水流作用下灘海工程仿生草防護(hù)技術(shù)研究

焦志斌，牟永春，沙 秋

(1.南京水利科學(xué)研究院水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京 210029;2.中國石油天然氣股份有限公司規(guī)劃總院油氣田所，北京 100083;3.中國石油天然氣股份有限公司勘探與生產(chǎn)分公司，北京 100083)

灘海區(qū)域海底管線一般埋置于海床土壤3倍管徑深度以內(nèi)，屬于淺埋管線，由于受到波浪、潮流、風(fēng)暴潮、河口泄洪以及人工干預(yù)等影響，海床很不穩(wěn)定，極易產(chǎn)生管線沿程的整體沖刷，造成管線裸露懸空。Arnold對美國密西西比河三角洲1958～1965年間海底管道失效事故進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)海床運(yùn)動和波、流沖刷是海底管道失效的主要原因［1］。2000年10月，我國東海平湖油氣田海底輸油管道因拋石壩被海流沖毀，管線懸空斷裂，油氣田被迫停產(chǎn)，造成巨大經(jīng)濟(jì)損失，并產(chǎn)生嚴(yán)重環(huán)境污染和不良社會影響［2］。2004年我國對渤海埕北油田已鋪設(shè)的61根海底管道進(jìn)行調(diào)研發(fā)現(xiàn)，56根管道沖刷懸空，占92%;管道平均懸空高度1.3 m，最大 2.5 m;平均懸空長度15.1 m，最大60 m［3］。

裸露懸空的海底管纜不僅導(dǎo)致輸油熱損失增大，而且會在重力作用下發(fā)生下沉，甚至在海流及海浪的作用下產(chǎn)生渦激共振造成管纜斷裂，引發(fā)原油外漏等海上重大安全事故，造成海上油田停產(chǎn)、海洋環(huán)境遭到重大污染等嚴(yán)重后果。多年來，海底管線周圍的局部沖刷及其沖刷防護(hù)與控制技術(shù)一直是各國海洋工程領(lǐng)域亟需研究的重要課題之一。

Chiew等［4-5］給出了單向流作用下平衡沖刷深度的迭代公式，該法計(jì)算得到的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好。Sumer等［6-7］研究了波流作用下管線周圍海床沖刷問題，對管線沖刷的起動、發(fā)展影響因素以及沖刷后管道的自埋等方面進(jìn)行了分析研究，為該領(lǐng)域的進(jìn)一步研究提供了許多有價(jià)值的幫助。Gao fu-ping等［8］研究了管線的局部沖刷平衡深度以及渦激振動，得出了許多有益的成果。這些成果集中于管道的局部沖刷，可應(yīng)用于較穩(wěn)定海域海床管線的設(shè)計(jì)與工程防護(hù)。

吉紅香等［9］采用剛性樹干和帶有柔性枝葉的模型樹模擬堤外灘地防浪林，開展了植物消波消浪研究 ，分析了波浪在有植物的灘地上傳播變形規(guī)律，以及植物的枝葉、樹干和灘地寬度、灘地上水深、來波要素等對波浪傳播變形的影響以及植物的消浪效果。陳德春等［10］采用聚乙烯發(fā)泡塑料制成人工水草，開展了人工水草室內(nèi)水槽緩流試驗(yàn)和波浪槽消波試驗(yàn)，探討了人工水草的緩流效果和消波效果，研究了人工水草草屏在不同疏密度、相對草高、排距以及草場長度情況下，對水流或波浪的影響。王琮等［11］開展了“人工草”室內(nèi)水槽波浪試驗(yàn)，得出在水深50 cm時，布設(shè)“人工草”不僅不能促淤防沖，反而會加劇管道附近的沖刷。

本文開展了水流作用下灘海區(qū)域海底管線仿生草防護(hù)效果試驗(yàn)，首次在國內(nèi)采用仿生草原型材料，研究了水流作用下仿生草的緩流效果和防沖刷效果，得出了灘海工程海底管線仿生草防護(hù)技術(shù)的一般性結(jié)論。

1 仿生草防護(hù)技術(shù)研究現(xiàn)狀

仿生草防沖刷仿生技術(shù)在河床防沖刷和海底結(jié)構(gòu)物防沖刷領(lǐng)域已經(jīng)發(fā)揮出顯著作用，沿海各國都有應(yīng)用。尤其在海洋石油開采領(lǐng)域，有著不凡的業(yè)績。殼牌、英國石油、伍德石油、雪佛龍等世界知名石油公司都有使用。我國勝利油田從2006年開始對海底管線鋪設(shè)仿生草，至今已鋪設(shè)12 000多平方米，在使用效果上基本解決了二次沖刷、重復(fù)治理等難題。

圖1 仿生草的防護(hù)作用機(jī)理Fig.1 Protection mechanism of artificial grass

仿生草是基于海洋仿生學(xué)原理而開發(fā)研制的一種海底防沖刷的高新技術(shù)產(chǎn)品，由以下幾部分組成:仿生草安全保護(hù)網(wǎng)，新型高分子材料加工而成的仿生草葉片，仿生草安裝基墊，特殊材料制成的高強(qiáng)度錨帶，以及特殊設(shè)計(jì)的海底錨固裝置。

仿生草的防護(hù)作用機(jī)理如圖1所示。仿生草葉片在浮力作用下飄浮，海水受到仿生草的柔性粘滯阻尼作用，流速降低，減緩了水流對海床的沖刷;由于流速的降低和仿生草葉片的阻礙，使水流中夾雜的泥沙不斷地沉積到仿生草基墊上;經(jīng)過一段時間的沉積，形成沙丘從而有效控制對海床的沖刷，保護(hù)了海底結(jié)構(gòu)物。

英國SSCS通過實(shí)驗(yàn)給出了仿生草的應(yīng)用數(shù)據(jù):1)水深:適應(yīng)于0.5～340 m海域;2)地質(zhì):粉砂、泥沙及淤泥等地質(zhì);3)流速:1 m/s＜v＜5 m/s;4)含沙量:適應(yīng)含沙量較高的海域;5)仿生草設(shè)計(jì)迎水面坡度小于30°。

實(shí)際工程中，仿生草適應(yīng)的水深一般在40 m以內(nèi)，最深處可達(dá)到80 m。我國主要應(yīng)用在勝利油田和東海平湖油氣田，水深分布在7～22 m。但在水深小于5 m的灘海區(qū)域，工程應(yīng)用還是空白。由于專利和知識產(chǎn)權(quán)的限制，國內(nèi)學(xué)者無法獲得仿生草樣品，只進(jìn)行了一些相似材料的水槽試驗(yàn)，得出了灘淺海“人工草”應(yīng)用局限性的結(jié)論，但還無法通過試驗(yàn)進(jìn)行定量分析研究。

2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目經(jīng)相關(guān)單位授權(quán)后得到仿生草工程樣品，試驗(yàn)材料由材料商按照試驗(yàn)比尺加工，在國內(nèi)首次開展了水流作用下灘海區(qū)域仿生草防護(hù)效果試驗(yàn)，但需說明的是，本試驗(yàn)未能進(jìn)行仿生草柔性模擬。

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

物理模型試驗(yàn)在波浪水槽中進(jìn)行，該水槽可同時產(chǎn)生波浪、水流和風(fēng)。水槽的一端配有消浪緩坡，另一端配有推板式不規(guī)則波造波機(jī)，由計(jì)算機(jī)控制產(chǎn)生所要求模擬的波浪要素。該系統(tǒng)可根據(jù)需要產(chǎn)生規(guī)則波和不同譜型的不規(guī)則波。為消除水槽試驗(yàn)中波浪的多次反射，造波板上安裝二次反射吸收裝置(ARC)。水槽兩端設(shè)有出流口，安裝有兩臺雙向泵，可產(chǎn)生不同流速的水流。水槽頂部裝有吸風(fēng)裝置，調(diào)節(jié)吸風(fēng)裝置的轉(zhuǎn)速產(chǎn)生不同風(fēng)速的風(fēng)。

2.2 模型設(shè)計(jì)

對于水流作用下結(jié)構(gòu)物周圍局部沖刷，由于其動力條件在結(jié)構(gòu)物周圍呈現(xiàn)三維特點(diǎn)，特別是在沖刷發(fā)生后，因此應(yīng)采用正態(tài)模型進(jìn)行試驗(yàn)。遵循JTJ/T234-2001波浪模型試驗(yàn)規(guī)程相關(guān)規(guī)定，按照Froude數(shù)相似律設(shè)計(jì)，模型幾何比尺采用1∶10。水流采用恒定流，模型中的流速按重力相似準(zhǔn)則確定。

2.3 沖淤試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜕尺x取

試驗(yàn)選用中石油遼河油田海南8海底管道海域水流及海岸泥沙資料，采用煤粉作為模型沙，中值粒徑d50=0.45 mm，γs=1.38 t/m3，模擬原型起動摩阻流速0.03 m/s的海床。不同水深時水流作用下泥沙起動相似比尺見表1?？梢娝髯饔孟赂魉钤蜕澈湍Ｐ蜕称饎恿魉傧嗨票瘸呋窘咏魉俦瘸咧?。

表1 水流作用下泥沙起動流速及其比尺Tab.1 Incipient velocity of sediment under water currents and its scales

2.4 仿生草模擬

仿生草采用英國公司的T25型工程樣品:尺寸5.0 m×5.0 m，地錨16個，重140 kg，仿生浮草標(biāo)準(zhǔn)長度為1.25 m。

仿生草間距、長度和密度按模型幾何比尺(1∶10)縮小，仿生草模型材質(zhì)與原型相同，模型長度為12.5 cm。

2.5 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)分為定床和動床模型兩部分。在定床模型試驗(yàn)中進(jìn)行水流作用試驗(yàn)，研究仿生草的緩流效果;在動床模型試驗(yàn)中研究水流作用下仿生草周圍泥沙沖淤變化。

2.5.1 定床物理模型

根據(jù)研究內(nèi)容，沿水槽鋪設(shè)1 m長(原型10 m)的仿生草段，在仿生草段內(nèi)及前后布置6個流速測點(diǎn)，測量仿生草內(nèi)、外流速變化(見圖2)。

圖2 流速測點(diǎn)布置Fig.2 Layout of measuring points for velocity

2.5.2 動床物理模型

沿水槽鋪設(shè)長3.5 m(原型35 m)，厚10 cm(原型1 m)的動床段，模型沙采用d50=0.45 mm，γs=1.38 t/m3的煤粉。仿生草段固定在動床中部，前、后動床段分別為1.5 m和1.0 m(模型長度)(見圖3)。試驗(yàn)中測量不同時段的沖淤地形，觀測地形變化情況。

圖3 動床模型試驗(yàn)布置Fig.3 Layout of mobile bed model tests

3 定床模型試驗(yàn)成果

水流作用下，仿生草順?biāo)鞣较虻狗?，倒伏程度隨水流流速增大而增大。在水深6 m、流速1.5 m/s條件下，長度1.25 m的仿生草倒伏后的高度約為0.7 m;在水深2 m、流速1.5 m/s條件下，長度1.25 m的仿生草倒伏后的高度僅為0.6 m。倒伏后的仿生草葉片覆蓋在海床上，形成一個覆蓋層。

3.1 仿生草前后流速垂線分布

仿生草的存在使仿生草內(nèi)流速減小，同時增大了草外流速，改變流速沿水深的分布。圖4為水深6 m時仿生草段內(nèi)與段外流速垂線分布的比較。由圖可見，在水流作用下，仿生草倒伏后使草內(nèi)流速減小，與此同時，也使草上部水體流速增大，增幅最大約20%。

圖4 水深6 m時仿生草段內(nèi)與段外流速垂線分布Fig.4 Vertical distribution of flow velocities of test reaches with and without artificial grass

3.2 仿生草前后流速沿程分布

仿生草的緩流作用主要體現(xiàn)在減小水流對仿生草下局部海床的作用，以達(dá)到保護(hù)海底管線的目的。因此，試驗(yàn)測量了不同工況水流作用下仿生草下距海床面高度0.4 m和0.6 m處的流速。圖5為水深6 m時仿生草段前后水流流速沿程變化，圖6為水深4 m時仿生草段前后水流流速沿程變化，圖7為水深2 m時仿生草段前后水流流速沿程變化。

圖5 水深6 m時仿生草段前后水流流速沿程變化Fig.5 Variation of flow velocities before and after test reach with artificial grass under water depth of 6 m

圖6 水深4 m時仿生草段前后水流流速沿程變化Fig.6 Variation of flow velocities before and after test reach with artificial grass under water depth of 4 m

圖7 水深2 m時仿生草段前后水流流速沿程變化Fig.7 Variation of flow velocities before and after test reach with artificial grass under water depth of 2 m

由圖可見:

1)鋪設(shè)仿生草對減小作用于鋪設(shè)段海床的水流動力有較好的效果;

2)水深較大(4～6 m)時，仿生草鋪設(shè)段內(nèi)近底流速明顯減小;

3)水深較小(2 m)時，與水深較大情況有所不同，仿生草鋪設(shè)段內(nèi)近底流速只有中間點(diǎn)有所減小，大部分區(qū)域變化不大，有些位置的草內(nèi)流速還略大于草外。這主要是由于水深較小時，仿生草的鋪設(shè)減小了過水?dāng)嗝婷娣e，并且占過水?dāng)嗝婷娣e的比例較大，使得斷面流速增大較多，草內(nèi)的流速也相應(yīng)增大。

4 動床模型試驗(yàn)成果

分別進(jìn)行了水深6 m和2 m、流速2.0 m/s和1.5 m/s的水流作用下，仿生草(鋪設(shè)段長10m)附近海床沖淤變化試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，水流作用下，由于水流流速超過海床粉土起動流速，海床普遍出現(xiàn)沖刷，挾沙水流經(jīng)過仿生草鋪設(shè)段時，由于草內(nèi)近底流速減小，大量泥沙落淤下來。隨著水流作用時間的延長，海床沖刷深度增加，鋪草段淤積也不斷增加。水流沖淤試驗(yàn)結(jié)果見圖8。

水深6 m，水流流速1.5 m/s條件下，仿生草鋪設(shè)段前海床出現(xiàn)沖刷，鋪設(shè)段內(nèi)發(fā)生淤積，在水流作用3.2 h(原型)后，鋪草段最大淤積厚度為0.8 m(原型)。

水深2 m，水流流速1.5 m/s條件下，可以明顯發(fā)現(xiàn)沖淤形態(tài)與6 m水深時不同，仿生草鋪設(shè)段前海床的普遍沖刷并不大，而鋪設(shè)段前部首先發(fā)生沖刷，后部出現(xiàn)淤積。隨著水流作用時間的延長，鋪設(shè)段前部沖刷深度增大，后部淤積體逐漸后移并增高，在水流作用6 h(原型)后，鋪草段最大沖刷深度達(dá)到1.0 m，后部淤積體也逐漸推移到鋪草段后。

水深2 m，水流流速2.0 m/s條件下，由于水位較低、流速較大，仿生草鋪設(shè)段前海床及鋪設(shè)段前部都出現(xiàn)了較大沖刷，鋪設(shè)段前部沖刷更為嚴(yán)重，在水流作用1.6 h(原型)后，鋪草段最大沖刷深度達(dá)到1.0 m，幾乎沒有淤積。

不同水深及流速下仿生草周圍沖淤試驗(yàn)結(jié)果表明，在水位較高(4～6 m)時，本次試驗(yàn)的仿生草有較好的緩流促淤效果，但在在水位較低(2 m)時，不僅不能緩流促淤，還可能因鋪設(shè)密度較大的仿生草阻流，而產(chǎn)生較大的局部沖刷。

圖8 不同水流條件下仿生草周邊沖淤變化Fig.8 Variation of scour and deposition around artificial grass under different water currents

5 結(jié)語

1)水流作用下，海底仿生草順?biāo)鞣较虻狗?，倒伏程度隨水流流速增大而增大;仿生草倒伏后使草內(nèi)流速減小，同時也使草外流速增大。

2)鋪設(shè)仿生草對減小作用于鋪設(shè)段海床的水流動力有較好的效果;在水深較大(4～6 m)時，仿生草鋪設(shè)段內(nèi)近底流速明顯減小;在水深較小(2 m)時，與水深較大情況有所不同，仿生草鋪設(shè)段內(nèi)近底流速只有中間點(diǎn)有所減小，大部分區(qū)域變化不大，有些位置的草內(nèi)流速還略大于草外。

3)水位較高時，仿生草有較好的緩流促淤效果，但在水位較低、流速較大時，仿生草不僅不能緩流促淤，還可能因鋪設(shè)密度較大的仿生草阻流，而產(chǎn)生較大的局部沖刷。

4)仿生草是一種有效的海底防沖刷技術(shù)，由于仿生草長度、間距、密度以及鋪設(shè)寬度等影響到其周圍的水動力參數(shù)及沖淤地形變化，特別是在灘海區(qū)域水深較小、流速較大時，水深小于2 m的灘海區(qū)域要慎重選用。

5)本次試驗(yàn)獲得仿生草授權(quán)，進(jìn)行了一種規(guī)格仿生草試驗(yàn)，試驗(yàn)組次有限，試驗(yàn)條件為海南8工況，后續(xù)試驗(yàn)將加強(qiáng)與海床泥沙條件、水流波浪動力相適應(yīng)的仿生草布置、仿生草高度及密度等系列研究，探索灘海區(qū)域仿生草防護(hù)技術(shù)機(jī)理。

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