強潮海灣Spoiler海底管道沖刷機理分析

劉光生，楊元平，吳修廣，李　君

(1.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州310020；2.浙江省海洋規(guī)劃設(shè)計研究院，浙江 杭州310020)

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強潮海灣Spoiler海底管道沖刷機理分析

劉光生1,2，楊元平1,2，吳修廣1,2，李君1,2

(1.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州310020；2.浙江省海洋規(guī)劃設(shè)計研究院，浙江 杭州310020)

摘要:本文基于歷年檢測資料統(tǒng)計分析了杭州灣海底輸油管道裸露埋深狀態(tài)變化規(guī)律，結(jié)合水文地形測量資料、輔以數(shù)學模型手段，從Spoiler自埋設(shè)計、杭州灣水流特性、管道路由海床演變特性以及人類活動等多因素探索了杭州灣海底管道裸露埋深狀態(tài)變化的原因。研究結(jié)果表明：杭州灣管道80%以上處于埋深狀態(tài)，局部管段長期裸露，裸露管段主要位于北岸深槽和庵東邊灘灘坡區(qū)域；管道沖刷與管道路由海床演變特性、水流與管道夾角以及Spoiler自埋設(shè)計的發(fā)揮密不可分；杭州灣南岸圍墾工程的實施與該區(qū)域管道裸露、掩埋狀態(tài)密切相關(guān)。

關(guān)鍵詞:杭州灣；海底管線；Spoiler；海床演變；人類活動

0引言

杭州灣海底輸油管道位于杭州灣中段的乍浦-金山河段，北起杭州灣北岸白沙灣，南岸在寧波慈溪半掘浦閘處登陸，全長約54 km，管道路由見圖1，管道于2004年完成鋪設(shè)并投入運行。杭州灣海底輸油管道由3條平行管道組成，管徑依次為28″、30″和10.75″，管線之間平均間隔為50 m。杭州灣是著名的強潮海灣，具有潮差大、水流急、含沙量高、泥沙粒徑細、水深較淺、沖淤幅度大、兩岸人類活動顯著等特點[1-5]。為適應(yīng)杭州灣復雜的海洋環(huán)境，管道在設(shè)計階段選用了國際先進的管道自埋技術(shù)，即擾流板(Spoiler)技術(shù)[5-10]。

長期以來關(guān)于杭州灣海底管道所在的杭州灣海洋動力泥沙條件、管道的Spoiler技術(shù)及海底管道沖刷研究較多，韓曾萃 等[1]介紹了杭州灣強潮海灣的特點，謝東風 等[2]用Delft 3D模擬了杭州灣水動力和黏性沉積物輸運過程，姜小俊 等[11]針對強潮地區(qū)提出了一種基于聲學探測技術(shù)的海底管線狀態(tài)檢測方法，向來華[10]通過聲學探測技術(shù)驗證了海底管道自埋狀態(tài)的演化過程，韓艷[8]通過理論分析和物理模型試驗研究了Spoiler對海底管線的防護，單丹丹[9]通過數(shù)值模型研究了海底管道自埋機理，張瑋 等[12]研究了人類活動對冊鎮(zhèn)海底輸油管道沖刷的影響。關(guān)于杭州灣水流、演變特性及Spoiler自埋技術(shù)的研究已取得豐碩的研究成果，但以往研究成果均未給出強潮河口Spoiler海底管道整體裸露及掩埋狀況，未將強潮海灣水流、演變特性與Spoiler自埋設(shè)計有機結(jié)合綜合分析管道沖刷機理，未提及杭州灣兩岸人類活動對管道沖刷的影響。本文以杭州灣海底輸油管線為研究對象，利用管道歷年檢測資料系統(tǒng)分析管道裸露掩埋狀態(tài)變化規(guī)律，基于杭州灣歷年水下地形圖，輔以數(shù)學模型手段綜合分析杭州灣水流、演變特性以及人類活動對Spoiler海底管道沖刷的影響，以期對杭州灣管線正常維護及其它管道建設(shè)提供科學依據(jù)及啟示。

圖1　杭州灣海底管道示意圖Fig.1　Diagram of the submarine pipeline in Hangzhou Bay

1管道路由海域概況

1.1地貌特征

杭州灣系錢塘江河口的潮流段，是一個典型的喇叭形強潮河口灣。灣口的上海市蘆潮港—寧波市鎮(zhèn)海斷面寬98.5 km，灣口外存在星羅棋布的舟山群島，自灣口向上游85 km處為灣頂，即海鹽縣澉浦-余姚市西三閘斷面，寬19.4 km。杭州灣基本呈東西走向，水域面積約4 800 km2[13]。杭州灣由于各區(qū)動力因素的差異塑造了不同的水下地貌單元，杭州灣管道路由途經(jīng)北岸深槽、潮流槽脊系和庵東邊灘等主要的地貌特征單元，圖2為管道路由斷面海床高程圖，管道路由海床高程由北岸向南岸不斷抬升，北岸深槽的管道路由海床高程達-20 m，南岸庵東邊灘處的路由海床僅在-5 m以內(nèi)。

圖2　2013年管道路由斷面海床高程Fig.2　The elevation of seabed section along submarine pipeline in 2013

1.2潮汐潮流

杭州灣屬于淺海半日潮。潮波經(jīng)外海傳入杭州灣后，受喇叭口外形及水深變淺等邊界條件影響產(chǎn)生劇烈變形，南、北兩岸平均高潮位由灣口向灣頂沿程增高，而平均低潮位灣口至灣頂沿程降低，潮差向灣頂增大，北岸的高潮位比南岸高，低潮位則相反，北岸潮差比南岸大[14]。據(jù)杭州灣管道路由所在斷面較近的乍浦長期潮位觀測資料(1953—2006年)統(tǒng)計顯示，乍浦站最高潮位5.50 m，最低潮位-3.66 m，平均高潮位2.53 m，平均低潮位-2.51 m，最大潮差7.82 m，平均潮差4.68 m。杭州灣潮流很急[3]，潮流的運動形式主要表現(xiàn)為往復流，2011年9月沿管道路由布測的水文觀測資料統(tǒng)計顯示，管道路由南側(cè)水域流速較北側(cè)大，最大流速分布在庵東邊灘邊坡附近水域，垂向平均最大可能流速達2.71 m/s，遭遇風暴潮等極端惡劣天氣最大可能流速將更大[5]，圖3為2011年9月兩水文測點(P1和P2)的流速和流向圖，點位見圖1。

2管道狀態(tài)

以管頂高程為0基準面的2013年30″管道埋深狀態(tài)見圖4，實線代表路由海床相對高程，虛線分別代表管頂和管底高程。實線在兩虛線之上代表管道埋深，實線在兩虛線之間代表管道裸露，實線在兩虛線之下代表管道懸空。由圖可知，30″海底輸油管道整體呈埋深狀態(tài)，埋深比例在80%以上，埋深段集中在杭州灣中間段的潮流槽脊系，埋深基本在2 m以上，最大埋深達6 m；局部裸露段僅占20%以內(nèi)，分布在管道兩端的北岸深槽和庵東邊灘灘坡處，分別位于里程KP3附近及KP39～KP47；個別懸空管段分布在KP39～KP47區(qū)域內(nèi)，懸空高度較小，均在0.3 m以內(nèi)。

圖3　2013年9月杭州灣水文測點流速特征圖Fig.3　The velocity characteristics of hydrological measurement points of Hangzhou Bay in Sep. 2011

圖4　杭州灣30″管道2013年埋深狀態(tài)圖Fig.4　The buried status of 30″submarine pipeline of Hangzhou Bay in 2013

杭州灣海底30″管道歷年狀態(tài)統(tǒng)計見表1。由表可知：2005年是管道運行第1年，50%以上的管道裸露在海床面上；2006—2008年管道埋入長度增多、埋深增加；至2009年后埋入長度所占比例逐漸穩(wěn)定在80%以上，而管道非埋入段所占比例基本維持在20%以內(nèi)，2009年后埋入段所占比例增長緩慢，但埋入段平均埋深仍在持續(xù)增大。管道懸空總長度較小，基本在20 m以內(nèi)。

圖5為30″管道裸露埋深管段變化圖。由圖可見2005年管道全線大部分裸露在海床上。2006—2011年KP1～KP5段管道呈裸露和埋入相間，近2 a裸露集中在KP2～KP4之間，KP5～KP37段先后逐年埋深，2012年以后基本完全埋入海床之下。管道運行至今，KP37～KP49管段長期以裸露為主，杭州灣海底管道懸空段主要出現(xiàn)在該區(qū)域。KP49至南岸登陸點以埋入為主。

表1　杭州灣30″管道歷年狀態(tài)統(tǒng)計表

圖5　杭州灣30″管道狀態(tài)歷年變化圖Fig.5　The status change of 30″submarine pipeline of Hangzhou Bay in previous years

3管道狀態(tài)變化分析

杭州灣海底輸油管道在時間和空間上均呈裸露、懸空以及埋深的狀態(tài)變化，管道狀態(tài)的變化是管道自埋設(shè)計(Spoiler)、海床演變特性、水流特征以及人類活動等綜合作用結(jié)果，下文將綜合以上各因素分析杭州灣海底管道狀態(tài)變化原因。

3.1自埋設(shè)計(Spoiler)作用

采用Spoiler設(shè)計的海底管道自埋過程基本可分為7個階段，分別為初始狀態(tài)、孔道沖刷、管道部分掩埋、尾流沖刷、沖刷動態(tài)平衡、再次孔道沖刷和管道回淤自埋[10]。圖6給出了KP10～KP20里程管段自埋效果分析圖，圖中包絡(luò)線代表2005年至2010年歷年檢測管道路由海床下包絡(luò)高程。由圖可看出，2010年較2005年管道明顯整體下沉，沉降量約1 m，2010年管底高程始終位于下包絡(luò)線以下位置，說明路由海床經(jīng)尾流沖刷或孔道沖刷后，管道在Spoiler產(chǎn)生的下沉力[8]作用下下沉。路由海床高程明顯高于管道高程說明管道在基本完成自埋過程后，路由海床不再有局部沖刷現(xiàn)象，管道開始回淤自埋。管道的自埋設(shè)計在杭州灣管道的中間段(KP5～KP35)充分發(fā)揮了作用，現(xiàn)該管段基本埋深在2 m以上。

圖6　杭州灣30″管道自埋效果分析圖Fig.6　The analytical chart of self burying on 30″submarine pipeline in Hangzhou Bay

3.2水流特征的影響

圖7為杭州灣海域漲急、落急流速矢量與管道軸線夾角示意圖。前文已介紹杭州灣呈明顯往復流，本文以漲急、落急水流作為代表研究管道軸線夾角問題。表2列出了不同區(qū)域管道軸線與漲急、落急水流夾角的統(tǒng)計情況，結(jié)合圖、表可知，管道軸線整體上與水流保持較大夾角，而在庵東邊灘區(qū)域因登陸點的偏移管道有一明顯轉(zhuǎn)折，致使該段管道軸線與水流基本平行，除該處夾角在15°范圍以內(nèi)外，其余管道軸線與水流夾角均在50°以上。杭州灣海底管道采用擾流板(Spoiler)自埋技術(shù)，相關(guān)研究成果[8-9]表明：管道所在水域水流流向與管道軸線夾角越大，Spoiler自埋效果越明顯。庵東邊灘灘坡處管段(KP39～KP47)因與水流基本平行，夾角很小，Spoiler在此處的自埋效果未能充分發(fā)揮，是管道長期裸露未能埋深的重要原因。

圖7　管道軸線與水流夾角示意圖Fig.7　The diagram of angle between submarine pipeline’s axes and tide

區(qū)域管道里程軸線與水流夾角/°漲急落急北岸深槽KP2～KP4>59>60中間區(qū)域KP5～KP36>53>53庵東邊灘KP39～KP47<8<14

3.3海床演變特性的影響

圖8　2003—2010年海床沖淤分布圖Fig.8　The change of seabed elevation from 2003 to 2010

圖8給出了2003年至2010年期間杭州灣的海床沖淤分布特征，由圖可知，管道路由海床演變主要呈淤積特性，淤積主要發(fā)生在庵東邊灘及中間大部分區(qū)域，沖刷發(fā)生在北岸深槽近岸區(qū)、王盤深潭以及庵東邊灘灘坡前沿。

由前文分析可知，位于北岸深槽的管段(KP2～KP4)軸線與水流呈較大夾角，Spoiler自埋設(shè)計能夠發(fā)揮一定作用，但由歷年檢測資料及海床演變特性可知該區(qū)域海床長期處于沖刷狀態(tài)，Spoiler在完成孔道沖刷之后，無法完成泥沙落淤、管道掩埋的過程，故管道一直處于裸露狀態(tài)，由于Spoiler仍能夠產(chǎn)生下沉力[8]使管道下沉，故該區(qū)域較少出現(xiàn)管段懸空現(xiàn)象。

通過庵東邊灘斷面歷年高程變化圖(圖9，斷面位置見圖8)可知，2003—2009年庵東邊灘不斷淤積，邊坡有進有退，但邊坡有變陡的趨勢，KP39～KP47管段所在的灘坡前沿不斷下切。該區(qū)域海床的沖刷特性致使KP39～KP47管段同北岸深槽管段一樣長期裸露，但由于該管段軸線與水流基本平行，Spoiler未能產(chǎn)生足夠的下沉力[8]，管道的沉降只能在重力作用下實現(xiàn)，因此該區(qū)域管段常有懸空現(xiàn)象存在。

圖9　庵東邊灘斷面歷年高程變化圖Fig.9　The change of seabed elevation on Andong Beach section

3.4人類活動的影響

杭州灣海底輸油管線南岸路由海床屬于庵東邊灘范疇，水深較淺，灘涂資源豐富，慈溪市為解決人多地少等問題，在南岸不斷開展灘涂圍墾工程，岸線不斷向海側(cè)推進，一號圍墾工程(圖1)于2012年合攏，規(guī)劃治導線內(nèi)灘涂將于近期實施圍墾，距管線約3 km，岸線形狀較管道鋪設(shè)前有很大改變，致使南岸管線路由水域的流場特性作出相應(yīng)調(diào)整。水流特性的改變對管道沖刷的影響一方面體現(xiàn)在海床演變的變化，庵東邊灘灘坡變陡及灘坡前沿不斷下切即是海床對圍墾工程的直接響應(yīng)；另一方面水流特性的改變直接關(guān)系到管道軸線與水流夾角問題，影響Spoiler

自埋設(shè)計作用的發(fā)揮。

本文借助二維潮流數(shù)學模型， 從水流與管道軸線夾角的角度研究杭州灣南岸圍墾工程的實施對管道影響。圖10分別給出了管道投入運行時、一號圍墾工程實施后以及規(guī)劃圍墾工程實施后3種工況的流場圖。由圖可知，管道剛投入運行時，處于庵東邊灘灘坡的KP39～KP47管段軸線與水流夾角較小，一號圍墾工程實施后夾角進一步減小，規(guī)劃工程實施后管道軸線與水流基本平行。經(jīng)統(tǒng)計分析，一號圍墾工程使落潮流夾角減小至6°～11°，規(guī)劃圍墾工程使落潮流夾角減小至4°～5°，漲潮流夾角變化較落潮流夾角變化小。杭州灣南岸圍墾工程的實施使管道軸線與水流夾角逐步減小，基本達到平行狀況，進一步削弱了Spoiler自埋設(shè)計效果的發(fā)揮，對杭州灣管線KP39～KP47管段的掩埋狀況更不利，在庵東邊灘邊坡變陡、灘坡前沿下切的演變背景下，該區(qū)域管段將長期裸露于海床之上，并伴隨局部懸空現(xiàn)象。

圖10　圍墾工程實施前后管線路由水域流場圖Fig.10　The flow field before and after reclamation project

4結(jié)論

本文基于歷年管道檢測資料統(tǒng)計分析了杭州灣海底輸油管道裸露埋深狀態(tài)變化情況，研究發(fā)現(xiàn)：杭州灣管道80%以上處于埋深狀態(tài)，局部管段長期裸露，裸露管段主要位于北岸深槽和庵東邊灘灘坡區(qū)域。結(jié)合水文地形測量資料、輔以數(shù)學模型手段，從Spoiler自埋設(shè)計、杭州灣水流特性、管道路由海床演變特性以及人類活動等多因素探索了杭州灣海底管道裸露埋深狀態(tài)變化的原因，結(jié)果表明：Spoiler自埋設(shè)計在管線中間段(KP5～KP35)充分發(fā)揮作用，管道全部掩埋，平均埋深在2 m以上，最大埋深達6 m。KP2～KP4管段由于北岸深槽的沖刷狀態(tài)長期裸露，Spoiler產(chǎn)生的下沉力使管道鮮有懸空現(xiàn)象。因庵東邊灘灘坡變陡、灘坡前沿不斷下切，KP39～KP47管段亦長期裸露，該管段軸線與水流夾角小于15°，Spoiler自埋設(shè)計無法充分發(fā)揮作用，常有懸空管段出現(xiàn)；杭州灣南岸圍墾工程的實施進一步減小管段軸線與水流的夾角，將不利于KP39～KP47管段狀態(tài)的好轉(zhuǎn)。

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收稿日期:2015-01-26修回日期:2015-12-09

基金項目:國家自然科學基金項目資助(51379190，41376099)

作者簡介:劉光生(1987-)，男，工程師，主要從事河口海岸工程潮流泥沙方面的研究。E-mail：327837599@qq.com

中圖分類號:P756.2

文獻標識碼:A

文章編號:1001-909X(2016)02-0053-07

Doi:10.3969/j.issn.1001-909X.2016.02.007

The scouring analysis of submarine pipeline used Spoiler in strong tide bay

LIU Guang-sheng1,2, YANG Yuan-ping1,2, WU Xiu-guang1,2, LI Jun1,2

(1.ZhejiangInstituteofHydraulicsandEstuary,Hangzhou310020,China； 2.ZhejiangInstituteofMarinePlanningandDesign,Hangzhou310020,China)

Abstract:The variation regularity of submarine pipeline’s status in Hangzhou Bay was analyzed based on inspecting data over years. The variational reasons of pipeline’s exposed and buried status were explored based on the hydrodynamic numerical model and the integrated factors such as the self-burying design of Spoiler, the flow characteristics and the seabed evolution, the human activities in Hangzhou Bay and so on. The results show that above 80% of the pipelines are buried under seabed，while some parts of pipeline are chronically unburied, and the unburied pipelines are mainly located in the deep groove of north shore and the frontier of Andong Beach. The pipeline’s scouring is close related to the seabed variational characteristics, the angle between the flow and pipeline, and the self-burying design of Spoiler. In addition, the reclamation project in the south beach of Hangzhou Bay may play an important rule for the pipeline’s exposed and buried status.

Key words:Hangzhou Bay; submarine pipeline; Spoiler; seabed evolution; human activity

劉光生，楊元平，吳修廣，等.強潮海灣Spoiler海底管道沖刷機理分析[J].海洋學研究,2016,34(2):53-59,doi:10.3969/j.issn.1001-909X.2016.02.007.

LIU Guang-sheng, YANG Yuan-ping, WU Xiu-guang, et al. The scouring analysis of submarine pipeline used Spoiler in strong tide bay[J].Journal of Marine Sciences,2016,34(2):53-59, doi:10.3969/j.issn.1001-909X.2016.02.007.