水下穿越管道附近河床演變特性試驗(yàn)

楊 乾 孫明楠 何 沫 楊慶華

1.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院 2.中國(guó)石油西南油氣田公司安全環(huán)保與技術(shù)監(jiān)督研究院

0 引言

穿越水域的輸油氣管道在管道工程當(dāng)中占有相當(dāng)大的比例。當(dāng)油氣管道穿越江河時(shí)，一般采用水下穿越和水上跨越兩種方式。對(duì)于前者而言，由于河床演變、河床沖刷和水流沖擊等作用，使得管道局部懸空或裸露而容易遭受破壞，從而嚴(yán)重影響水下穿越管道的安全服役。如1979年投產(chǎn)的馬惠寧線渠口農(nóng)場(chǎng)穿越黃河管道，運(yùn)營(yíng)不到5年便被洪水沖斷，造成直接經(jīng)濟(jì)損失500余萬(wàn)元并停產(chǎn)21天[1]。

20世紀(jì)80年代，俞樂(lè)群[2-3]便開(kāi)始了對(duì)穿越管道的研究。黃金池[4]在1998年分析了河床演變對(duì)穿越管道的影響，并提出了減少水毀災(zāi)害的相應(yīng)措施。白路遙等[5]考慮河流上游洪水來(lái)沙因素重新建立了沖刷深度計(jì)算模型，為油氣管道穿越高含沙河流埋深的確定提供了理論依據(jù)。唐萬(wàn)金等[6]依據(jù)工程實(shí)例，提出在考慮沖刷公式的基礎(chǔ)上，應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)厮牡刭|(zhì)條件最終選擇設(shè)計(jì)沖刷深度。張芝永[7]通過(guò)數(shù)值模擬方法提出一種預(yù)測(cè)局部沖刷平衡深度的新方法，為水下管道局部沖刷平衡深度預(yù)測(cè)提供了技術(shù)手段。Azamathulla和Zakaria[8]將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Artificial Neural Network，ANN）方法應(yīng)用到管道沖刷深度估算中，并驗(yàn)證了該方法的有效性。除此之外他還研究了局部管道沖刷深度的時(shí)間變化規(guī)律，以估算沖刷深度，并提出了一種能夠很好地預(yù)測(cè)相對(duì)沖刷深度的回歸模型[9]。徐濤龍等[10]、姚安林等[11]、付冉等[12]和Zhao等[13]均采用數(shù)值模擬方法，對(duì)穿越管道懸空長(zhǎng)度的動(dòng)態(tài)演變過(guò)程進(jìn)行了分析，得到不同工況下管道的臨界懸空長(zhǎng)度，為河流穿越管道的設(shè)計(jì)和安全運(yùn)營(yíng)提供了數(shù)據(jù)支撐。較之于水下穿越管道，更多的學(xué)者更傾向于研究海底管道的沖刷問(wèn)題，如吳鈺驊等[14]、楊兵等[15]、臧志鵬等[16]、Zhao等[17]、Kim等[18]、Rao等[19]通過(guò)物理模型試驗(yàn)，研究海底管道局部沖刷的發(fā)展階段，探討了水下管道底砂床沙粒起動(dòng)的產(chǎn)生機(jī)理。常留紅等[20]、劉延鑫等[21]、陳兵和張樺[22]、Zhao等[23]通過(guò)數(shù)值模擬研究海底管道附近流場(chǎng)、壓力以及剪切力的變化，對(duì)海底管道局部沖刷機(jī)制進(jìn)行了分析。綜上所述不難發(fā)現(xiàn)，關(guān)于穿越管道的研究主要集中在沖刷深度預(yù)測(cè)和管道臨界懸空長(zhǎng)度計(jì)算等方面，而對(duì)于穿越管道附近河床演變過(guò)程的研究則甚少，雖然很多學(xué)者都研究了海底管道周圍河床演變過(guò)程和沖刷特性，但研究對(duì)象管道均處于半埋狀態(tài)，與水下穿越管道為全埋的初始條件不同，導(dǎo)致兩者在水流作用下河床演變與局部沖刷特性相異。為此，筆者通過(guò)單向流循環(huán)水槽試驗(yàn)，觀測(cè)分析穿越管道發(fā)生局部沖刷的物理過(guò)程和沖蝕剖面特征，研究了水下穿越管道附近河床演變規(guī)律及其對(duì)水下穿越管道的影響。

1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)在西南交通大學(xué)市政工程實(shí)驗(yàn)室循環(huán)水槽系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行，該系統(tǒng)由水槽、沉沙池、清水池、水泵、閥門(mén)和回水管組成（圖1）。水槽長(zhǎng)10 m、寬0.4 m、高0.7 m，水槽側(cè)壁均采用透明鋼化玻璃制成，便于觀測(cè)，水槽頭部設(shè)置有梯形堰和穩(wěn)流板，用于提供試驗(yàn)穩(wěn)定流量。距穩(wěn)流板下游2 m處設(shè)置試驗(yàn)段，全長(zhǎng)1.5 m，試驗(yàn)段前后各鋪設(shè)0.3 m長(zhǎng)的由1 cm以上粗顆粒礫石組成的護(hù)坡（圖2、3）。水槽尾部設(shè)置尾門(mén)，以調(diào)節(jié)水槽內(nèi)試驗(yàn)水深。試驗(yàn)均在清水沖刷機(jī)制下進(jìn)行，試驗(yàn)水溫（t）為15 ℃。根據(jù)弗勞德數(shù)計(jì)算公式：

圖1 水槽試驗(yàn)?zāi)Ｐ褪疽鈭D

圖2 試驗(yàn)段布置示意圖

圖3 試驗(yàn)段布置實(shí)圖

式中Fr表示弗勞德數(shù)；v表示斷面平均流速，m/s；A表示過(guò)流斷面面積，m2；B表示渠道液面寬度，m；h表示水深，m；g表示重力加速度，m/s2。計(jì)算得到水槽試驗(yàn)的弗勞德數(shù)介于0.306～0.808（表3），均小于臨界流Fr＝1。因此本試驗(yàn)水流均處于緩流狀態(tài)。

1.2 模型相似律

水力模型試驗(yàn)：在模型中重演（或預(yù)演）與原型相似的水流現(xiàn)象以觀測(cè)、分析、研究水流運(yùn)動(dòng)規(guī)律，其應(yīng)具有幾何相似、運(yùn)動(dòng)相似、動(dòng)力相似及初始條件和邊界條件相似這些要求，但在試驗(yàn)過(guò)程中，要同時(shí)滿足以上相似準(zhǔn)數(shù)相等幾乎不可能實(shí)現(xiàn)。因此，通常采用近似的模型方法，分析相似條件中的主、次關(guān)系，在模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)中盡量保證起主導(dǎo)作用的條件，對(duì)次要條件只作近似保證或忽略不計(jì)。

由于水下穿越管道在河流沖刷過(guò)程中，慣性力和重力起主導(dǎo)作用，因此采用重力相似準(zhǔn)則（弗勞德相似準(zhǔn)則）進(jìn)行水力模型設(shè)計(jì)，即：

式中λv表示速度比尺；λg表示重力加速度比尺，取1；λL表示長(zhǎng)度比尺。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)地條件，采用正態(tài)水力模型，本次試驗(yàn)選定的長(zhǎng)度比尺λL＝80，試驗(yàn)流體采用自來(lái)水，在此基礎(chǔ)上以單寬流量作為試驗(yàn)主要考慮條件，并使各個(gè)參數(shù)經(jīng)長(zhǎng)度比尺換算后得到對(duì)應(yīng)的水力因素控制在合理范圍之內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)，最終得到原型和模型之間對(duì)應(yīng)的各物理量的比例關(guān)系如表1所示。

表1 試驗(yàn)參數(shù)相似比尺關(guān)系表

1.3 模型沙和模擬管道

根據(jù)DL/T 5244—2010《水電水利工程常規(guī)水工模型試驗(yàn)規(guī)程》關(guān)于模型沖刷材料選擇的要求[24]：模擬砂礫石河床覆蓋層，宜用碎石散粒體，其粒徑宜按長(zhǎng)度相似換算選擇。因此，為了更合理模擬砂礫石河床的演變過(guò)程，選用石英砂作為本次試驗(yàn)的模型沙。根據(jù)某河流勘察得到的河床稍密卵石顆粒分析結(jié)果，按照長(zhǎng)度比尺λL＝80進(jìn)行設(shè)計(jì)，得到如表2所示的模型沙顆粒級(jí)配。

模型沙顆粒級(jí)配分析得到：粒徑相對(duì)比較均勻，主要集中在0.25～0.75 mm之間，根據(jù)級(jí)配曲線圖得到其中值粒徑d50＝0.55 mm，通過(guò)量筒法測(cè)得模型沙的容重為14.39 kN/m3，根據(jù)多個(gè)起動(dòng)流速計(jì)算公式[25]得到模型沙臨界起動(dòng)流速Vc＝0.2 m/s。

試驗(yàn)采用管徑為1 cm的空心光滑有機(jī)玻璃管作為模擬管道，試驗(yàn)前采用強(qiáng)力膠水將模擬管道兩端固定在水槽邊壁上，管道軸向與水流方向垂直，管道中心距水槽底6 cm，管頂覆沙1.5 cm，模擬管道位于試驗(yàn)段中部。

1.4 試驗(yàn)工況和流程

水下穿越管道沖刷是河流、河床和管道三者之間的動(dòng)力耦合作用問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)河床演變過(guò)程的研究表明，影響沖刷特性的因素較多，相互關(guān)系較為復(fù)雜，主要受床沙組成、管道尺寸、水動(dòng)力等因素的影響，由于河流水量隨季節(jié)變化較大，水動(dòng)力特性復(fù)雜，因此主要研究水動(dòng)力條件對(duì)穿越管道附近河床演變特性的影響。

為研究不同流速和水深對(duì)水下穿越管道局部沖刷的影響，試驗(yàn)共設(shè)計(jì)9個(gè)組別，3組流量和3組流速對(duì)應(yīng)9組水深（表3）。流量分別為4.05 L/s、5.40 L/s和 6.75 L/s，比值為 0.75∶1.00∶1.25，考慮到水流對(duì)河床的沖刷，選擇3種不同流速，即0.25 m/s、0.30 m/s和 0.40 m/s，分別為起動(dòng)流速的 1.25 倍、1.50倍和2.00倍。由于在水流沖刷過(guò)程中河床不斷下切，流速和水深隨河床演變而發(fā)生變化，因此試驗(yàn)工況中設(shè)計(jì)的流速和水深為河床沖刷前的試驗(yàn)流速和下游水深，分別對(duì)應(yīng)圖1中所示的v1和h2。

表2 模型沙顆粒級(jí)配表

表3 試驗(yàn)因素水平表

試驗(yàn)工況確定后開(kāi)始試驗(yàn)實(shí)施階段，試驗(yàn)前根據(jù)試驗(yàn)段布置尺寸，采用自然沉降法進(jìn)行模型沙鋪設(shè)，鋪沙厚度為8 cm，試驗(yàn)段鋪設(shè)完成后，關(guān)閉水槽尾門(mén)，利用管徑為1.5 cm的自來(lái)水管向水槽頭部注水，水深h2達(dá)到15 cm后停止注水，靜置24 h，待模型沙充分飽和后開(kāi)始試驗(yàn)。打開(kāi)閥門(mén)，啟動(dòng)水泵，緩慢調(diào)節(jié)閥門(mén)至設(shè)計(jì)流量（流量通過(guò)梯形堰計(jì)算公式和上游水深h1確定），然后緩慢打開(kāi)尾門(mén)，調(diào)節(jié)水槽水深h2至設(shè)計(jì)水位，開(kāi)始計(jì)時(shí)。采用高清數(shù)碼攝像機(jī)記錄水下穿越管道附近河床演變的物理過(guò)程，根據(jù)沖刷過(guò)程選取特征時(shí)間節(jié)點(diǎn)，記錄沖刷時(shí)間，拍攝沖蝕剖面，利用探針逐點(diǎn)測(cè)量河床表面的位置坐標(biāo)和高程（網(wǎng)格1 cm×1 cm，管道附近0.5 cm×0.5 cm），當(dāng)達(dá)到刷沖平衡后，完成最后一次數(shù)據(jù)采集，試驗(yàn)結(jié)束。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 穿越管道局部沖刷過(guò)程

通過(guò)試驗(yàn)觀察發(fā)現(xiàn)，9個(gè)組別的管道局部沖刷過(guò)程基本相似，但是由于在水流作用下沙粒的起動(dòng)具有一定的隨機(jī)性，除了與水動(dòng)力條件有關(guān)之外，還與沙粒顆粒形狀、位置等因素有關(guān)。因此，對(duì)于穿越管道局部沖刷過(guò)程只能通過(guò)觀察定性分析，一般可分為：河床下切、管道暴露、微孔形成、沖坑擴(kuò)展、管道懸空和沖刷平衡6個(gè)階段，河床演變幾何形態(tài)和沖刷特征如表4所示，部分河床演變沖蝕剖面見(jiàn)圖4。

2.2 沖刷機(jī)理分析

水下穿越管道沖刷機(jī)理的研究本質(zhì)就是分析沖刷過(guò)程中水動(dòng)力條件、沙粒特性和管道位置等影響因素之間的相互關(guān)系，探究引起局部沖刷的主要因素。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此也提出了不同的觀點(diǎn)：Lai[26]認(rèn)為由于水流在管道附近形成渦流，管道兩側(cè)流速不同，較大的水壓力差導(dǎo)致管底出現(xiàn)滲流，從而引起沖刷現(xiàn)象產(chǎn)生；Mao[27]認(rèn)為水流作用下管道附近的渦流是引起局部沖刷的主要因素。

水下穿越管道附近沖刷機(jī)理如圖5所示，當(dāng)河床下切至管道暴露后，由于管道的存在，導(dǎo)致管周流場(chǎng)發(fā)生改變，水流在管道附近形成漩渦，管道上游順時(shí)針渦流產(chǎn)生上舉力（FL），將沙粒帶入水流中，同時(shí)FL與水流產(chǎn)生的拖曳力（FD）形成斜向上的合力（F），將沙粒輸送至管道下游，管道下游形成的渦流繼續(xù)將沙粒向下游輸送。隨著管周沙粒背離管道遷移，導(dǎo)致A區(qū)沙粒不斷積累，形成河床局部隆起，B區(qū)沙粒不斷減少，沙粒與管道的接觸面（S）逐漸減少。由于管道上游渦流運(yùn)動(dòng)劇烈，前后較大動(dòng)水壓力差導(dǎo)致管底出現(xiàn)滲流，當(dāng)S減小至某一值時(shí)，作用在沙粒上的滲透力大于浮重力，水流將沙粒帶走，從而出現(xiàn)管涌現(xiàn)象，管底微孔形成，局部沖刷由此開(kāi)始。因此，導(dǎo)致水下穿越管道產(chǎn)生局部沖刷的原因有渦流和滲流兩方面，管道暴露前渦流使管周沙粒減少，管道暴露后渦流和滲流共同作用使管底出現(xiàn)微孔，從而形成局部沖刷。

表4 河床演變的形態(tài)和特征

圖4 部分河床演變沖蝕剖面圖

圖5 管周沖刷機(jī)理示意圖

2.3 水動(dòng)力條件對(duì)管道局部沖刷的影響

通過(guò)上述沖刷機(jī)理分析可知，水動(dòng)力條件、沙粒特性和管道位置均是影響管道局部沖刷的影響因素，根據(jù)試驗(yàn)代表不同工況設(shè)計(jì)，主要分析水動(dòng)力條件對(duì)水下穿越管道局部沖刷的影響。即使在同一工況下，不同河床剖面的演變形態(tài)也不同，因此，選取水槽其中一側(cè)壁面作為研究的河床特征剖面。根據(jù)高清攝像機(jī)記錄的管道附近河床演變的物理過(guò)程，取管道附近20 cm×5 cm矩形窗口，繪制出不同工況下不同沖刷階段對(duì)應(yīng)的河床幾何形態(tài)，如圖6所示，圖6中t1、t2和t3分別表示管道暴露、管道懸空和沖刷平衡3個(gè)不同階段歷時(shí)。

圖6 不同工況下河床演變示意圖（網(wǎng)格：15 cm×5 cm）

試驗(yàn)觀察發(fā)現(xiàn)，水下穿越管道附近河床演變規(guī)律基本相似，均經(jīng)歷了河床下切、管道暴露、微孔形成、沖坑擴(kuò)展、管道懸空和沖刷平衡6個(gè)階段，其中試驗(yàn)開(kāi)始至管道暴露階段平均歷時(shí)1 263 min，管道暴露階段至管道懸空階段平均歷時(shí)332 min，管道懸空階段至沖刷平衡階段平均歷時(shí)513 min。對(duì)比圖6可以發(fā)現(xiàn)，在同一流量情況下，流速越大，達(dá)到?jīng)_刷平衡所需時(shí)間越短；在同一流速條件下，水深越淺，達(dá)到?jīng)_刷平衡用時(shí)也越短，工況C達(dá)到各階段的歷時(shí)最短，工況G達(dá)到各階段的歷時(shí)最長(zhǎng)。其次，對(duì)比特征剖面各階段的河床線發(fā)現(xiàn)，各工況下管道暴露階段的河床線基本一致；但不同工況下管道懸空階段的河床線出現(xiàn)較大差異，隨著流速的增大，河床線起伏逐漸變緩，管道下游局部隆起向下游遷移，同時(shí)隆起高度逐漸降低；達(dá)到?jīng)_刷平衡階段時(shí)，不同工況對(duì)應(yīng)的河床線出現(xiàn)明顯差異，同一流量情況下，河床線起伏隨著流速的增大逐漸變緩，同一流速條件下，管底最大沖刷深度隨水深的減小而增大。

圖7為A、B、C工況下達(dá)到?jīng)_刷平衡時(shí)的河床地形圖，可以看出，3種工況下管底均出現(xiàn)有局部沖刷現(xiàn)象，管底沖刷是由多個(gè)沖坑沿管軸方向逐漸擴(kuò)展而成，沖坑深度不一，并且管道上游河床高程高于管道下游河床。管道下游河床出現(xiàn)局部隆起，這是由于管底水流剪切應(yīng)力大于管道下游水流剪切應(yīng)力，使得管底沙粒被輸送至下游后，未能在水流作用下繼續(xù)向下游運(yùn)動(dòng)，在管道下游處出現(xiàn)積累，從而出現(xiàn)河床下游局部隆起。工況A條件下河床地形起伏較大，河床整體下切深度較小，工況B次之，工況C條件下河床地形起伏較緩，河床整體下切深度較大，比較發(fā)現(xiàn)，弗勞德數(shù)FrA＜FrB＜FrC，說(shuō)明水流越急，河床整體下切深度越大，河床地形越平坦。

通過(guò)上述對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，流速和水深共同影響河床各階段沖刷歷時(shí)和管底最大沖刷深度，F(xiàn)r則是反應(yīng)水流緩急程度的一個(gè)無(wú)量綱參數(shù)，可以同時(shí)體現(xiàn)流速和水深共同影響的關(guān)系。通過(guò)計(jì)算公式得知各工況對(duì)應(yīng)的Fr介于0.306～0.808，繪制出最大沖刷深度、達(dá)到?jīng)_刷平衡歷時(shí)（T）與Fr之間關(guān)系圖，如圖8所示，其中最大沖刷深度（hm）為沖刷平衡時(shí)管道中心距床面的豎向距離。

從圖8可以看出，隨著Fr增大，hm也隨之增大，擬合兩者關(guān)系得到：hm＝2.18Fr＋1.2，擬合度R2＝0.983，F(xiàn)r與hm之間呈線性正相關(guān)，且hm介于1.3～ 2.4 cm，為管徑的0.9～1.6倍；其次，隨著Fr的增大，T隨之減小，擬合兩者關(guān)系得到：T＝－26 100Fr3＋45 620Fr2－26 782Fr＋7 267，擬合度R2＝0.975，F(xiàn)r與T之間呈非線性負(fù)相關(guān)，且T介于1 650～2 620 min。因此，當(dāng)Fr介于0.306～0.808時(shí)，F(xiàn)r越大，水流越急，導(dǎo)致hm，T越小。

圖7 A、B、C工況下沖刷平衡時(shí)河床地形圖

圖8 hm、T與Fr之間的關(guān)系圖

3 結(jié)論

1）對(duì)于水下穿越管道而言，當(dāng)水流為緩流時(shí)，管道附近河床演變過(guò)程可分為：河床下切、管道暴露、微孔形成、沖坑擴(kuò)展、管道懸空和沖刷平衡6個(gè)階段。

2）導(dǎo)致水下穿越管道產(chǎn)生局部沖刷的原因有渦流和滲流兩個(gè)方面，管道暴露前渦流使管周沙粒減少，管道暴露后渦流和滲流共同作用使管底出現(xiàn)微孔，從而形成局部沖刷。

3）流速和水深共同影響河床各階段沖刷歷時(shí)和管底最大沖刷深度，當(dāng)弗勞德數(shù)介于0.306～0.808時(shí)，弗勞德數(shù)越大，水流越急，管底最大沖刷深度越大，達(dá)到?jīng)_刷平衡歷時(shí)越少，河床整體下切深度越大，河床地形平坦，且管底最大沖刷深度介于1.8～2.9 cm，為管徑的0.9～1.6倍，達(dá)到?jīng)_刷平衡歷時(shí)介于1 650 ～ 2 620 min。