冀東油田 4 號(hào)構(gòu)造波浪動(dòng)床物理模型試驗(yàn)

李順利， 楊 嬌

1.中國石油冀東油田公司,河北唐山 063004

2.中國石油天然氣管道局五公司，河北任丘 062550

冀東油田 4 號(hào)構(gòu)造波浪動(dòng)床物理模型試驗(yàn)

李順利1， 楊 嬌2

1.中國石油冀東油田公司,河北唐山 063004

2.中國石油天然氣管道局五公司，河北任丘 062550

建立了冀東油田 4 號(hào)構(gòu)造波浪動(dòng)床物理模型，模型比尺關(guān)系同時(shí)滿足潮流相似和波浪相似要求；研究了 4 號(hào)構(gòu)造建成后波浪作用（適當(dāng)考慮潮流作用）下人工島前岸灘的沖淤情況，以及波浪作用下人工島前的局部沖刷問題。試驗(yàn)結(jié)果表明，冀東油田 4 號(hào)構(gòu)造所在的西坑坨島南側(cè)岸灘潮流動(dòng)力作用相對(duì)較弱，波浪作用是影響 4 號(hào)構(gòu)造岸灘穩(wěn)定的主要?jiǎng)恿Α＝ㄗh 4-1 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；波浪；流速；流態(tài)

0 引 言

冀東油田位于唐山曹妃甸工業(yè)區(qū)附近，部分油田位于近岸淺水區(qū)。為滿足 4 號(hào)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 人工島及進(jìn)島通道。4-1 人工島平面尺寸為 624 m × 487 m，4-2 人工島平面尺寸為 737 m × 400 m。人工島整體上呈近似橢圓形布置，其長軸線盡可能與水流流向平行，以盡量減小與潮流流向的夾角。連接兩人工島的路堤設(shè)計(jì)長度2.67 km、堤頂寬 19 m。2號(hào)碼頭采用離岸圓沉箱墩式結(jié)構(gòu)，碼頭平臺(tái)總長 480 m，通過長 583 m 的鋼引橋與陸上罐區(qū)相連，為防止鋼引橋受到船舶的意外撞擊，在引橋港池側(cè)外圍設(shè)有系泊浮筒式防撞設(shè)施，總體布置見圖1。

在已完成的潮流整體物理模型試驗(yàn)中[1-2]，由于容納的范圍較大，受試驗(yàn)水池尺度的限制，取水平比尺為 720，變率為 6，在這樣的模型尺度下難以對(duì)人工島局部地形變化進(jìn)行研究。從現(xiàn)場(chǎng)水文、泥沙等資料分析以及潮流整體物理模型試驗(yàn)結(jié)果[1-2]可知，由于 4 號(hào)構(gòu)造 4-1、4-2人工島前岸灘水深較淺，漲落潮流速相對(duì)較小，潮流不是影響岸灘穩(wěn)定的主要?jiǎng)恿σ蛩亍?-1人工島靠近外海，來自外海的風(fēng)浪和涌浪都可能影響人工島前岸灘。為了研究 4 號(hào)構(gòu)造建成后在波浪作用（適當(dāng)考慮潮流作用）下人工島前岸灘的沖淤情況，以及波浪作用下人工島前的局部沖刷問題，開展了冀東油田 4 號(hào)構(gòu)造波浪動(dòng)床物理模型試驗(yàn)，研究人工島在波浪作用下的穩(wěn)定性，為冀東油田 4 號(hào)構(gòu)造開發(fā)提供科學(xué)依據(jù)。在考慮模型比尺關(guān)系時(shí)，應(yīng)同時(shí)滿足潮流相似和波浪相似（包括波浪近岸傳播變形相似、破碎波相似和波浪輸沙相似）要求。

圖1 冀東油田4號(hào)構(gòu)造波平面布置

1 波浪動(dòng)床物理模型設(shè)計(jì)

1.1 波浪動(dòng)床模型相似要求

（1）波浪運(yùn)動(dòng)相似。為了滿足波浪相似條件，模型應(yīng)做成正態(tài)模型；然而，在很多情況下，尤其是整體物理模型中，由于模型場(chǎng)地的限制以及選沙的需要，模型往往需要做成變態(tài)模型。通常的方法是波高比尺及波長比尺均取水深比尺，這樣原型、模型的波陡不變，但模型試驗(yàn)波長相對(duì)于原型變長，因而模型繞射系數(shù)偏大[3-4]。

（2）波浪條件下泥沙運(yùn)動(dòng)相似。雖然波浪和水流條件下輸沙連續(xù)方程和床面變形方程是一致的，由此所得的回淤時(shí)間相似關(guān)系和沉降部位相似關(guān)系形式上相同，但兩者存在水動(dòng)力學(xué)機(jī)制和能量損耗過程的差別，特別是破波區(qū)波浪動(dòng)力特征與一般水流情況的差別較大，必導(dǎo)致泥沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律上的差異，進(jìn)而影響比尺關(guān)系[3-4]。本項(xiàng)目重點(diǎn)研究近岸區(qū)，特別是破波區(qū)岸灘的沖淤變化，因此需要保證波浪條件下岸灘破波區(qū)附近水域泥沙運(yùn)動(dòng)相似要求。

1.2 模型比尺及模型沙選擇

根據(jù)場(chǎng)地條件、模型相似要求及前期工作成果，經(jīng)過綜合考慮各方面因素，確定模型水平比尺λl＝350。另外，從水流角度考慮，為滿足模型與原型流態(tài)相似，需要做成變態(tài)模型，但是垂直比尺如果太大，而模型中水深相對(duì)較淺，水流阻力和波浪阻力都會(huì)很大，難以滿足試驗(yàn)相似性要求，因此，根據(jù)垂直比尺的要求及以往試驗(yàn)工作的經(jīng)驗(yàn)，為了滿足波浪相似要求，選擇模型垂直比尺λh= 100，變率為 3.5。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)底沙特性，通過水槽試驗(yàn)和參考以往類似試驗(yàn)研究經(jīng)驗(yàn)，選擇顆粒容密度γs=1.35 g/cm3精制煤粉作為模型沙，其干容密度γo= 0.7 g/cm3。算得泥沙粒徑比尺分別為 0.78 和 0.95，現(xiàn)場(chǎng)底沙中值粒徑d50取0.182 mm，則模型沙中值粒徑d50范圍為 0.19 ～ 0.23 mm，模型中最后選用d50= 0.18 mm 的煤粉，能夠滿足起動(dòng)相似并兼顧懸浮相似。

1.3 模型布置及潮、波控制系統(tǒng)

物理模型試驗(yàn)場(chǎng)地范圍為 35 m×15 m，潮、波控制系統(tǒng)主要分生波系統(tǒng)、潮汐系統(tǒng)及量測(cè)系統(tǒng)。根據(jù)冀東油田海域潮流特點(diǎn)和試驗(yàn)廳設(shè)備情況，生潮系統(tǒng)一端采用變頻雙向可逆泵、另一端采用變頻潛水泵進(jìn)行調(diào)節(jié)，分別應(yīng)用微機(jī)對(duì)潮位和流量過程進(jìn)行控制。

由于物理模型同時(shí)考慮波浪和潮流作用，生波機(jī)的方向要受到水流方向的限制，最后確定模型中生波機(jī)波浪方向與水流方向基本一致，波浪方向與 4-1 人工島及西坑坨迎浪面基本垂直，為正向波浪，對(duì) 4-1人工島穩(wěn)定性影響最大，波向?yàn)?S 偏 E 30°；生波機(jī)可以在 ±5°范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，按照規(guī)范要求，生波機(jī)距工程區(qū)域 ＞ 10 倍波長。

1.4 物理模型試驗(yàn)條件

波浪動(dòng)床模型中研究對(duì)象為 4 號(hào)構(gòu)造地區(qū)，人工島平面布置形式采用上海航道勘察設(shè)計(jì)研究院提供的 4 號(hào)構(gòu)造地區(qū)布置方案一，人工島南側(cè)設(shè)置一定長度的引堤和引橋與登陸點(diǎn)碼頭相連。

經(jīng)過認(rèn)真分析，采用的試驗(yàn)水位相應(yīng)于如下的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際水位：平均海平面 1.77 m；平均高潮位 2.52 m；50年一遇高潮位 4.07 m。

模型主要考慮正向波浪作用，波向?yàn)?S 偏 E 30°，根據(jù)國家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心分析推算，選取的試驗(yàn)用 SE 向深水波浪要素相應(yīng)于如下實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)：2年一遇，H13%= 2.05 m、T=7s；5 年一遇，H13%= 2.76 m、T= 7s；25 年一遇，H13%= 3.7 m、T= 8s；50 年一遇，H13%= 4.05 m，T= 9s。

根據(jù)實(shí)測(cè)資料及潮流整體物理模型試驗(yàn)成果，4 號(hào)構(gòu)造地區(qū) -5 m 處水域最大流速約為 1 m/s，在考慮波浪潮流共同作用時(shí)，模型試驗(yàn)中潮流最大流速相應(yīng)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際數(shù)據(jù)為 1 m/s。

2 驗(yàn)證試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)條件

根據(jù)試驗(yàn)要求，模擬的動(dòng)床范圍為 2.0 km×1.9 km，包含了人工島和引堤，其中南側(cè)動(dòng)床長度近 1 km，并且保留了足夠距離的過渡段，盡可能減少動(dòng)床與定床銜接段對(duì)試驗(yàn)的影響，保證動(dòng)床試驗(yàn)結(jié)果的可靠性。

試驗(yàn)前將動(dòng)床范圍內(nèi)地形挖深，深度相當(dāng)于原型 5 m，制作成平底。試驗(yàn)前模擬現(xiàn)狀條件下的地形鋪上模型沙（煤粉），根據(jù)相應(yīng)的試驗(yàn)條件，在波浪等動(dòng)力作用后再測(cè)量試驗(yàn)后的地形變化情況。試驗(yàn)前的模擬地形按照2006 年 3 月地形鋪設(shè)，島側(cè)和引堤兩側(cè)護(hù)坡坡度為 1 :2.5，為滿足反射相似，模型中按照正態(tài)比尺放置扭王塊石護(hù)坡。

2.2 動(dòng)床試驗(yàn)地形驗(yàn)證

泥沙動(dòng)床試驗(yàn)成果是否可靠，除了相似理論的理論基礎(chǔ)、多年試驗(yàn)的成功經(jīng)驗(yàn)外，地形資料的驗(yàn)證是最可靠的依據(jù)之一。為此，泥沙試驗(yàn)前一般都需要進(jìn)行地形驗(yàn)證。驗(yàn)證試驗(yàn)前預(yù)先在動(dòng)床范圍內(nèi)按照2006年7月地形鋪上模型沙，分別測(cè)量試驗(yàn)前、后的地形變化情況。測(cè)量斷面布置見圖2。

圖2 4 號(hào)構(gòu)造動(dòng)床物理模型地形測(cè)量斷面布置

圖3為模型驗(yàn)證試驗(yàn)后2#、3#和 4#斷面地形分布（按相似比放大）與實(shí)測(cè)斷面地形（包括 2006 年 7 月和2007年現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)）分布比較，大浪的持續(xù)時(shí)間為 1 d，折算的模型試驗(yàn)時(shí)間為 20 min。試驗(yàn)后模型斷面也有沖刷形態(tài)出現(xiàn)，只是在位置上稍有差別，試驗(yàn)后地形分布與實(shí)測(cè)地形沖刷情況基本一致，模型沖淤地形驗(yàn)證試驗(yàn)說明，試驗(yàn)方法能夠達(dá)到與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況相似的要求。

圖3 模型驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際地形的比較

3 動(dòng)床試驗(yàn)成果

4-1 人工島前岸灘地形較高，漲落潮時(shí)水流流速較小，水流動(dòng)力對(duì)人工島的影響較小，波浪動(dòng)力是主要?jiǎng)恿?，因而在波浪?dòng)床模型試驗(yàn)中一般情況下只考慮不同潮位的波浪作用，不考慮潮流作用，最后選擇典型試驗(yàn)條件再做一次增加潮流動(dòng)力的試驗(yàn)。

現(xiàn)場(chǎng)情況下，水深和波浪大小都對(duì)岸灘沖淤有直接影響。人工島建成后，除了考慮波浪作用引起的沖刷外，還要考慮到人工島反射波作用引起的沖刷，兩方面的沖刷作用加在一起才是人工島前岸灘的最終沖刷量。僅從人工島前反射程度看，高水位、適當(dāng)?shù)牟ǜ撸▊髦翇u前未破碎的最大波高）引起的沖刷量相對(duì)較大。

3.1 不同水位、波浪作用對(duì)人工島和引堤穩(wěn)定性影響

一般情況下，水位越高，波浪對(duì)岸灘的沖刷作用越大，由于人工島的存在，即使在 50 年一遇高潮位作用下，50 年一遇大浪對(duì)人工島安全的影響程度也不及中等強(qiáng)度浪，從試驗(yàn)結(jié)果看，2年一遇波浪對(duì)人工島前岸灘影響相對(duì)較大，最不利條件下人工島前最大沖刷深度0.9～1.0 m，沖刷范圍距離人工島 40 ～ 45 m 以內(nèi)。由于人工島的掩護(hù)作用，在正向波浪作用下，人工島北側(cè)和東西兩側(cè)的岸灘相對(duì)比較穩(wěn)定，可以在人工島兩側(cè)靠近南部適當(dāng)增加防護(hù)。同時(shí)，大浪條件下，引堤前沖刷程度較大，最大沖刷深度 0.8 ～0.9 m，沖刷范圍距離引堤 35 ～ 40 m以內(nèi)，應(yīng)對(duì)措施是在引堤堤身采用護(hù)坡，另外在堤頭區(qū)的底床加強(qiáng)防護(hù)。

3.2 引堤長度的影響

為了說明引堤對(duì)人工島的影響，又分別進(jìn)行了無引堤、引堤縮短 70 m 和延長 70 m 幾個(gè)方案的動(dòng)床模型試驗(yàn)，試驗(yàn)條件為 50 年一遇高潮位、2 年一遇波浪。

3.2.1 不設(shè)置引堤

無引堤情況下，人工島前岸灘沖刷有所增加，人工島前幾個(gè)斷面中最大沖刷深度 1.2 ～ 1.3 m，沖刷范圍最遠(yuǎn)距離人工島 40 ～ 45 m，與有引堤條件比較，沖刷深度有所加大，沖刷范圍基本上沒有變化。這是由于設(shè)置引堤后，一方面減弱了引堤附近的波浪作用，另一方面，引堤能夠阻擋人工島前的沿岸輸沙，使得引堤兩側(cè)出現(xiàn)弧狀淤積體，減少了人工島前沿的沖刷。

3.2.2 引堤長度影響比較

在原有引堤長度基礎(chǔ)上，分別對(duì)引堤長度縮短和延長70 m 進(jìn)行了試驗(yàn)。由于其他試驗(yàn)條件沒有變化，波浪作用后人工島附近地形沖淤形態(tài)沒有變化，但引堤長度不同，人工島前沖淤幅度也有所不 同。

引堤縮短 70 m 后，3#斷面最大沖刷深度 0.8 ～ 0.9m，沖刷最大范圍距離人工島 45 m 左右，引堤加長后，可以看出，人工島前沖刷明顯減小，引堤西側(cè) 3#斷面最大沖刷深度 0.4 ～ 0.5 m。引堤前的沖刷情況則相反，引堤越長，引堤前的沖刷越嚴(yán)重，去除淤積帶的影響，引堤延長 70 m 后最大凈沖刷深度為 0.9 ～ 1.0 m，引堤縮短70 m 時(shí)堤頭附近最大沖刷深度 0.5 ～ 0.6 m。

不同引堤長度試驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)置引堤可以減少人工島南側(cè)岸線前的沖刷作用，隨引堤長度的增加，人工島前的沖刷也有所減小，但引堤前岸灘的沖刷程度有所增加。

3.3 波浪持續(xù)作用下累積沖刷深度

在試驗(yàn)條件不變的情況下，波浪連續(xù)作用足夠時(shí)間后，人工島前的岸灘會(huì)達(dá)到平衡狀態(tài)，即使波浪繼續(xù)作用，岸灘的沖刷深度也不會(huì)繼續(xù)增加，這是比較理想的情形，可以不用考慮模型的沖淤時(shí)間比尺。試驗(yàn)過程中，每隔一段時(shí)間對(duì)波浪持續(xù)作用下人工島前的累積沖刷深度進(jìn)行了測(cè)量，直至地形不發(fā)生變化（主要的沖刷深度不變）為止。

選取 50 年一遇高潮位、2 年一遇波浪，此條件下人工島前波浪發(fā)射作用相對(duì)較大，沖刷區(qū)明顯。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，試驗(yàn)后人工島附近岸灘沖淤形態(tài)基本不變，從不同角度的照片看，圍繞島身的沖刷－淤積帶清晰可見。在波浪持續(xù)作用下，隨沖刷、淤積的不斷發(fā)展，最后達(dá)到平衡狀態(tài)。50 年一遇高潮位、2 年一遇波浪條件下人工島前最大累積沖刷深度為 1.2 m，沖刷范圍距人工島岸線 40 ～ 50 m，引堤前最大沖刷深度 1 m，沖刷區(qū)外圍距引堤 50 m。

3.4 S 向浪作用下人工島前沖刷情況

為了全面認(rèn)識(shí)不同方向波浪對(duì)岸灘的影響，模型中還進(jìn)行了常浪向（S 向波浪）作用下動(dòng)床試驗(yàn)，試驗(yàn)水位選取了 50 年一遇水位和平均高潮位兩種情況，而正向波作用下的動(dòng)床試驗(yàn)選用 2 年一遇波浪條件。

試驗(yàn)結(jié)果表明，在 S 向波浪作用下，人工島和引堤前岸灘的沖刷強(qiáng)度和沖刷范圍均小于正向波的作用，但是人工島正對(duì)波浪方向的沖刷程度增加，基于以上分析，人工島南側(cè)岸線的東、西向端部均需要加強(qiáng)防護(hù)，以抵御來自 S 向和 E 向的波浪作用。

3.5 潮流作用對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響

為了說明潮流可能對(duì)模型試驗(yàn)成果產(chǎn)生的影響，選擇的一組試驗(yàn)方案中增加了潮流的影響，試驗(yàn)條件取平均高潮位、2 年一遇波高，加之流速為 1 m/s 的恒定單向流。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，人工島處沖刷范圍不變，引堤前的沖刷范圍稍有增加。由于模型試驗(yàn)中選取的潮流是最大流速并持續(xù)作用，試驗(yàn)的結(jié)果是偏安全的，沖刷增加量并不大。由此可知，模型試驗(yàn)中只考慮波浪、水位作用時(shí)，其沖刷試驗(yàn)成果是可以作為人工島設(shè)計(jì)依據(jù)的。

4 結(jié)論

通過冀東油田 4 號(hào)構(gòu)造地區(qū)波浪動(dòng)床物理模型試驗(yàn)，研究了波浪作用（適當(dāng)考慮潮流作用）下人工島前岸灘的沖淤情況，以及波浪作用下人工島前的局部沖刷問題，為工程規(guī)劃和設(shè)計(jì)提供了科學(xué)依據(jù)。

（1）南堡油田 4 號(hào)構(gòu)造地區(qū)的西坑坨島南側(cè)岸灘潮流動(dòng)力相對(duì)較弱，波浪作用是影響 4-1 人工島前岸灘穩(wěn)定的主要?jiǎng)恿Α?/p>

（2）不同水位、波浪要素作用后，人工島南岸線前海床最大沖刷深度 0.9 ～ 1.0 m，沖刷坑最大范圍距離人工島 40 ～ 50 m；引堤前岸灘最大沖刷深度 0.8 ～ 0.9 m，沖刷范圍 40 ～ 45 m。

（3）50 年一遇高潮位、2 年一遇波浪條件下人工島前最大累積沖刷深度為 1.2 m，沖刷范圍距人工島岸線 40～ 50 m，引堤前最大沖刷深度 1 m，沖刷區(qū)外圍距引堤50 m。

（4）引堤方案試驗(yàn)表明，引堤對(duì)人工島有一定的掩護(hù)作用，隨著引堤長度的增加，人工島前岸灘沖刷量逐漸減小，引堤長度可根據(jù)設(shè)計(jì)需要進(jìn)行比選，同時(shí)引堤延長后，引堤前岸灘的沖刷將有所增大，要注意加強(qiáng)防護(hù)。

（5）S 向波浪作用下，人工島和引堤前岸灘的沖刷強(qiáng)度和沖刷范圍均小于正向波浪作用，但是人工島正對(duì)波浪方向的沖刷程度增加，應(yīng)加強(qiáng)人工島南側(cè)岸線的東、西向端部的防護(hù)。

（6）考慮到長周期波浪作用，建議 4-1人工島南側(cè)、引堤前底床防護(hù)范圍取 50～60 m。4-1 人工島及防護(hù)工程的實(shí)施，對(duì)西坑坨島起一定的固灘保灘作用，可以防止波浪長期作用對(duì)南側(cè)岸灘的侵蝕。

[1]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(yàn)報(bào)告 [R].南京：南京水利科學(xué)研究院，2006.

[2]崔崢，毛寧，佘小建.冀東油田4號(hào)構(gòu)造14號(hào)、15號(hào)人工島物理模型試驗(yàn)研究 [R].南京：南京水利科學(xué)研究院，2007.

[3]嚴(yán)愷.海岸工程 [M].北京：海洋出版社，2002.

[4]薛鴻超.海岸動(dòng)力學(xué) [M].北京：人民交通出版社，1980.

Physical Model Tests of Movable Seabed of No.4 Structure in Jidong Oilfield under Wave Actions

Li Shunli1，Yang Jiao2
1.PetroChina Jidong Oilfield Co.,Tangshan 063004,China
2.China Petroleum Pipeline Fifth Construction Co.,Renqu 062550，China

A physical model for movable seabed test under wave actions is established for No.4 structure in Jidong Oilfield.The model scaling relations satisfy both the tide similarity and wave similarity.The scour and deposition situations in the front beach of the artificial island under the action of waves (adequately considering tidal currents) as well as local scour problems in front of the artificial island after the completion of No.4 structure are studied.The test results show that the dynamic action of tidal force is relatively weak along the southern side of Xikengtuo Island where No.4 structure of Jidong Oilfield is located;the main factor affecting the stability of the beach of No.4 structure is the wave action.It is suggested that the protection range of the seabeds at the southern side of the artificial island No.4-1 and at the beach in front of the approaching embankment should be 50 ～ 60 m,and that the protection range for the eastern and western ends of the coastline along the southern side of the artificial island should be appropriately extended.

physical model;wave;current velocity;flow regime

10.3969/j.issn.1001-2206.2014.01.004

李順利（1978-），男，河北唐山人，工程師，2008年畢業(yè)于河北理工大學(xué)，從事石油工程建設(shè)管理工作。

2013-08-12