Spoiler自埋技術(shù)特點(diǎn)及其在杭州灣海底管道運(yùn)行情況分析

楊元平，吳修廣，劉光生，謝東風(fēng)，張芝永

(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(jì)研究院，浙江 杭州，310020)

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Spoiler自埋技術(shù)特點(diǎn)及其在杭州灣海底管道運(yùn)行情況分析

楊元平1，2，吳修廣1，2，劉光生1，2，謝東風(fēng)1，2，張芝永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(jì)研究院，浙江 杭州，310020)

海底管道阻流板(Spoiler)自沉埋技術(shù)是一種新型管道自埋技術(shù)，為深入了解其作用機(jī)制及其效果，本文通過(guò)分析安裝有阻流板的杭州灣海底管道歷年檢測(cè)資料，結(jié)合管道附近海域海床、潮流動(dòng)力特性,深入探討了阻流板裝置在實(shí)際工程中的運(yùn)行效果，分析了其作用機(jī)制及其適用條件。研究發(fā)現(xiàn)安裝阻流板裝置的杭州灣海底管道在往復(fù)潮流作用下逐漸埋入海床，其埋入段長(zhǎng)度由2005年的50%增加到2013年的80%以上，而且平均埋入深度超過(guò)2.6 m，自埋效果較好；而在管道路由與海流平行段或管道敷設(shè)于抗沖刷強(qiáng)海床上時(shí)，阻流板作用不能有效發(fā)揮，管道仍然呈現(xiàn)裸露狀態(tài)。

海底管道；阻流板；自埋；杭州灣

0　引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，陸域資源和空間日益緊缺，人類逐漸向海洋進(jìn)軍，我國(guó)也把發(fā)展海洋經(jīng)濟(jì)上升到了國(guó)家戰(zhàn)略高度。海底管道作為海上油氣生產(chǎn)和輸運(yùn)的重要方式，是海上油氣資源儲(chǔ)運(yùn)輸送的生命線工程。海底管道一旦發(fā)生破壞事故，不僅會(huì)造成巨大的財(cái)產(chǎn)損失，而且造成惡劣的、長(zhǎng)期的環(huán)境及社會(huì)影響。因此海底管道的安全問(wèn)題受到各國(guó)的高度重視，國(guó)際上許多研究機(jī)構(gòu)、石油公司和管道工程公司投入了大量的人力物力對(duì)海底管道在海床上的穩(wěn)定性問(wèn)題進(jìn)行研究。

目前海底管道主要采用2種方式埋入海床，一種是采用水下開溝設(shè)備挖溝，然后將管道鋪設(shè)在已開溝槽中；另一種是采用管道安裝擾流板(Spoiler)[1]裝置的自埋技術(shù)，作為一種新型管道埋設(shè)技術(shù)，由于其具有自埋作用，能適應(yīng)海床沖刷變化，一次施工后，避免運(yùn)行期管道裸露懸空情況發(fā)生，后期維護(hù)費(fèi)用大大降低，是一種經(jīng)濟(jì)有效的管道自埋技術(shù)。

近年來(lái)長(zhǎng)江口陸域來(lái)沙量銳減，東海海域海床出現(xiàn)沖刷趨勢(shì)，對(duì)該海域海底管道安全造成不利的影響，管道裸露懸空風(fēng)險(xiǎn)增大，目前東海已建海底管道裸露、懸空情況嚴(yán)重，海底管道斷裂事故也時(shí)有發(fā)生①浙江省水利河口研究院.杭州灣海底輸油管道沖刷規(guī)律研究[R].2005.。杭州灣海底管線海域潮強(qiáng)流急，海床沖淤劇烈，如采用傳統(tǒng)的預(yù)挖溝或后挖溝敷設(shè)方式，埋設(shè)深度較大，施工困難，運(yùn)營(yíng)期維護(hù)難度較大。考慮工程海域潮流泥沙動(dòng)力條件及海床沖淤情況，杭州灣海底管道選用了Spoiler技術(shù)敷設(shè)。投產(chǎn)運(yùn)營(yíng)以來(lái)歷年檢測(cè)表明，海底管道運(yùn)行初期下埋迅速，運(yùn)行6 a后即有80%以上管段埋入海床之下，此后埋入段長(zhǎng)度和埋深基本保持穩(wěn)定且略有增大，說(shuō)明Spoiler技術(shù)能適應(yīng)杭州灣海域潮強(qiáng)流急、海床沖淤變幅大的特點(diǎn)。

本文通過(guò)對(duì)安裝有Spoiler自沉裝置的杭州灣海底管道運(yùn)行情況的分析，探討了Spoiler技術(shù)自沉作用及其使用條件，對(duì)其他類似海底管線的非挖溝埋設(shè)及沖刷防護(hù)具有重要的借鑒意義。

1　杭州灣海底管道概況

杭州灣海底管道路由北起平湖白沙灣，南至慈溪半掘浦閘，2004年年底竣工，管道路由線路見圖1。

工程海域?qū)侔肴粘绷骱^(qū)，潮流運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)為往復(fù)流，潮流動(dòng)力強(qiáng)，漲、落潮流速均較大，2009年金山—庵東斷面實(shí)測(cè)大潮漲潮最大垂線平均流速為3.44 m/s。漲、落潮含沙量大，路由海域海床易沖易淤，海床沖淤變幅大，局部段沖淤幅度超6 m,穿越管道需要有較大埋深，如采用預(yù)挖槽或后挖槽方式施工，施工期間工作條件惡劣，挖槽的回淤量大，管道埋設(shè)施工困難?？紤]施工條件及完工后確保管線安全埋深，選用預(yù)挖溝或后挖溝技術(shù)均不是經(jīng)濟(jì)和安全有效的方式。經(jīng)多方調(diào)研，對(duì)不同類型的管道埋設(shè)方法進(jìn)行評(píng)估，管線設(shè)計(jì)最終采用了安裝Spoiler阻流板的管道自掩埋法。

圖1　杭州灣海底管道路由圖[2]Fig.1　Route chart of submarine pipeline in Hangzhou Bay[2]

2　海底管道自沉技術(shù)和原理

管道產(chǎn)生自沉作用的阻流板是安裝在管道頂部類似魚“鰭”的裝置。阻流板[3]由翅板和底座組成，采用扎帶將底座及“鰭”固定在管道上方。為了減重和便于安裝，阻流板采用PVC材料制成，單塊阻流板的長(zhǎng)度控制在5 m左右，阻流板結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。為保證阻流板的底座能夠牢牢固定在管道上，底座采用圓弧形設(shè)計(jì)，其弧度與管道的外徑相匹配，根據(jù)不同的管徑設(shè)計(jì)不同尺寸的底座，寬度一般控制在150 mm左右。翅板高度一般根據(jù)流速大小和海床底質(zhì)條件確定，隨著管徑的增大，翅板的尺寸也相應(yīng)增高，翅板的厚度以保證足夠的強(qiáng)度為宜，一般為4 mm。

圖2　阻流板示意圖Fig.2　Layout of spoiler

圖3　翅板示意圖(單位：mm)Fig.3　Layout of fin(Unit: mm)

當(dāng)海底管道軸線垂直于水流流動(dòng)方向時(shí)，在管道背流側(cè)形成渦旋。安裝阻流板后，管道頂部水流受到阻擋[4-5]，管道兩側(cè)的壓力差明顯增大[6]，管道背流側(cè)漩渦增強(qiáng)，管底與海床間隙流速增大，導(dǎo)致管道底部和背流側(cè)沖刷，在往復(fù)流作用下管道周邊沖刷坑逐漸沖深，管道自重和阻流板產(chǎn)生的下壓力(負(fù)升力)作用促使管道下沉到?jīng)_刷坑內(nèi)[7]；當(dāng)潮流減弱，海床與管道周圍沖刷坑淤積，管道和阻流板埋入海底，阻流板的作用消失。當(dāng)海床再次發(fā)生沖刷，管道出露海床，管道頂部的阻流板會(huì)再次發(fā)揮作用，完成管道的進(jìn)一步自埋過(guò)程。安裝阻流板的管道能很好地適應(yīng)海床沖刷變形，當(dāng)海床發(fā)生沖刷變化時(shí)，由于阻流板在管道出露海床后能繼續(xù)發(fā)揮下沉作用，使管道繼續(xù)下沉埋入海床以下，能顯著降低后期運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用。

3　杭州灣海底管道海域特性

3.1潮流水文動(dòng)力特性

杭州灣天文潮屬于淺海半日潮，灣內(nèi)潮波基本上接近駐波形式，潮流的運(yùn)動(dòng)主要表現(xiàn)為往復(fù)流。杭州灣是典型強(qiáng)潮河口海灣，外海潮波經(jīng)傳入杭州灣后，受杭州灣的喇叭口外形及水深變淺等邊界條件影響，潮波產(chǎn)生劇烈的變形；南、北岸平均高潮位由灣口向?yàn)稠斞爻淘龈?，平均低潮位由灣口至灣頂沿程降低；潮差向?yàn)稠斣龃?，至澉浦平均潮?.6 m，實(shí)測(cè)最大潮差達(dá)9 m。漲潮流速自灣口向?yàn)稠斶f增，工程位置一般大潮漲、落急流速在3 m/s左右，橫向流速南岸大于北岸，垂向流速表層大于底層①。自20世紀(jì)60年代以來(lái)，錢塘江河口開展了大規(guī)模的治江圍涂，縮窄了江道，致高潮位有所抬高，潮差略有增大，流速分布也有所變化。

錢塘江流域來(lái)沙較少，杭州灣泥沙主要來(lái)自長(zhǎng)江口入海泥沙。從灣口到灣頂河床泥沙粒徑由細(xì)變粗，海底輸油管線所在海灣底質(zhì)中值粒徑為0.02～0.125 mm。杭州灣水體含沙量以細(xì)顆粒懸移質(zhì)為主，中值粒徑為0.004～0.016 mm。

3.2海床演變特性

杭州灣海底管道工程水域地貌單元，由北向南可分為北岸深槽、水下平臺(tái)、庵東邊灘。工程海域海床年內(nèi)呈“冬沖夏淤”的變化規(guī)律，夏半年(3月至8月)因錢塘江流域梅汛期徑流量大，泥沙通過(guò)澉浦?jǐn)嗝孑斚蚝贾轂?，?dǎo)致該段淤積；冬半年(9月至次年2月)因徑流偏枯，潮流相對(duì)較強(qiáng)，特別是秋季，乍浦段出現(xiàn)淤積。杭州灣海床年內(nèi)沖淤變化劇烈，管道附近實(shí)測(cè)年內(nèi)沖淤變幅4 m，年際沖淤變幅最大達(dá)10 m。杭州灣2003年3月—2010年10月實(shí)測(cè)水下地形及管道路由海域歷年檢測(cè)地形變化表明，杭州灣海底管道路由海域有3段存在沖刷趨勢(shì)：(1)北岸深槽附近；(2)王盤山附近；(3)南岸邊灘前沿。

4　杭州灣海底管道狀態(tài)變化分析

4.1掩埋狀態(tài)變化

杭州灣海底管道有3條管線并行穿越，管徑自西向東分別為10.75″(273 mm)、30″(762 mm)和28″(711 mm)，選有代表性的30″管道進(jìn)行管道狀態(tài)變化分析，其余2條管道狀態(tài)變化與30″相近。

杭州灣海底管道投產(chǎn)第1年(2005年)接近50%的管道裸露在海床面上；在Spoiler自沉作用下，第2年即有70%以上的管道埋入海床，在接下來(lái)的2006—2009年管道埋入段增多，KP5～KP37段逐漸埋入河床，且埋深逐年加大；至2010年后埋入段比例逐漸穩(wěn)定，80%以上管段埋入海床，管道非埋入段所占比例基本維持在20%以內(nèi)，非埋入段主要集中在KP2～KP4和KP39～KP49段[2]。杭州灣管道歷年埋入情況見圖4。

管道埋入海床深度逐漸增大，運(yùn)行第1年平均埋入海床0.76 m，2010年管道平均埋入深度為1.70 m，至2013年管道平均埋入深度已達(dá)2.60 m，2009年后埋入段比例(長(zhǎng)度)增長(zhǎng)很小的情況下，埋入段平均埋深仍呈逐年持續(xù)增大趨勢(shì)，且速度仍然不減表明在易沖易淤海床條件下，當(dāng)漲落潮流流速接近垂直于管道軸線時(shí)，管道在Spoiler自沉作用下逐年埋深，Spoiler自沉作用良好。

圖4　杭州灣管道埋入情況歷年變化Fig.4　Buried condition of submarine pipelinein Hangzhou Bay over the years

4.2非埋入段變化分析

運(yùn)行初期管道裸露較多，全線均有發(fā)生，隨著Spoiler自沉作用的發(fā)揮，大部分管道逐漸埋入海床，2011年后未能埋入海床的管道穩(wěn)定集中在KP2～KP4和KP39～KP49段。

KP1～KP5段管道運(yùn)行初期裸露和埋入狀態(tài)相間，還隨時(shí)間變化，近2 a裸露穩(wěn)定在KP2～KP4段之間。分析其原因，是由于受海域來(lái)沙量減少及管道路由海域兩岸圍墾、跨海灣橋梁及碼頭等工程建設(shè)的影響，近年來(lái)北岸深槽附近KP2～KP5段海床持續(xù)沖刷，表層易沖泥沙沖失，底部海床為沉積較久的土層，質(zhì)地較為密實(shí)，抗沖能力強(qiáng)，使KP2～KP4段管道靠自沉作用很難埋入海床，導(dǎo)致該段持續(xù)裸露。

KP37～KP49管段長(zhǎng)期以來(lái)一直以裸露為主，近年裸露穩(wěn)定在KP39～KP49之間。從岸線形態(tài)及流場(chǎng)來(lái)看，該段管道與南岸現(xiàn)狀岸線基本平行，漲、落潮流向與管道走向接近平行(圖5)。而Spoiler裝置只有在管線與流向垂直的時(shí)候自沉作用最好，隨著交角逐漸減小，自沉作用逐漸減弱，當(dāng)流向與管道走向平行時(shí)幾乎失去自沉作用。雖然該段泥沙較易沖淤，但由于Spoiler擾流沖刷作用很弱，周邊流場(chǎng)也無(wú)法產(chǎn)生對(duì)管道的下壓力，所以管道難以實(shí)現(xiàn)自沉，致該段管道自建設(shè)以來(lái)一直處于裸露狀態(tài)。

圖5　杭州灣南岸流場(chǎng)(漲急)Fig.5　The flow field near the south bank of Hangzhou Bay(maximum flood tide)

4.3管道垂向變動(dòng)

與運(yùn)行第1年相比，管道在2006年下沉較多，全線平均下沉達(dá)到0.48 m，2007年沉降量明顯減小，只有0.14 m，接下來(lái)的幾年每年的下沉量逐年減小，每年基本在0.10 m以內(nèi)，管道趨于穩(wěn)定，到2013年管道累積下沉平均為0.95 m。

管道運(yùn)行至今，累積最大沉降位置均發(fā)生在KP39+500附近，最大下沉5.3 m，而2012年地形測(cè)量發(fā)現(xiàn)該處海床沖淤變幅達(dá)4 m。原因在于當(dāng)海床沖刷時(shí)，海管隨海床一同下降，管頂高程降低；當(dāng)海床淤積時(shí)，海管停留在下降后的位置，管道埋入海床深度變大。

4.4平面擺動(dòng)

管道投入運(yùn)行后的第1年，管道擺幅較大，最大擺動(dòng)達(dá)到22 m，此后隨著管道逐漸下沉埋入海床，前后兩年年際之間管道擺動(dòng)幅度明顯減小，大部分管段擺幅都在2 m以內(nèi)，個(gè)別位置擺幅略大，但幅度也在6 m以內(nèi)。歷年檢測(cè)平面位置與2005年(第1次全線檢測(cè))比較，檢測(cè)期間管道平面位置累積偏移基本在5 m以內(nèi)。

管道投入運(yùn)行后的第1年平面位置擺動(dòng)較大，原因可能在于：(1)管道是直接敷設(shè)在海床表面，未開槽放置，受強(qiáng)潮流作用局部段擺動(dòng)較大；(2)竣工驗(yàn)收檢測(cè)與運(yùn)行檢測(cè)非同一家單位，檢測(cè)方法、誤差處理要求以及控制精度等方面存在差異或系統(tǒng)偏差。

5　結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)安裝有Spoiler自埋裝置的杭州灣海底管道運(yùn)行情況進(jìn)行分析，討論Spoiler裝置的自埋機(jī)制和自埋效果，總結(jié)了Spoiler的使用限制條件，得到如下結(jié)論：

(1)杭州灣海底管道運(yùn)行第1年(2005年)即有50%左右埋于海床床面以下，6 a后(2010年)埋入海床管段達(dá)到80%以上，平均埋深1.7 m；此后埋入長(zhǎng)度增長(zhǎng)緩慢，但平均埋深持續(xù)增大，9 a后(2013年)管道平均埋入海床深度2.60 m，埋深效果較好，說(shuō)明Spoiler技術(shù)在杭州灣海域具有良好的適應(yīng)性。

(2)北岸主槽段海床底質(zhì)為沉積年代較久的粉黏土，質(zhì)地較為密實(shí)，抗沖能力強(qiáng)，該段部分管道未能埋入海床以下；近南岸部分段路由走向與漲、落急流向接近平行，Spoiler的自埋作用難以發(fā)揮，因此南岸也有部分管段未能埋入海床以下。

(3)綜合分析來(lái)看，Spoiler裝置有效發(fā)揮其自埋作用，需要滿足2個(gè)關(guān)鍵條件：a) 管道路由軸線盡量與漲、落潮流向垂直，使Spoiler裝置在潮流作用下能有效發(fā)揮擾流和產(chǎn)生下壓作用；b) 管線路由海域海床易沖易淤，Spoiler裝置的擾流作用易于在管道底部形成沖刷溝。因此當(dāng)采用Spoiler裝置作為海底管道埋設(shè)方式，管道路由設(shè)計(jì)時(shí)要重點(diǎn)分析研究海域潮流流向及海床條件。

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Features of self-embedding technology of spoiler and operation analysis of submarine pipeline in Hangzhou Bay

YANG Yuan-ping1，2，WU Xiu-guang1，2，LIU Guang-sheng1，2，XIE Dong-feng1，2，ZHANG Zhi-yong1，2

(1.ZhejiangInstituteofHydraulics&Estuary,Hangzhou310020,China; 2.ZhejiangInstituteofMarinePlanningandDesign,Hangzhou310020,China)

Attaching a spoiler on the top of pipeline is a new method to enhance self-burial of pipeline. The pipeline state in Hangzhou Bay with spoiler was investigated in this study in order to understand the mechanism of spoiler. Based on the route survey data combined with the seabed and hydrodynamic characteristics, the effect of spoiler on self-burial of pipeline was discussed. The survey data illustrate that the percentage of buried pipeline increased from 50% in 2005 to over 80% in 2013, and the average buried depth increased to 2.60 m, which shows that this self-burial method is applicable in this region. While some sections of the pipeline where the flow direction is parallel to the route or on strong anti-erosion river bed are still exposed on the seabed due to the ineffectiveness of spoiler.

submarine pipeline; spoiler; self-burial; Hangzhou Bay

2016-02-26

2016-08-25

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(41376099)；浙江省科技廳公益性計(jì)劃研究項(xiàng)目資助(2016C33095)；浙江省科技廳條件建設(shè)項(xiàng)目資助(2014F10036)

楊元平(1974—)，男，甘肅武都縣人，高級(jí)工程師，主要從事海底管線安全評(píng)價(jià)及沖刷防護(hù)技術(shù)研究。E-mail: 24791407@qq.com

P756.2

A

1001-909X(2016)03-0057-05

10.3969/j.issn.1001-909X.2016.03.009

楊元平，吳修廣，劉光生，等.Spoiler自埋技術(shù)特點(diǎn)及其在杭州灣海底管道運(yùn)行情況分析[J].海洋學(xué)研究,2016,34(3):57-61,doi:10.3969/j.issn.1001-909X.2016.03.009.YANG Yuan-ping，WU Xiu-guang，LIU Guang-sheng，et al. Features of self-embedding technology of spoiler and operation analysis of submarine pipeline in Hangzhou Bay[J]. Journal of Marine Sciences, 2016, 34(3):57-61, doi:10.3969/j.issn.1001-909X.2016.03.009.