堤較近部分沿導(dǎo)堤流動，較遠(yuǎn)部分與大范圍落潮方向相同，隨著水位降低則又變成取捷徑入潮溝，人工島堤的導(dǎo)流作用明顯。

人工島建成后灘面流態(tài)雖然變化較大，但由于絕對流速很小，因此灘面地形不會有大的調(diào)整。

2.3.3 4-1號島導(dǎo)堤堤頭

試驗對4-1號島導(dǎo)堤長度做了在現(xiàn)有設(shè)計長度條件下伸縮70 m的堤頭水流測量，原設(shè)計堤頭水深 （理論基準(zhǔn)面）約-1 m，＋70 m堤頭水深約-2 m，-70 m堤頭水深約0 m左右?；谒髟囼?，由表4可以看出，隨著導(dǎo)堤加長，由于水深加大堤頭流速也加快，因此不論從工程造價還是堤頭防沖考慮，導(dǎo)堤長度應(yīng)該盡量縮短，只要在水流方向的投影上略長于4-1號人工島的投影就可以達(dá)到防護(hù)4-1號人工島的目的。

表4 4-1號導(dǎo)堤不同長度堤頭流速情況

3 結(jié)束語

通過冀東南堡油田4號構(gòu)造路島工程整體物理模型試驗，研究了4號構(gòu)造建成后與周邊海域潮流的相互影響，為工程規(guī)劃和設(shè)計提供了科學(xué)依據(jù)。

冀東南堡油田4號構(gòu)造路島工程建成后對曹妃甸海域、航道宏觀水流強(qiáng)度、流態(tài)影響極小；對老龍溝、二溝水流強(qiáng)度沒有改變，工程前后兩條大型潮溝的動力條件沒有改變。人工島建成后僅對其附近的東、西坑坨淺灘局部水流形態(tài)有改變，灘面平均水流強(qiáng)度減小13%～15%，人工島對漲落潮灘面水流的漫灘歸槽有一定的引導(dǎo)和歸順作用，對曹妃甸海域宏觀水流強(qiáng)度、流態(tài)影響較小。

考慮到長周期波浪作用，建議4-1號人工島南側(cè)和引堤前岸灘的底床防護(hù)范圍取50～60 m，人工島南岸線東西兩端防護(hù)范圍適當(dāng)增加。

[1]佘小建，徐嘯.曹妃甸工業(yè)區(qū)曹妃甸港總體規(guī)劃潮流數(shù)學(xué)模型試驗報告[R].南京：南京水利科學(xué)研究院，2006.

[2]崔崢，毛寧，佘小建.冀東南堡油田4號構(gòu)造14號、15號人工島物理模型試驗研究[R].南京：南京水利科學(xué)研究院，2007.

Test Research on Influences of Road and Artificial Island at Geological Structure No.4 of Nanpu Oilfield on Local Tidal Currents

LI Kai-shuang（PetroChina Jidong Oilfield Co.,Tangshan 063200,China）,LI Shun-li,LI Wei,et al.

Physical model tests are performed to study the influences of road and artificial island that will be built at the geological structure No.4 of Nanpu Oilfield on the tidal currents in nearby sea areas.The test results show that after the completion of the artificial island,the tidal currents in the shoals of Dongkengtuo and Xikengtuo near the artificial island change locally;And the surface flow intensity has a decrease of 13%～15%;The artificial island has certain guiding action on the return of flooding and ebbing tides to the channel;It has smaller influences on the macroscopic flow intensity and flow regime in Caofeidian sea area.Considering the long-term action of periodic waves,it is suggested that the protection ranges of the seabed of the shoals in front of the south side of No.4-1 artificial island and the guide jetty should be 50～60 m,and the protection ranges should be appropriately increased at the eastern and western ends of the southern bank of the artificial island.

physical model； tidal current； flow velocity； flow regime

P751

A

1001－2206（2011）04－0018－04

李凱雙 （1969-），男，河北唐山人，高級工程師，1990年畢業(yè)于西安石油學(xué)院，現(xiàn)從事油田海洋工程基本建設(shè)管理工作。

2010-10-29