海底管道與海床相互作用研究綜述

付長靜,李國英,趙天龍

(1.南京水利科學(xué)研究院,江蘇 南京 210029;2.河海大學(xué) 土木與交通學(xué)院,江蘇 南京 210098)

海底管道與海床相互作用研究綜述

付長靜1,2,李國英1,趙天龍1

(1.南京水利科學(xué)研究院,江蘇 南京 210029;2.河海大學(xué) 土木與交通學(xué)院,江蘇 南京 210098)

隨著海上油氣田的快速發(fā)展,目前我國已建海底管道超過6 000 km。近年來,管道事故時(shí)有發(fā)生,管道工程的安全性和管道的穩(wěn)定性問題得到越來越多研究學(xué)者的重視。鑒于海底管道與海床的相互作用是研究管道穩(wěn)定性問題的關(guān)鍵,闡述了海底管道在波浪作用下與海床間相互作用的試驗(yàn)研究現(xiàn)狀,包括機(jī)械加載式試驗(yàn)、水槽模型試驗(yàn)、離心模型試驗(yàn)等;以及理論研究現(xiàn)狀,包括解析方法和數(shù)值方法等。最后對波浪作用下海底管道和海床相互作用尚待研究的問題進(jìn)行了展望,研究分析認(rèn)為正確建立管道與海床本構(gòu)模型等問題是未來研究海底管道穩(wěn)定性的重要方向。

波浪作用;海底管道;海床;管-土相互作用;管道穩(wěn)定性

從1973年我國首次在山東黃海鋪設(shè)3條500 m長的海底輸油管道開始,迄今海底管道的建設(shè)已有40多年的歷史。近年來,隨著海上石油開采的不斷升溫,我國海底管道鋪設(shè)長度已超過6 000 km。我國海底管道數(shù)量和種類繁多,分布范圍遍布各個海域,地理?xiàng)l件、海況環(huán)境復(fù)雜多變,其中有部分海底管道使用年限已經(jīng)臨近乃至超過原設(shè)計(jì)壽命,運(yùn)行狀況不佳。2013年11月22日青島發(fā)生海底管道泄漏爆炸事故,引發(fā)社會各界對海底管道安全問題的質(zhì)疑,為我國海洋建設(shè)敲響警鐘,海底管道的安全穩(wěn)定問題再次成為研究的熱點(diǎn)。通常在極端海況作用下,波浪荷載等會引發(fā)海床土體變形,造成管道的支撐條件發(fā)生改變,使管道產(chǎn)生變形,甚至發(fā)生事故,管道事故不僅會造成大面積海域污染,還會危及國家和人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。由于管道的鋪設(shè)也會造成海床的附加沉降,因此在分析海底管道安全穩(wěn)定性時(shí),應(yīng)重點(diǎn)考慮波浪荷載作用下海底管道與海床的相互作用問題。

1 海底管道與海床相互作用試驗(yàn)研究

最初針對海底管道與海床相互作用問題的研究大多采用模型試驗(yàn),根據(jù)試驗(yàn)現(xiàn)象探究其機(jī)理,在試驗(yàn)的結(jié)論上建立理論模型,為此需深入了解波浪作用下海底管道與海床相互作用的相關(guān)模型試驗(yàn)研究現(xiàn)狀。

1.1 機(jī)械加載式模型試驗(yàn)研究

20世紀(jì)70年代初,C.G.Lyons[1]首先利用機(jī)械加載的方法,研究了管道與砂土及黏土間的相互阻力作用,認(rèn)為采用庫倫摩擦理論分析管道的側(cè)向滑動方法適用于砂土中的管道,不適合黏土中的管道,且摩擦系數(shù)的大小與土體的性質(zhì)有密切關(guān)系。至20世紀(jì)80年代,各國學(xué)者針對波浪作用下海底管道與海床相互作用問題,開展了大量的機(jī)械加載式室內(nèi)模型試驗(yàn),其中最有代表性的研究課題分別是SINTEF(挪威皇家科學(xué)院)、NHL(挪威水力實(shí)驗(yàn)室)、DHI(丹麥水工所)和AGA(美國天然氣協(xié)會)等機(jī)構(gòu)完成的PIPESTAB Project[2]、DHI Research Program[3]和AGA Project[4](見表1)。

表1 管-土相互作用三大項(xiàng)目研究Tab.1 Three researches on seabed soil-pipeline interaction

管道建設(shè)初期,利用機(jī)械加載式試驗(yàn)研究的相關(guān)成果,可為管道的設(shè)計(jì)、施工和維護(hù)提供重要的理論依據(jù),但這種試驗(yàn)方法仍存在一些不足:①試驗(yàn)人為設(shè)定了管道所受水平力及垂直力的大小和比值,不能準(zhǔn)確反映管道的實(shí)際受力情況,且試驗(yàn)過程中完全忽略了波浪對海床的影響,對管道的失穩(wěn)機(jī)理不清楚;②利用機(jī)械加載突然增加位移的試驗(yàn)方法與波浪的產(chǎn)生發(fā)展情況不相符,不能體現(xiàn)波浪的水動力效應(yīng)。

1.2 水槽模型試驗(yàn)研究

針對機(jī)械加載式模型試驗(yàn)的不足,許多學(xué)者開始利用水槽模型試驗(yàn)研究管道和海床土體的相互作用,并取得了大量研究成果,主要研究內(nèi)容包括:①管道水動力掩護(hù)效應(yīng)研究;②液化土體中管道的力學(xué)行為研究;③波-管-土相互作用研究。

1.2.1管道水動力掩護(hù)效應(yīng) 裸置管道和部分埋置管道由于受波流的直接作用,影響管道的在位穩(wěn)定性,在對裸置管道的研究中,主要進(jìn)行管道的動水作用力分析計(jì)算,而部分裸置管道由于其部分面積暴露在外,其動水作用力較裸置管道有很大區(qū)別。文獻(xiàn)[7]通過水槽試驗(yàn),得出部分埋設(shè)管道的拖曳力系數(shù)、慣性系數(shù)和升力系數(shù)的大小與管道的暴露面積有關(guān)。文獻(xiàn)[8]分別研究了在規(guī)則波和不規(guī)則波條件下部分埋置管道的水動力掩護(hù)效應(yīng)。文獻(xiàn)[4]對部分埋置管道進(jìn)行了水槽試驗(yàn),結(jié)果表明:部分埋置管道所受的水平力比裸置的管道減小40%～60%,而升力系數(shù)變化較小。文獻(xiàn)[9]同樣證明管道所受拖曳力和慣性力大幅減小(減小27%～60%),升力極值也大幅減小(減小27%～60%)。上述研究中試驗(yàn)土樣均采用砂樣,對于黏性土中部分埋置管道的水動力掩護(hù)效應(yīng)沒有進(jìn)行深入研究。文獻(xiàn)[10]討論了不同黏土、不同埋設(shè)情況下的管道在規(guī)則波或隨機(jī)波作用下,其所受上浮力的大小。試驗(yàn)結(jié)果顯示,埋入海床中的管道,所受上浮力將大幅度減小。上述研究成果均針對管道的受力情況,沒有涉及其他響應(yīng)問題,例如海床在波流作用下的變形對管道穩(wěn)定性的影響問題。

1.2.2液化土體中管道的力學(xué)行為 海床土體在極端海況條件下,受波浪的作用發(fā)生液化,而管道由于土體的破壞會產(chǎn)生變形甚至損壞,因此,為了判斷管道在液化土體中的穩(wěn)定性,需深入研究管道在液化土體中的性狀,為此許多學(xué)者開展了相關(guān)模型試驗(yàn)研究,文獻(xiàn)[11-12]利用水槽模型試驗(yàn)研究液化土體中管道的力學(xué)行為,認(rèn)為管道的沉降或上升取決于累積孔壓;在相同條件下,裸置管道的沉降量較埋置管道要大,土體對管道的拖曳系數(shù)取決于雷諾數(shù)。文獻(xiàn)[13]通過水槽模型試驗(yàn)研究了在不同波浪形式和不同管重條件下,管道在液化土體中的力學(xué)行為,發(fā)現(xiàn)當(dāng)管道的長度過長時(shí),管道會在液化土中產(chǎn)生曲屈。上述研究成果對液化土體中管道的穩(wěn)定性僅進(jìn)行了定性分析,沒有涉及管道的動力響應(yīng)問題,例如管道的應(yīng)力應(yīng)變大小。同時(shí)海床土的性質(zhì)對管道的穩(wěn)定性有著重要的作用,現(xiàn)階段大多研究砂土液化后管道的力學(xué)行為,很少涉及其他類型的土體在破壞后埋置管道的力學(xué)行為,以后有必要加強(qiáng)這方面的研究。

1.2.3波-管-土相互作用 文獻(xiàn)[14-15]利用U型水槽模擬在位管道的失穩(wěn)過程,得到波-管-土相互作用的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系。該研究僅針對裸置管道,對于波浪-埋置管道-海床的相互作用機(jī)理仍不明確,且沒有考慮海床的消能作用,不是真正意義的耦合。文獻(xiàn)[16]利用波浪水槽模型試驗(yàn)的結(jié)果,討論管道存在對于海床孔壓場、應(yīng)力場和位移場的影響,主要圍繞管道周圍土體的響應(yīng)問題進(jìn)行研究,并沒有開展波浪場和海床的耦合作用分析,忽略了波浪場在海床上的衰減,因此無法得出波浪-管道-海床的全耦合關(guān)系,且沒有明確指出波-土-管相互作用的關(guān)系式。在以后的研究中應(yīng)需進(jìn)一步研究流場-管道、波浪-海床、海床-管道及流場-管道-土體全耦合效應(yīng)。

1.3 離心機(jī)模型試驗(yàn)研究

由于試驗(yàn)設(shè)備的限制,水槽試驗(yàn)很難產(chǎn)生足以引起土體破壞或液化的波浪條件,而利用土工離心機(jī)試驗(yàn)技術(shù)卻可以實(shí)現(xiàn),但由于試驗(yàn)費(fèi)用高,目前針對波浪作用下管道動力響應(yīng)研究的離心試驗(yàn)較少。文獻(xiàn)[17]以裸置管道為研究對象,開展了一系列離心模型試驗(yàn),給出了管道所受土體側(cè)向阻力的關(guān)系式,但模型中假定管道為剛體,無法確定管道的結(jié)構(gòu)性狀,如應(yīng)力分布和變形等。文獻(xiàn)[18]將離心試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值計(jì)算結(jié)果相比較,結(jié)果顯示,管道的上浮力及土體的超孔隙水壓力計(jì)算結(jié)果在土體發(fā)生液化前,與試驗(yàn)值吻合較好,但液化后卻有較大差距。文獻(xiàn)[19]針對管道所受上浮力以及管道在液化土體中的荷載位移關(guān)系,進(jìn)行了一系列離心機(jī)試驗(yàn),探討了荷載周期的長短對管道的影響。此外,還指出計(jì)算管道所受上浮力的簡化模型,其計(jì)算結(jié)果與離心試驗(yàn)結(jié)果相吻合。

2 海底管道與海床相互作用理論研究

在理論研究的初期,相關(guān)學(xué)者主要提出了一些求解裸置管道動水作用力和埋置管道滲流力的解析解,但實(shí)際海床分層情況和波浪荷載條件十分復(fù)雜,例如隨機(jī)波浪作用及成層海床情況等,這些問題是無法利用解析方法解決的,因此在研究的中后期越來越多的學(xué)者采用數(shù)值解法。數(shù)值方法也是目前研究海底管道與海床間相互作用問題的最主要研究手段。

2.1 海底管道與海床相互作用解析計(jì)算

2.1.1管道的水動力作用 對于管道水動力作用的研究主要針對裸置管道,這是由于裸置管道是直接暴露于海水之中的,主要受海流、波浪等環(huán)境荷載的影響,因此在分析裸置管道在位穩(wěn)定性時(shí),需要定量分析波流作用下管道的動水作用力。目前計(jì)算管道上所受的動水作用力仍然沿用Morision方程來計(jì)算,其基本假定是管道的存在不影響波浪的運(yùn)動,即不考慮尾流效應(yīng)的影響,這顯然不符合實(shí)際情況,同時(shí)該方法對于管土接觸的處理采用了簡單的庫倫摩擦理論,使得管道受力計(jì)算結(jié)果偏保守。由于Morision方程的假定不合理,一些學(xué)者對Morision方程進(jìn)行了完善,文獻(xiàn)[20]基于PFMP項(xiàng)目,考慮管道對波流的影響,提出尾流模型—WakeⅠ模型。隨后文獻(xiàn)[21-22]在WakeⅠ模型的基礎(chǔ)上發(fā)展了WakeⅡ模型,該模型對影響尾流修正速度的幾個參數(shù)進(jìn)行了修正。WakeⅠ和WakeⅡ模型雖然考慮了管道對波流的影響,但僅單純地計(jì)算管道的受力,并沒有考慮海床變形對管道的影響,也沒有考慮管道在波流作用下產(chǎn)生橫向位移的問題,對于復(fù)雜的海床條件及水動力條件,采用WakeⅠ和WakeⅡ模型仍顯不足,在后續(xù)的研究中應(yīng)加以改進(jìn)。

2.1.2管道的滲流力計(jì)算 針對海底管道所受的波浪滲流力,文獻(xiàn)[23]提出無限深海床中作用在埋置管道上的波浪滲流力的解析解,文獻(xiàn)[24]對同樣的問題采用映像法求得解析解。文獻(xiàn)[25]應(yīng)用假想管法得出有限厚度海床中作用在埋置管道上的波浪滲流力解析解,認(rèn)為作用在管道上的孔隙水壓力取決于最大波浪荷載和管道埋置深度。以上研究均基于勢流理論,忽略了孔隙水的壓縮和土骨架的變形,將海床作為剛性體研究,這與實(shí)際海床情況存在較大差異,同時(shí)根據(jù)上述理論僅對管道所受滲流力進(jìn)行計(jì)算,不包含管道的響應(yīng),無法得知管道的應(yīng)力分布。以往對管道所受滲流力的研究中也多采用線性波浪理論,這是由于線性波浪理論較非線性波浪理論較容易求得解析解,且大量的研究結(jié)果表明對于深水區(qū)采用線性波浪理論的計(jì)算誤差在允許范圍內(nèi),但對于淺水區(qū),用線性方程來描述管道的滲流力常引起較大的誤差,因此需要考慮波浪的非線性。文獻(xiàn)[26]根據(jù)橢圓余弦波理論,推導(dǎo)得到了淺水區(qū)非線性波浪作用下埋設(shè)管道上的滲流壓力解析解,但對于管道周圍其他的響應(yīng)問題沒有進(jìn)行討論。

2.2 海底管道與海床相互作用數(shù)值計(jì)算

近年來國內(nèi)外學(xué)者大都利用數(shù)值方法對海底管道與海床的相互作用問題進(jìn)行了大量計(jì)算研究。數(shù)值方法多采用有限元法、有限差分法及邊界元法等。

文獻(xiàn)[27]采用有限單元法和有限差分法,計(jì)算剛性可滲海床內(nèi)管道所受的波浪力;文獻(xiàn)[28]針對非均質(zhì)海床,采用邊界元法計(jì)算埋置管道所受的波浪力。上述研究多針對埋置管道,建立的模型忽略了孔隙水或土體的可壓縮性,對海床土體的相關(guān)假設(shè)與實(shí)際海床情況相差較大,并且將管道作為剛性體進(jìn)行考慮,沒有涉及其他響應(yīng)問題。

針對以往模型的不足之處,許多研究者在后續(xù)的數(shù)值計(jì)算中,考慮了孔隙流體和土體骨架的耦合作用,引入Biot理論,使結(jié)果更為合理。文獻(xiàn)[29-31]討論土體參數(shù)及波浪條件的影響,得到不同飽和度海床中埋置管道升力的數(shù)值解,并提出上浮力擾動比。上述研究均假定管道為剛體,且僅考慮了由波浪引起的管道周圍的超靜孔壓分布及升力,沒有討論管道周圍土體的位移和有效應(yīng)力的響應(yīng)問題,也沒有考慮土的性質(zhì)對管道的影響。為此,文獻(xiàn)[32-35]采用有限元及有限差分法,系統(tǒng)地分析了波浪作用下,各向同性及各向異性、均質(zhì)及非均質(zhì)土體中埋置管道周圍土體的孔壓分布、土體的位移及有效應(yīng)力分布,分析了土體特性參數(shù)及管道幾何參數(shù)對管道的影響,但由于土體還是采用彈性模型,因此只能討論管道在波浪作用下的瞬態(tài)響應(yīng)。

隨著研究的深入,許多學(xué)者在前人研究基礎(chǔ)上,開始關(guān)注非線性及隨機(jī)波浪荷載對管道的作用,考慮管土間的接觸效應(yīng)、土體的彈塑性以及孔壓的累積等因素,使得模擬結(jié)果更加真實(shí)可信。文獻(xiàn)[37]研究非線性波浪荷載作用下埋置管道周圍超靜孔隙水壓力分布,但只討論了幾種推進(jìn)波,得到的計(jì)算結(jié)果不全面。文獻(xiàn)[37-38]在線性和非線性波浪條件下,考慮了管、土的接觸效應(yīng)、管道的柔性及土體和管道的加速度對海床土的慣性影響,采用有限元方法建立管-土相互作用的計(jì)算模型,討論了管道幾何尺寸及土體特性參數(shù)對管道周圍海床孔隙水壓力及管道內(nèi)應(yīng)力的影響。文獻(xiàn)[39]考慮了管、土間的接觸效應(yīng),采用有限元方法,計(jì)算分析了隨機(jī)波浪作用下埕島油田海底埋置管道及其周圍土體的動力響應(yīng)問題。上述研究均忽略了波浪傳播過程中波浪場的衰減,在今后的研究中有必要考慮波浪場和海床土體的耦合作用,并且管-土間采用了簡單的摩擦理論,降低了計(jì)算精度。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,越來越多的學(xué)者開始利用大型商業(yè)軟件進(jìn)行管-土的相互作用研究,文獻(xiàn)[40-41]考慮管、土的接觸效應(yīng),利用ABAQUS軟件,分析了裸置管道與彈塑性海床相互作用,討論了管重和環(huán)境荷載對管道沉降及其穩(wěn)定性的影響,但沒有涉及海床的動力響應(yīng)問題。文獻(xiàn)[42]也利用ABAQUS軟件,同時(shí)考慮管、土的接觸效應(yīng),模擬了近海埋置管道與海床之間的相互作用,分別計(jì)算了管道在自重及簡諧波浪荷載作用下管道的受力與變形,研究沒有考慮管道的加速度對海床的影響,并且在近海地區(qū),波浪的非線性作用明顯,利用線性波浪荷載計(jì)算有較大誤差,同時(shí)海床的本構(gòu)模型采用塑性模型,這與實(shí)際情況不符。文獻(xiàn)[43]考慮了淺水區(qū)非線性波對管道的影響,利用有限元分析了管道在波浪作用下的穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[44]考慮了平行管情況下,利用數(shù)值方法計(jì)算管道所受的波浪力,對管道不同情況下受力的研究越來越細(xì),文獻(xiàn)[45]利用ADINA軟件,建立海底輸氣管道的有限元模型,考慮海嘯對管道的影響,分析了深水區(qū)及淺水區(qū)管道的穩(wěn)定性,認(rèn)為深水區(qū)域海嘯不會對管道造成破壞性的影響,而淺水區(qū)的管道會造成破壞,應(yīng)及時(shí)加固,研究僅對管道進(jìn)行受力分析,沒有考慮海床土的變形或破壞對管道的影響。

3 結(jié) 語

海底管道與海床相互作用研究主要包括以下幾個方向:①波流作用下管-土間側(cè)向阻力的研究;②波流作用下裸置管道的水動力作用研究;③波浪作用下埋置管道的滲流力、波浪力計(jì)算;④波浪作用下液化土體中管道的力學(xué)行為研究。

對于海底管道與海床的相互作用問題,由于需要綜合考慮海床土體的特性、復(fù)雜的外界環(huán)境、管道的幾何形狀,很難完全真實(shí)地模擬管道和海床的相互作用。最初各國學(xué)者進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究,雖也進(jìn)行相關(guān)理論研究,但大多建立在試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上,隨著研究的深入,建立了大量的理論模型,但模型引入了不同的假設(shè),造成問題分析的不夠全面。因此,還需要進(jìn)一步深入研究:

(1)海底管道彈塑性本構(gòu)模型的建立。在進(jìn)行管-土相互作用的理論研究中,最初由于假定管道是剛性材料,不能了解管道的變形、運(yùn)動情況以及管道的應(yīng)力、應(yīng)變分布,慢慢發(fā)展為假設(shè)管道為線彈性材料。在以后的研究中應(yīng)針對管道發(fā)生不可恢復(fù)的變形情況,建立合適的彈塑性本構(gòu)模型模擬管道的變形性狀。

(2)不同波浪荷載對海床和管道的作用。近幾年研究已逐步考慮非線性波和隨機(jī)波的影響,但對破碎波和畸形波的作用研究較少,由于海洋環(huán)境的復(fù)雜性,不同性質(zhì)的波對海床和管道會造成不同的影響,在以后的研究中應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況,考慮不同波浪荷載對管道和海床的影響。

(3)淺水區(qū)管道與海床的相互作用研究。目前對管-土的相互作用研究,大多考慮線性波浪荷載的影響,近幾年才逐步考慮非線性波和隨機(jī)波的影響,且波浪的非線性影響大多考慮深水波,對孤立波和橢圓余弦波研究較少,由于淺水區(qū)波浪的非線性影響顯著,應(yīng)關(guān)注淺水區(qū)海底管道與海床的相互作用,建立基于孤立波或橢圓余弦波理論的管-土相互作用模型,系統(tǒng)全面地研究淺水區(qū)海底管道等海洋構(gòu)筑物受非線性波的影響,為實(shí)際工程的管道設(shè)計(jì)提供有力的依據(jù),同時(shí)指出海床在淺水非線性波情況下發(fā)生液化的條件,為管道的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供技術(shù)參考。

[1]LYONS C G.Soil resistance to lateral sliding of marine pipelines[C]∥Proceedings of 5th Annual Offshore Technology Conference.1973:479-484.

[2]WOLFRAM JR W R,GETZ J R,VERLEY R L P.PIPESTAB Project:Improved design basis for submarine pipeline stability [C]∥Proceedings of Nineteenth Annual Offshore Technology Conference,1987.

[3]PALMER A C,STEENFELT J S,STEENSEN-BACH J O,et al.Lateral resistance of marine pipelines on sand[C]∥Proceedings of 20th Annual Offshore Technology Conference,1988.

[4]ALLEN D W,LAMMERT W F,HALE J R,et al.Submarine pipeline on-bottom stability:Recent AGA research[C]∥Proceedings of 21st Annual Offshore Technology Conference,1989.

[5]WAGNER D A,MURFF J D,BRENNODDEN H A,et al.Pipe-soil interaction model[C]∥Proceedings of Nineteenth Annual Offshore Technology Conference,1987:181-190.

[6]BRENNODDEN H,LIENG J T,SOTBERG T,et al.An energy-based pipe-soil interaction model[C]∥Proceedings of 21st Annual Offshore Technology Conference,1989:147-158.

[7]ISMAIL N M,WALLACE N R,NIELSEN R.Wave force on partially buried submarine pipelines[C]∥Proceedings of Eighteenth Annual Offshore Technology Conference,1986.

[8]JACOBSEN V.OTC5851 Forces on sheltered pipelines[C]∥Proceedings of the 20th Offshore Technology Conference,1988.

[9]張日向,馬良.海底溝槽內(nèi)管道在波流作用下水動力效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究[J].中國海上油氣:工程,2000,12(4):23-27. (ZHANG Ri-xiang,MA Liang.Experimental study of hydrodynamic effects of submarine groove pipelines under the action of waves and current[J].China Offshore Oil and Gas(Engineering),2000,12(4):23-27.(in Chinese))

[10]VIJAYA KURNAR A,NEELAMANI S,NARASIMHA RAO S.Wave pressures and up forces and scour around submarine pipeline in clayey soil[J].Ocean Engineering,2003,30(2):271-295.

[11]SUMER B M,FREDSΦE J,CHRISTENSEN S,et al.Sinking/floatation of pipelines and other objects in liquefied soil under waves[J].Coastal Engineering,1999,38(2):53-90.

[12]SUMER B M,FREDSΦE J.Self-burial of pipelines at span shoulders[C]∥Proceedings of the 3rd International Offshore and Polar Engineering Conference,1993:74-81.

[13]TEH T C,PALMER A C,DAMGAARD J S.Experimental study of marine pipelines on unstable and liquefied seabed[J]. Coastal Engineering,2003,50(1/2):1-17.

[14]高福平.波浪作用下海底管道穩(wěn)定性的試驗(yàn)研究[D].北京:中國科學(xué)院,2001.(GAO Fu-ping.Experimental study on submarine pipeline stability under wave loading[D].Beijing:China Academy of Science,2001.(in Chinese))

[15]高福平,顧小蕓,浦群.海底管道失穩(wěn)過程的模型試驗(yàn)研究[J].巖土工程學(xué)報(bào),2000,22(3):304-308.(GAO Fuping,GU Xiao-yun,PU Qun.Experimental research on the instability process of submarine pipelines[J].Chinese Journal ofGeotechnical Engineering,2000,22(3):304-308.(in Chinese))

[16]潘冬子.波浪荷載作用下海床及管線的動力響應(yīng)研究[D].杭州:浙江大學(xué),2007.(PAN Dong-zi.Dynamic response of seabed and pipeline due to wave loading[D].Hangzhou:Zhejiang University,2007.(in Chinese))

[17]ZHANG J,RANDOLPH M F,STEWART D P,et al.An elastic-plastic model for pipe-soil interaction of unburied pipelines [C]∥Proceedings of 9th International Offshore and Polar Engineering Conference,1999:185-192.

[18]SUN Li-xun.Centrifuge modeling and finite element analysis of pipeline buried in liquefiable soil[D].New York:Columbia University,2001.

[19]BRANSBY M F,NEWSON T A,BRUNNING P.Centrifuge modelling of the upheaval capacity of pipelines in liquefied clay[C]∥Proceedings of The Twelfth(2002)International Offshore and Polar Engineering Conference,Kitakyushu,Japan,May 26-31,2002.

[20]LAMBRAKOS K F,CHAO J C,BECKMANN H,et al.A wake model of hydrodynamic forces on pipelines[J].Ocean Engineering,1987,14(2):117-136.

[21]SOEDIGDO I R,LAMBRAKOS K F,EDGE B L.Prediction of hydrodynamic forces on submarine pipelines using an improved wake II model[J].Ocean Engineering,1999,26(5):431-462.

[22]SOEDIGDO I R.A wake II model for hydrodynamic forces on marine pipelines[D].Texas:Texas A&M University,1997.

[23]MACPHERSON H.Wave forces on pipeline buried in permeable seabed[J].Journal of Waterways Port,Coastal and Ocean Devision,1978,104(4):407-419.

[24]MCDOUGAL W G,DAVIDSON S H,MONKMEYER P L,et al.Wave-induced forces on buried pipelines[J].Journal of Waterway,Port,Coastal and Ocean Engineering,1979,114(2):220-236.

[25]SPIEREBURG S E J.Wave-induced pore pressure around submarine pipelines[J].Coastal Engineering,1986,10(1):33-48.

[26]孫昭晨,邱大洪.淺水區(qū)海底埋設(shè)管線上非線性波浪力[J].大連理工大學(xué)學(xué)報(bào),2000(增1):95-98.(SUN Zhao-chen, QIU Da-hong.Nonlinear wave force on a buried pipeline in shallow water[J].Journal of Dalian University of Technology,2000 (Suppl1):95-98.(in Chinese))

[27]LAI N W,DOMINGUEZ R F,DUNLAP W A.Numerical solution for determining wave-induced pressure distribution around buried pipelines[R].Texas:Texas A&M University,1974.

[28]LIU P L F,O′DONNELL T P.Wave-induced forces on buried pipelines in permeable seabed[C]∥Proceedings of the Civil Engineering in the Oceans IV Conference,1979:111-121.

[29]MAGDA W.Wave-induced cyclic pore-pressure perturbation effects in hydrodynamic uplift force acting on submarine pipeline buried in seabed sediments[J].Coastal Engineering,2000,39(2):243-272.

[30]MAGDA W.Wave-induced uplift force acting on a submarine buried pipeline in a compressible seabed[J].Ocean Engineering, 1997,24(6):551-576.

[31]MAGDA W.Wave-induced uplift force acting on a submarine buried pipeline:Finite element formulation and verification of computations[J].Computers and Geotechnics,1996,19(1):47-73.

[32]JENG D S.Numerical modeling for wave-seabed-pipe interaction in a non-homogeneous porous seabed[J].Soil Dynamics and Earthquake Engineering,2001,21(8):699-712.

[33]JENG D S,LIN Y S.Response of inhomogeneous seabed around buried pipeline under ocean waves[J].Journal of Engineering Mechanics,2000,126(4):321-332.

[34]JENG D S,CHENG L.Wave-induced seabed instability around a buffed pipeline in a pro-elastic seabed[J].Ocean Engineering,2000,27:127-146.

[35]JENG D S.Numerical modeling of wave-seabed-buried pipe interaction in an anisotropic seabed[C]∥Proceedings of ETCE/ OMAE2000 Joint Conference Energy for the New Milleniu,New Orleans,Louisiana,USA,2000:1-7.

[36]GAO F P,JENG D S,SEKIGUCHI H.Numerical study on the interaction between non-linear wave,buried pipeline and nonhomogenous porous seabed[J].Computers and Geotechnics,2003,30(6):535-547.

[37]欒茂田,曲鵬,楊慶,等.波浪引起的海底管線周圍海床動力響應(yīng)分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2008(4):789-795. (LUAN Mao-tian,QU Peng,YANG Qing,et al.Wave-induced dynamic response of seabed around submarine pipeline[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2008(4):789-795.(in Chinese))

[38]欒茂田,曲鵬,楊慶,等,非線性波浪作用下海底管線-海床動力響應(yīng)分析[J].巖土力學(xué),2007(增1):709-714. (LUAN Mao-tian,QU Peng,YANG Qing,et al.Nonlinear wave-induced transient response of pipeline-seabed interaction[J]. Rock and Soil Mechanics,2007(Suppl1):709-714.(in Chinese))

[39]遠(yuǎn)航,賈永剛,劉濤.隨機(jī)波浪作用下黃河口海床與管線相互作用數(shù)值模擬[C]∥2010年城市地質(zhì)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展,上海,2010:674-679.(YUAN Hang,JIA Yong-gang,LIU Tao.Numerical study on seabed soil/pipeline interaction under random wave loading in Yellow River estuary[C].2010 Forum on Urban Geoenvironment&Sustainable Development, Shanghai,2010:674-679.(in Chinese))

[40]任艷榮,劉玉標(biāo),顧小蕓.彈塑性海床上的管土相互作用分析[J].工程力學(xué),2004(2):84-87.(REN Yan-rong,LIU Yu-biao,GU Xiao-yun.Analysis of pipe/soil interaction on elastic-plastic seabed[J].Engineering Mechanics,2004(2):84-87.(in Chinese))

[41]任艷榮,劉玉標(biāo).彈塑性海床上的海底管道沉降特性分析[J].中國海洋平臺,2010(3):17-20.(REN Yan-rong,LIU Yu-biao.Dynamic reliability analysis of human exposure to ice-induced vibration on offshore platforms[J].China Offshore Platform,2010(3):17-20.(in Chinese))

[42]白玉川,楊細(xì)根,冀自青,等.波浪條件下海底管線與沙質(zhì)海床間的相互作用[J].天津大學(xué)學(xué)報(bào),2011,44(1):64-68.(BAI YU-chuan,YANG Xi-gen,JI Zi-qing,et al.Interaction between submarine pipelines and sand seabed under the effect of wave[J].Joumal of Tianjin University.2011,44(1):64-68.(in Chinese))

[43]MAHMOOD H,MEHRZAD T R.A study of the effects of surface transverse waves on buried steel pipelines considering the nonlinear behavior of soil and pipes[C]∥Proceedings of the ASCE Pipeline Conference,Keystone,Colorado,2010:1078-1087.

[44]CHENG X F,WANG Y X,WANG G Y.Hydrodynamic forces on a large pipeline and a small pipeline in piggyback configuration under wave action[J].Journal of Waterway,Port,Coastal and Ocean Engineering,2012,138(5):394-405.

[45]余非,王志國,張釗.海底輸氣管道海嘯荷載作用分析[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2013(26):7819-7825.(YU Fei,WANG Zhi-guo,ZHANG Zhao.Analysis of submarine pipeline under tsunami loading[J].Science Technology and Engineering,2013 (26):7819-7825.(in Chinese))

On interaction between submarine pipelines and seabed under action of waves

FU Chang-jing1,2,LI Guo-ying1,ZHAO Tian-long1
(1.Nanjing Hydraulic Reasearch Institute,Nanjing 210029,China;2.College of Civil and Transportation Engineering,Hohai University,Nanjing 210098,China)

With the rapid development of offshore oil and gas fields,the length of submarine pipelines in China is over 6 000 km.In recent years,the stability and security of the submarine pipeline works have been attracting more and more attention of experts and scholars because the accidents take place frequently.The interaction between the submarine pipelines and seabed is the main part in pipeline stability research.On the basis of literature reading, the current status of the experimental research on the interaction between the seabed and the submarine pipelines has been analized,including the types of mechanical loading tests,flume model tests,and centrifuge model tests, as well as the status of theoretical studies,including analysis methods and numerical methods.Finally,the problems concerning the interaction between the submarine pipeline and seabed that need to be further studied are expounded.The analysis results show that the establishment of a constitutive model is an important approach to the study of the interaction among wave,seabed,and pipelines and the stability of the pipelines in the future.

wave action;subsea pipeline;seabed;interaction of pipe and soil;pipeline stability

P756.2;TV139.2

A

1009-640X(2014)06-0100-07

2014-04-20

付長靜(1987-),女,青海西寧人,博士研究生,主要從事巖土數(shù)值計(jì)算研究。E-mail:nhri_fuchangjing@163.com