巨浪沖蝕威脅下的海底管道仿生草防護(hù)技術(shù)

李俊杰侯志民田培勝

(中石化海洋石油工程有限公司 上海物探分公司,上海201208)

海底管道是海洋油氣生產(chǎn)系統(tǒng)中一個(gè)不可缺少的重要組成部分,有著安全性高、連續(xù)性好、運(yùn)輸量大等顯著優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于海洋油氣運(yùn)輸中。據(jù)統(tǒng)計(jì),從1985年我國(guó)第一條海底輸油管道建成后的二十多年里,在我國(guó)海域累計(jì)鋪設(shè)海底管道已達(dá)60多條,總長(zhǎng)度超過(guò)3 000 km[1]。

海底油氣管道的安全狀況直接影響著海洋油氣開發(fā)的發(fā)展,尤其是在環(huán)保意識(shí)日益加強(qiáng)的今天,相關(guān)部門和企業(yè)都加強(qiáng)了對(duì)海管狀態(tài)的檢測(cè)以及危險(xiǎn)海管的防護(hù)。而我國(guó)海底管道的現(xiàn)狀也不容樂(lè)觀。勝利油田埕島海域已鋪設(shè)的61根海底輸油管道中,僅5根未出現(xiàn)懸空現(xiàn)象,管道懸空高度平均值為1.33 m,最大值為2.5 m;平均懸空長(zhǎng)度為15.1 m,最大為30.0 m;懸空長(zhǎng)度大于等于20.0 m的為18根,大于等于10.0 m的有38根[2]。東海平湖油氣田海底管道于2000-10,2000-11先后兩處海管發(fā)生疲勞斷裂,根據(jù)歷年海管檢測(cè)和探摸回填情況,發(fā)現(xiàn)該管道沖刷懸空現(xiàn)象呈逐年增加的趨勢(shì)。國(guó)內(nèi)外的一些調(diào)查研究表明,波浪、海流造成的沖刷懸空是引起海底管道事故的主要原因之一。海底管道懸空段的存在會(huì)降低海底管道的承載能力,縮短管道使用壽命,增加管道運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn),所以采用有效的沖刷防護(hù)技術(shù)以保證海底管道的穩(wěn)定性是很有必要的。

目前常用的海底管道沖刷防護(hù)技術(shù)以拋石、沙袋填充、打樁、土工布等為主,這些技術(shù)方法主要是通過(guò)增加海底管道附近海床或管道支撐基礎(chǔ)的抗沖刷強(qiáng)度來(lái)達(dá)到減弱沖刷的目的,經(jīng)過(guò)實(shí)踐檢驗(yàn),取得了很好的效果。但另一方面,這些技術(shù)方法共同的缺點(diǎn)就是實(shí)施工程龐大,消耗巨大,成本較高,且很容易出現(xiàn)“二次沖刷”的問(wèn)題。因此,根據(jù)“堵不如疏”的思路,一些學(xué)者和技術(shù)人員開始研究通過(guò)降低海管附近流速的方法來(lái)應(yīng)對(duì)海底沖刷。仿生草技術(shù)就是在這種指導(dǎo)思想下發(fā)展起來(lái)的一種技術(shù)。

1 仿生草技術(shù)原理

仿生草技術(shù)于19世紀(jì)80年代中期在英國(guó)開發(fā)研制成功,并首先應(yīng)用于海底管道的無(wú)溝鋪設(shè)。1984年夏天,英國(guó)率先在北海的一條裸露海底管線周圍鋪設(shè)仿生草,一年半后對(duì)這條管線進(jìn)行勘查,發(fā)現(xiàn)這條管線已經(jīng)重新被沉積物完全覆蓋,成為世界上運(yùn)用仿生草技術(shù)成功的第一例[3]。1996年,英國(guó)農(nóng)業(yè)漁業(yè)部、美國(guó)農(nóng)業(yè)牧漁工程局等官方機(jī)構(gòu)批準(zhǔn)了仿生草技術(shù)的應(yīng)用,認(rèn)為其是對(duì)海洋植物和魚類沒(méi)有任何負(fù)面影響的環(huán)保技術(shù)[4]。在國(guó)外,此項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)成熟,經(jīng)過(guò)大力推廣,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,是國(guó)際上普遍采用的比較理想的沖刷控制措施[5]。

在我國(guó),焦如義于1997年首先提出了可以在國(guó)內(nèi)應(yīng)用仿生草技術(shù)來(lái)處理海底懸跨管線的思路,分析了仿生草技術(shù)的應(yīng)用范圍和優(yōu)點(diǎn),認(rèn)為仿生草技術(shù)在我國(guó)具有廣闊的發(fā)展前景[3]。呂明春[6]分析了傳統(tǒng)的海底管線治理方法所存在的弊端,認(rèn)為仿生草技術(shù)具有很明顯的優(yōu)勢(shì)。劉錦昆等[4,7-9]對(duì)埕島海域的仿生草治理效果研究表明,仿生草可以降低水流流速、減緩海床沖刷,對(duì)海底管線保護(hù)效果顯著。梁富浩等[10]認(rèn)為采用拋填沙袋與鋪設(shè)仿生草相結(jié)合的辦法可以起到永久性的防沖刷效果。

仿生草技術(shù)是通過(guò)安裝基墊和特殊設(shè)計(jì)的海底錨固裝置,將仿生海草錨固在懸空管道段或需控制沖刷發(fā)展管道段附近的海床,這些仿生海草是采用新型高分子材料加工而成,具有耐海水浸泡、抗長(zhǎng)期沖刷的特點(diǎn)。當(dāng)海水流經(jīng)仿生草設(shè)施時(shí),由于受其黏滯阻尼作用影響,流速降低,水流沖刷能力減弱,沖刷強(qiáng)度降低;另一方面,流速降低導(dǎo)致水流中攜帶搬運(yùn)的部分沉積物不斷沉積下來(lái),加強(qiáng)了管道附近海床強(qiáng)度,這也是英國(guó)北海管道無(wú)溝鋪設(shè)成功實(shí)施的原因。通過(guò)上述兩方面防沖促淤機(jī)理的聯(lián)合作用,達(dá)到控制海管附近海床沖刷的目的[10](圖1)。

圖1 仿生草技術(shù)原理示意圖Fig.1 A sketch diagram showing the principle of bionic grass technology

2 物理模型試驗(yàn)

波生流是近岸區(qū)一種重要的水動(dòng)力現(xiàn)象,直接影響著海岸地形地貌的演變。隨波浪入射方向與地形的不同,波生流會(huì)呈現(xiàn)出不同的形態(tài)。當(dāng)波浪斜向入射時(shí),會(huì)形成指向下游的沿岸流;當(dāng)波浪正向入射時(shí),平面形成增減水,并且在破波帶內(nèi)形成底部離岸流;此外當(dāng)沿岸地形不均勻時(shí),波浪折射會(huì)導(dǎo)致裂流結(jié)構(gòu)。而實(shí)際上在近岸區(qū),幾種波生流結(jié)構(gòu)往往會(huì)疊加在一起,構(gòu)成復(fù)雜的螺旋型近岸流體系[11]。

本文通過(guò)物理模型,模擬強(qiáng)波浪作用下在砂質(zhì)、粉質(zhì)海床上鋪設(shè)管道附近使用仿生草防護(hù)技術(shù)的情況,以研究探討在巨浪沖蝕條件下仿生草技術(shù)的防護(hù)效果。考慮海床底質(zhì)因素,未對(duì)泥質(zhì)海床進(jìn)行試驗(yàn)。

試驗(yàn)水槽(圖2)長(zhǎng)62.0 m、寬1.5 m、高1.1 m,有效工作水深0.70 m。試驗(yàn)用水為生活用自來(lái)水。水槽底部為混凝土結(jié)構(gòu),槽體采用鋼架結(jié)構(gòu),兩個(gè)邊壁鑲嵌有20 mm厚的玻璃便于觀測(cè)。水槽的造波系統(tǒng)為推板式造波機(jī),由電液伺服計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)來(lái)控制造波,可以生成周期0.6～3.5 s的規(guī)則波和長(zhǎng)峰隨機(jī)波。造波機(jī)的后部設(shè)有消能網(wǎng),以消除直立壁面對(duì)波浪的反射。在水槽末端設(shè)置消能灘,灘上布設(shè)有消能網(wǎng)、袋裝塊石等消浪措施。試驗(yàn)中通過(guò)步進(jìn)式地形測(cè)量?jī)x獲取地形數(shù)據(jù)(圖3)。

圖2 試驗(yàn)水槽Fig.2 The experimental tank for the physical model tests

圖3 步進(jìn)式地形測(cè)量?jī)xFig.3 A step-type topographic instrument

試驗(yàn)中,將1.5 m長(zhǎng)管道模型放置在試驗(yàn)區(qū)中央部位,并加以固定。在管道中央約10 cm、管道前后10 cm的范圍,布置“仿生草”,如圖4所示,以避免邊壁效應(yīng)的影響。

圖4 “仿生草”鋪設(shè)示意圖Fig.4 A sketch map of the bionic grass layout

2.1 試驗(yàn)步驟

1)將制備好的模型土樣抹平,并將管道模型固定并將仿生草模型布置好,加水至試驗(yàn)水深50 cm;

2)在管道軸線中點(diǎn)位置,沿垂直管道軸線方向布置測(cè)點(diǎn),測(cè)量管道附近原始地形;

3)啟動(dòng)造波裝置,產(chǎn)生波列,波浪作用一定時(shí)間后,造波機(jī)停止工作,等待水面趨于穩(wěn)定、水體基本清澈后,測(cè)量管道附近地形,比較波浪作用前后地形變化;

4)一組試驗(yàn)結(jié)束后,放干水槽中的水,取出管道,換成新的模型土樣后,重新將土樣抹平,固定管道,按照上述步驟進(jìn)行下組試驗(yàn)。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 砂質(zhì)海床

砂質(zhì)海床設(shè)計(jì)的土樣粒徑約為0.2 mm,放置管道后,按照設(shè)計(jì)波浪要素造波,波浪連續(xù)作用約40 min。測(cè)得試驗(yàn)前后管道附近地形變化見圖5。

圖5 砂質(zhì)海床波浪作用下管道地形變化Fig.5 The topographic change along the pipeline on sandy seabed under wave action

從圖5可以看出,經(jīng)過(guò)40 min的波浪作用后,不但在管道底部沒(méi)有沖刷,而且在管道前后形成了2個(gè)沙丘。這說(shuō)明,布設(shè)“仿生草”以后,不但有效防止了管道下部的海床沖刷,而且在管道前后形成兩處淤積點(diǎn)。在管道附近的促淤效應(yīng),使得海管有從裸露向掩埋發(fā)展的趨勢(shì),進(jìn)一步保障了海底管道的穩(wěn)定性,防止管道發(fā)生位移。

2.2.2粉質(zhì)海床

粉質(zhì)海床設(shè)計(jì)的土樣粒徑約為0.03 mm,放置管道后,按照設(shè)計(jì)波浪要素造波,波浪連續(xù)作用約47 min,測(cè)得試驗(yàn)前后管道附近地形變化如圖6。

圖6 粉質(zhì)海床波浪作用下管道地形變化Fig.6 The topographic change along the pipeline on silty seabed under wave action

從圖6看出,經(jīng)過(guò)47 min的波浪作用后,管道附近未發(fā)生明顯沖刷現(xiàn)象,在管道前后有0～1 cm厚度的淤積。這說(shuō)明仿生草在粉質(zhì)海床上也有一定的防沖促淤作用,但效果不及砂質(zhì)海床明顯。

2.3 “仿生草”布設(shè)位置與防護(hù)效果

設(shè)計(jì)一組試驗(yàn)將“仿生草”集中布設(shè)在管道上方,管道前后不布設(shè)“仿生草”。將管道平鋪在整理好的砂質(zhì)海床上,固定好,加水至設(shè)計(jì)水深50 cm,然后按照設(shè)計(jì)的波浪要素造波,作用45 min后停止造波,測(cè)得試驗(yàn)前后管道附近地形變化見圖7。

圖7 管道附近地形變化Fig.7 The topographic change around the pipeline

管道正下方?jīng)_刷深度約為3.8 cm,但在試驗(yàn)條件(水深、波浪要素、底床、作用時(shí)間等)完全相同、未布設(shè)“仿生草”的情況下,測(cè)得的管道正下方的沖刷深度約為2.3 cm。也就是說(shuō)上述“仿生草”布設(shè)方式,不僅不能促淤防沖,反而會(huì)加劇管道附近的沖刷。推測(cè)造成這種現(xiàn)象的原因是管道上方的“仿生草”密集,形成類似水壩的作用,使得流經(jīng)管道上部的水流受到阻擋,向下產(chǎn)生渦流,同時(shí)管道下方的水體受到壓縮,其流速將會(huì)增大,掏蝕管道底部海床。

3 仿生草技術(shù)的應(yīng)用

自2005年以來(lái),東海平湖海管某區(qū)域在歷次檢測(cè)中都發(fā)現(xiàn)有較多懸空段存在,經(jīng)過(guò)多次回填處理后效果仍不理想。經(jīng)探摸及檢測(cè),選擇一段回填沙包體相對(duì)完整且坡度相對(duì)較緩的海管區(qū)域,有利于仿生草的鋪設(shè)施工,并于2011-06-07完成了鋪設(shè)。

仿生草鋪設(shè)前后各2次合計(jì)4次檢測(cè)結(jié)果對(duì)比顯示(圖8):區(qū)域內(nèi)未鋪設(shè)仿生草的區(qū)段,雖然每年進(jìn)行兩次回填處理,但每次檢測(cè)中都發(fā)現(xiàn)回填沙包有不同程度的損毀,且存在較多懸空海管,沙包頂部水深變化明顯;鋪設(shè)仿生草的區(qū)段在仿生草鋪設(shè)前的兩次檢測(cè)(2010-10,2011-05)顯示,回填沙包頂部水深起伏較大,沙包損毀較為明顯,而在鋪設(shè)仿生草后回填沙包頂部水深無(wú)較大幅度起伏,基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖8 東沖溝區(qū)段仿生草鋪設(shè)前后各兩次水深對(duì)比圖Fig.8 Water depth contrast diagram before and after the installation of bionic grass in the eastern gully area

仿生草鋪設(shè)后,分別于2011年、2012年對(duì)該區(qū)域潛水進(jìn)行過(guò)4次探摸檢查,結(jié)果顯示仿生草鋪設(shè)段的海底管道掩埋狀態(tài)均較好,未發(fā)現(xiàn)較大裸露以及懸空海管,泥沙淤積厚度達(dá)到0.2～0.6 m,頂部也淤積了少量浮泥。

4 結(jié) 論

懸空是影響海底管道安全的重要因素,而波生流是影響海岸地貌演變與輸沙過(guò)程的重要水動(dòng)力現(xiàn)象,巨浪可能在近岸區(qū)形成較強(qiáng)底流,對(duì)海底管道形成沖刷侵蝕。根據(jù)對(duì)仿生草技術(shù)的試驗(yàn)研究以及工程實(shí)踐,本文認(rèn)為該技術(shù)對(duì)于巨浪沖刷下海底管道防護(hù)是卓有成效的。海底管道附近海床沖刷的根本原因是水流流速超過(guò)了沉積物顆粒的起動(dòng)流速,沉積物顆粒發(fā)生懸浮、運(yùn)移。仿生草技術(shù)通過(guò)阻尼作用,降低附近水流流速,減弱水流搬運(yùn)能力,起到對(duì)管道沖刷的防護(hù)作用。

1)仿生草技術(shù)對(duì)海底管道沖刷有很好的防護(hù)作用,這點(diǎn)通過(guò)該技術(shù)在平湖海管中的實(shí)際應(yīng)用也得到了進(jìn)一步證實(shí)。尤其是對(duì)于砂質(zhì)海床效果更為顯著,不僅防止管道下方海床受到?jīng)_刷,由于流速降低,還使得懸浮在水體中的顆粒在管道附近沉積下來(lái),保護(hù)管道免受沖刷,防止管道發(fā)生位移,極大增強(qiáng)了管道穩(wěn)定性。對(duì)于粉質(zhì)海床也有一定的效果,但由于粉土顆粒更細(xì),同時(shí)由于黏膠顆粒的物理化學(xué)作用,孔隙中薄膜水的聯(lián)結(jié),具有比砂土高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,所以對(duì)流速變化反應(yīng)沒(méi)有那么敏感。

2)仿生草的布設(shè)方式對(duì)其防沖促淤效果有著重要的影響。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看,發(fā)揮作用的主要是布設(shè)在管道兩側(cè)的仿生草,兩側(cè)的仿生草將有效地降低了流經(jīng)海管的水流流速。如果將仿生草密集布設(shè)于管道上方,不僅不能保護(hù)底床,反而會(huì)加劇底床沖刷,這是由于水流受到管道上方仿生草阻擋在其前方形成渦流,加劇了管道前沖刷的強(qiáng)度。

3)理論上講,采用仿生草技術(shù)后,海底管道將不會(huì)再出現(xiàn)懸空,已有懸空也會(huì)得到緩解。但由于海域環(huán)境、底質(zhì)條件、施工能力、作業(yè)成本等因素,仍應(yīng)根據(jù)具體情況,結(jié)合沙包充填等傳統(tǒng)方法,針對(duì)懸空海管采取措施。

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