海底管道沖刷抑制模型試驗研究及現(xiàn)場工程驗證*

陳榮旗 雷震名

（海洋石油工程股份有限公司 天津 300461）

作為海上油氣傳輸樞紐，海底管道在海上油氣田開發(fā)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，維護海底管道的安全是保證海洋油氣田開發(fā)和保護海洋環(huán)境的重要保障。隨著海洋環(huán)境的發(fā)展變化以及人類海洋活動的增加，近岸處的海底管道因波浪和海流的沖刷等因素的作用而產(chǎn)生海底管道懸空，從而導(dǎo)致管道疲勞或強度破壞，引發(fā)油氣泄漏等海上重大污染事故[1]。

目前，國內(nèi)外主要采用理論分析、數(shù)值模擬以及模型試驗等方法研究海底管道的懸空、波流沖刷等問題及規(guī)律。例如，文獻[2]通過試驗研究了黏土中海底管道的受力及波高、波陡、水深、埋深等各參數(shù)對管道受力的影響。文獻[3]通過模型試驗研究，模擬了單向流作用下的海底管道沖刷情況。文獻[4-6]等對海底管道沖刷進行了大量試驗研究，在海底管道沖刷機理、海床沖刷影響因素等方面取得了一系列重要進展。文獻[7]評價了海底管道周圍砂質(zhì)海床局部沖刷試驗研究成果，對已有研究成果的工程應(yīng)用進行了分析。文獻[8]建立了海底管道局部沖刷的相似準(zhǔn)則，利用模型試驗研究了管道局部沖刷的物理過程。文獻[9]對不同方向的波浪聯(lián)合作用引起的管道沖刷進行了試驗研究，得出了復(fù)雜波浪條件下海底管道沖刷深度估算經(jīng)驗公式。文獻[10]對國內(nèi)外海底管道沖刷問題進行了研究綜述。文獻[11]根據(jù)海底管道防沖刷技術(shù)原理，提出了人工草固定法的防護措施并結(jié)合工程實際進行了試驗研究，為管道防沖刷提供了參考。文獻[12]將“混凝土聯(lián)鎖排+土工布”防護型式引入海底管道沖刷防護中，針對懸空海底管道，開展室內(nèi)水槽試驗，驗證其沖刷防護效果。

海底管道沖刷影響因素的模型試驗方面研究進展較多，也取得了一些成果，但還缺乏結(jié)合實際工程的海底管道沖刷抑制試驗及驗證研究。本文針對我國某高潮差、強急流海域A海底管道工程中的管道沖刷抑制進行了試驗研究，通過開展不同比尺、流速的模型試驗，分析比較了多種海底管道沖刷抑制措施的防護效果，并通過實際工程中采用人工草壓塊聯(lián)排結(jié)構(gòu)進行海底管道沖刷抑制防護的成功驗證，為海底管道沖刷抑制及懸空治理提供了重要依據(jù)和參考。

1 我國某海域海底管道沖刷工程問題

我國某海域一條長距離海底輸氣管道（以下簡稱“A管道”）局部路由段長期受到海床沖刷影響，管道部分區(qū)域處于裸露、懸空狀態(tài)，最大懸空高度約0.65～0.85 m（圖1），管道安全運營面臨重大威脅。為了降低海底管道因海床沖刷導(dǎo)致的管道懸空風(fēng)險，管道運營方每年對A管道進行定期巡檢，并不定期采用沙袋填充、壓塊覆蓋保護的工程措施，對該區(qū)域的A管道進行沖刷抑制防護和懸空治理，但整體效果有限，且工程投資及維護成本高昂。

圖1 我國某海域A管道裸露示意圖（沿路由埋深）Fig.1 Exposed pipe section of one subsea pipeline A in China sea area（buried depth along the subsea pipeline）

該海域極限工況下的波、流、水位、土壤等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)見表1～4。

綜合表1～4基礎(chǔ)數(shù)據(jù)可以看出，該海域具有強急流、高潮差的特點，最大底層海流超過1.03 m／s、最高潮差超過7.39 m（表3中最高天文潮與最低天文潮的差值）。海床表層土壤為易沖刷的砂質(zhì)黏土或粉質(zhì)細砂，海域波、流、土壤環(huán)境特征與管道長期沖刷懸空的實際狀態(tài)相匹配。

表1 A管道所在海域波浪基礎(chǔ)數(shù)據(jù)Table1 Wave data of the sea area where one subsea pipeline A located

表3 A管道所在海域水位數(shù)據(jù)Table3 Water level of the sea area where one subsea pipeline A located m

表4 A管道所在海域土壤數(shù)據(jù)（土壤類型為粉質(zhì)細沙）Table4 Soil data of the sea area where one subsea pipeline A located（soil type is powdery sand）

2 海底管道沖刷抑制模型試驗方法

2.1 動海床沖刷模型相似理論

在動海床模型試驗中，要同時滿足懸移和起動相似，要求模型沙重率小、粒徑細；而過細的模型沙會帶來絮凝及粘結(jié)力的問題，導(dǎo)致懸移和起動相似無法滿足。如果可供模型使用的模型沙重率大、粒徑粗，要滿足懸移和起動相似，則模型會做得很大，且流速變換需求也很大，這在當(dāng)前的室內(nèi)模型試驗條件下難以做到。因此，本文采用系列模型試驗方法，通過系列由小到大的模型試驗，將試驗結(jié)果外延來消除由于模型和原型泥沙運動不相似而引起的試驗結(jié)果的偏差。這樣的模型試驗方法，是采用不相似的模型取得相似試驗結(jié)果的有效方法，這一方法在國內(nèi)外學(xué)界及工程界已有廣泛應(yīng)用[13]。

2.2 海底管道沖刷抑制模型試驗方案

對A管道所在海域的現(xiàn)場資料進行分析，得出工程區(qū)域底質(zhì)泥沙分布特征，并通過粒度分析、泥沙起動分析來確定現(xiàn)場泥沙物理特性及運動特性。按照圖2流程進行模型沙預(yù)備試驗、模型設(shè)計制作、校準(zhǔn)與標(biāo)定（率定）試驗、系列方案試驗，開展拋石、混凝土軟體排、人工草、人工草壓塊聯(lián)排結(jié)構(gòu)等不同措施的沖刷抑制效果試驗研究。

圖2 海底管道沖刷抑制模型試驗方案流程圖Fig.2 Model test flow of subsea pipeline scouring suppression

2.3 泥沙起動試驗

按照泥沙起動相似、沉降相似選取模型沙，開展模型沙起動預(yù)備試驗，并修正泥沙起動流速和試驗比尺。泥沙起動試驗在水槽中開展，水槽水深為0.4 m。通過預(yù)備試驗確定模型沙泥沙水流起動流速、不同水深條件下的起動波高等動力指標(biāo)。采用密實后的泥沙樣品開展試驗，選定泥沙容重為1500 kg／m3，水深4 m。水流、波浪、波流聯(lián)合作用下模型沙起動試驗結(jié)果分別如表5～7所示。

表5 水流作用下起動流速試驗結(jié)果Table5 Test result for initiated flow rate of seabed soil in current

表6 波浪作用下起動流速試驗結(jié)果Table6 Test result for initiated flow rate of seabed soil in sea wave

表7 波、流共同作用下起動流速試驗結(jié)果Table7 Test result for initiated flow rate of seabed soil under sea wave and current

2.4 模型試驗設(shè)計

本次模型試驗采用的試驗大廳長96 m、寬30 m。根據(jù)確定的最大模型比尺開展模型設(shè)計與制作。為了盡可能地消除邊界影響，確保模型寬度有一定的過渡區(qū)，確定模型試驗的原型寬度為18 m。為模擬海域漲、落潮雙向水流需求，在模型兩側(cè)布置了3臺最大流量為1 500 m3／h的可逆泵提供水流動力。通過對比研究，確定模型設(shè)計寬度4 m、長度50 m，試驗區(qū)最大水深0.45 m，試驗段最大流速0.55 m／s，模型設(shè)計及布置如圖3所示。

根據(jù)A管道海域?qū)嶋H環(huán)境條件，結(jié)合物理模型試驗條件，確定原型與模型的相關(guān)比尺（表8）。原型目標(biāo)海流流速定為1.2 m／s，按照表8的3類比尺劃分，則模型試驗流速分別為0.52、0.42、0.30 m／s，在水槽中按照恒定雙向水流進行校準(zhǔn)與標(biāo)定?？紤]水流分布均勻性，設(shè)置4個流速測點，分別位于模擬管道中心的上下游各10 cm的位置，沿管道方向等距布置，模型試驗測點布置見圖4。

圖3 海底管道沖刷抑制模型設(shè)計及布置圖Fig.3 Model design and layout of scouring suppression for subsea pipeline

表8 海底管道沖刷抑制模型試驗相關(guān)比尺匯總表Table8 Scales of model test of scouring suppression for subsea pipeline

圖4 海底管道沖刷抑制模型試驗流速測點布置圖Fig.4 Test layout for current speed of scouring suppression for subsea pipeline

3 海底管道沖刷抑制模型試驗

根據(jù)以上模型試驗準(zhǔn)備，針對拋石、混凝土軟體排、人工草、人工草壓塊聯(lián)排結(jié)構(gòu)等4種防護措施，分別開展海底管道沖刷抑制模型試驗研究。

3.1 拋石防護沖刷抑制模型試驗

該防護方案條件下，海底管道置于海床面以下，管道頂部距海床面1／2管徑，從海底管道下部至海床面，依次覆蓋細沙、碎石、塊石和床沙，形成管道覆蓋保護層，覆蓋寬度大于管道管徑，模型拋石回填碎石中值粒徑為10 mm，對應(yīng)原型中值粒徑約50 mm。在試驗布置完成后，進行了4 h的模擬沖刷試驗。

隨著波流對海床的沖刷，在拋石防護區(qū)形成局部沖刷，在海床面未發(fā)生明顯沖刷條件下，海底管道拋石防護區(qū)幾乎沒有遭到破壞。但在海床沖刷侵蝕發(fā)生后，碎石區(qū)裸露出海床面（圖5），當(dāng)波流沖刷強度超過碎石穩(wěn)定條件，拋石防護區(qū)遭到了沖刷破壞，隨著沖刷的加劇，海底管道也逐步裸露，并在管道下方形成懸空。

圖5 拋石防護沖刷抑制試驗結(jié)果Fig.5 Scouring suppression test result of riprap protection

3.2 人工草防護沖刷抑制模型試驗

通常，海底人工草的鋪設(shè)需要設(shè)置錨固裝置，模型試驗中人工草通過模擬鋼樁固定在海床面上，端部覆蓋回填土，以確保人工草防護裝置的穩(wěn)定性。試驗中，防護海底管道上1／3露出海床，沿管道方向的防護范圍長約2 m，垂直管道方向兩側(cè)防護區(qū)寬各2倍管徑（圖6）。在試驗布置完成后，進行了4 h的模擬沖刷試驗。

圖6 人工草防護沖刷抑制試驗Fig.6 Scouring suppression test result of artificial grass protection

通過試驗觀察到，防護區(qū)范圍內(nèi)的海底管道沖刷得到明顯的抑制，人工草范圍內(nèi)形成局部泥沙堆積，防護區(qū)邊界處沖刷強度增大，最大沖刷深度約85 cm（原型推算值）。人工草防護區(qū)下游的地形無明顯變化，海床沖刷得到有效抑制。人工草防護區(qū)內(nèi)流速顯著降低，僅為0.6 m／s，比海域控制流速減少50%；在防護區(qū)邊界處，流速變化規(guī)律與無防護狀態(tài)基本一致；在沖刷坑的邊界處，底層流速顯著增大，比控制流速增加15%～20%，形成局部沖刷。

3.3 混凝土軟體排防護沖刷抑制模型試驗

防護裝置為丙綸繩連接的混凝土軟體排結(jié)構(gòu)，直接覆蓋于海底管道正上方，兩側(cè)搭接于海床上?；炷淋涹w排的原型尺度為200 cm×300 cm×30 cm，模型尺度為37.3 cm×56 cm×5.6 cm，在流速1.2 m／s強流沖刷條件下，混凝土軟體排沒有發(fā)生失穩(wěn)。在試驗布置完成后，進行了4 h的模擬沖刷試驗。

混凝土軟體排防護區(qū)下部管道無沖刷加劇，防護區(qū)上、下游范圍內(nèi)形成一定的泥沙堆積，在防護區(qū)與無防護區(qū)的交界處沖刷強度增大，最大沖刷深度約82 cm（原型推算值），隨著沖刷范圍和深度的增大，在防護區(qū)邊緣出現(xiàn)了軟體排滑落現(xiàn)象（圖7）。局部近底層流速變化與人工草防護區(qū)流速變化規(guī)律基本一致，近底層平均流速顯著減小。

圖7 混凝土軟體排防護沖刷抑制試驗Fig.7 Scouring suppression test result of concrete mattress

3.4 人工草壓塊聯(lián)排結(jié)構(gòu)防護

人工草壓塊聯(lián)排結(jié)構(gòu)是人工草方案與混凝土軟體排方案的有效集成，該結(jié)構(gòu)上部為人工草，中部為混凝土軟體排，下側(cè)布設(shè)土工織布，其規(guī)格及模型尺度與混凝土軟體排防護方案一致。人工草壓塊聯(lián)排結(jié)構(gòu)布置于海底管道正上方，兩側(cè)搭接在海床上（圖8）。在試驗布置完成后，進行了4 h的模擬沖刷試驗。

圖8 人工草壓塊聯(lián)排結(jié)構(gòu)沖刷抑制試驗Fig.8 Scouring suppression test result of concrete mattress with artificial grass

防護區(qū)對海底管道的沖刷保護作用良好，防護區(qū)形成泥沙堆積，且在管道下方也形成明顯的泥沙落淤堆積，管道懸空跨距、跨高均顯著減小。在防護區(qū)邊界處，流速增大，形成局部沖刷，最大沖刷深度約75 cm（原型推算值）。防護區(qū)流速顯著降低，近底層平均流速減小約55%～60%，減小幅度顯著大于其他防護方案。

通過進行不同比尺、管徑、海床流速、海床沖刷深度的模型試驗，可重復(fù)得到以上試驗現(xiàn)象及相近的試驗結(jié)果。根據(jù)文獻[13]，以上沖刷抑制試驗結(jié)果具有普遍性及可重復(fù)性。按照5分制，對上述4種海底管道沖刷抑制模型的實驗效果進行打分評估對比，結(jié)果如表9所示。可以看出人工草壓塊聯(lián)排結(jié)構(gòu)防護方案在促淤效果、在位穩(wěn)性、緩流效果、工程造價、沖刷抑制效果等方面均優(yōu)于其他3個防護方案。

表9 海底管道沖刷抑制模型試驗效果對比Table9 Comparison of model test results for scouring suppression of subsea pipeline

4 人工草壓塊聯(lián)排結(jié)構(gòu)沖刷抑制效果現(xiàn)場工程驗證

針對以上模型試驗結(jié)果，結(jié)合工程需求，對A管道所在海域某海底管道，采用人工草壓塊聯(lián)排結(jié)構(gòu)防護方法，開展海底管道沖刷抑制效果的現(xiàn)場工程驗證（圖9）。該管道一段36 m長的管段中部存在10.8 m長的連續(xù)懸空，最大跨高約0.2 m（圖10a）。在該段懸空管道正上方，采用人工草壓塊聯(lián)排結(jié)構(gòu)直接覆蓋在懸空管段上的措施進行沖刷抑制防護，人工草壓塊聯(lián)排結(jié)構(gòu)規(guī)格為2.1 m×3.05 m×0.45 m，沿管道上方連續(xù)、緊密、橫向鋪排。管道正上方橫向鋪設(shè)5塊聯(lián)排結(jié)構(gòu)、管道上游緊密鋪排7塊聯(lián)排結(jié)構(gòu)、管道下游緊密鋪排4塊聯(lián)排結(jié)構(gòu)，共使用人工草壓塊聯(lián)排結(jié)構(gòu)16塊。

圖9 某海底管道懸空抑制效果工程驗證施工現(xiàn)場Fig.9 Engineering verification site of a submarine pipeline suspension suppression effect

圖10 人工草壓塊聯(lián)排結(jié)構(gòu)防護方案用于某海底管道懸空抑制效果工程驗證Fig.10 Verification for scouring suppression effect of a subsea pipeline by concrete mattress with artificial grass protection

安裝4個月后，通過現(xiàn)場檢測，懸空跨長由10.8 m縮短至8.3 m，最大跨高由0.2 m縮小為0.1 m（圖10b），懸空得到了有效緩解，驗證了人工草壓塊聯(lián)排結(jié)構(gòu)的海底管道沖刷抑制效果。

5 結(jié)論

通過系列模型試驗，對不同比尺、管徑、流速下的海床沖刷情況進行了研究，分析比較了不同沖刷抑制措施的防護效果，并通過實際工程應(yīng)用驗證，得到以下主要結(jié)論：

1）在1.2 m／s恒定往復(fù)流條件下，通過不同比尺的海底管道下部沖刷強度可推算出：原型條件下，海底管道穩(wěn)定沖刷深度為75～85 cm。該試驗結(jié)果與A管道實際工程情況吻合。

2）拋石防護措施通常適用于尚未裸露、還處于埋設(shè)狀態(tài)的海底管道防護，在海床輕微沖蝕或波流動力較弱的海域具有一定的沖刷抑制效果，如碎石防護區(qū)已出露，應(yīng)增加保護措施。

3）人工草沖刷防護措施多適用于尚未發(fā)生懸空或懸空較小的海底管道，且對安裝作業(yè)海況要求較高，需要進行人工草與海床的錨固安裝作業(yè)，海上鋪設(shè)作業(yè)量大，成本高昂。

4）綜合各項沖刷抑制措施在緩流、促淤、在位穩(wěn)性等方面的試驗結(jié)果，人工草壓塊聯(lián)排結(jié)構(gòu)防護方案集合了人工草、混凝土軟體排等方案的諸多優(yōu)點，該結(jié)構(gòu)既保留了人工草的緩流促淤效果，又增加了裝置的穩(wěn)定性，取消了固定鋼樁，提高了安裝效率，節(jié)約了施工資源，具有防護效果好、經(jīng)濟性優(yōu)的雙重優(yōu)勢。