強潮海域近岸掩埋海底管線裸露原因分析

楊元平，張芝永，吳修廣，劉光生

（1.浙江省水利河口研究院（浙江省海洋規(guī)劃設(shè)計研究院），浙江 杭州 310017；2.浙江省河口海岸重點實驗室，浙江 杭州 310017）

1 問題的提出

海底管線作為海洋油氣開發(fā)的重要組成部分，是長距離輸送油氣最經(jīng)濟的方式之一。近幾十年里，海洋油氣開發(fā)的迅猛發(fā)展推動了海底管線鋪設(shè)里程的快速增加。由于海底環(huán)境復(fù)雜，海底管線特別是懸空的海底管線常常會因為水動力、船舶拋錨、漁網(wǎng)拖掛等影響而損壞，嚴重的則會導(dǎo)致管道斷裂，造成重大的經(jīng)濟損失和環(huán)境污染[1]。海底管線的懸空主要是由沖刷引起，目前已有許多學(xué)者對海底管線的沖刷機理[2-3]與防護措施[4-7]進行研究，建立相關(guān)的沖刷深度[8]、擴展速度經(jīng)驗計算公式[9]及一些建設(shè)性的防護方法。但以上研究普遍局限于管道初始裸置海床狀態(tài)下的沖刷研究。實際工程中，在近岸區(qū)域，為保證管線安全，常常將管線埋于海床面以下一定深度。對于穩(wěn)定的海床來說，掩埋不易于管線裸露；而對于不穩(wěn)定的易沖易淤海床，加上局部工程影響，在海床沖淤演變情況下，埋沒的海底管線可能會裸露，當裸露程度較大時，在管線周圍海床局部沖刷的作用下，會導(dǎo)致管道懸空，從而形成潛在的安全隱患。對此，本文以東海杭州灣海域內(nèi)的一條海底管道——冊鎮(zhèn)海底管道為例[10]，應(yīng)用其2006—2012 年路由檢測資料及近年來該海域海床沖淤演變資料，分析管道狀態(tài)的變化規(guī)律及影響原因，為類似管道工程設(shè)計提供技術(shù)參考。

2 研究區(qū)域

2.1 工程概況與地理位置

冊鎮(zhèn)海底輸油管道工程是連接舟山市冊子島—寧波市鎮(zhèn)海區(qū)的一條原油管道，管道總長約37.5 km，管徑762 mm，混凝土層厚度120 mm，工程于2005 年建成投入使用，年輸運原油2 700萬t，使甬滬寧管線總運輸量達到4 000 萬～4 700萬t/a。

該管道位于東海近岸的杭州灣海域，水深普遍在6 m 左右，局部區(qū)域達到20 m。管道路由從嵐山入海，經(jīng)過水下平原及灰鱉洋水槽，穿過冊子島水道后，在冊子島大沙灣登陸（見圖1）。

圖1 冊鎮(zhèn)管線地理位置圖

2.2 泥沙性質(zhì)

管道區(qū)域處于長江口和杭州灣南側(cè)，長江口和杭州灣的輸出物質(zhì)在東海沿岸流的作用下向南輸移，并向鄰近海域擴散。根據(jù)2012 年1 月水文測驗懸沙、底質(zhì)粒度分析及底質(zhì)顆粒級配統(tǒng)計結(jié)果，懸沙中值粒徑為0.008 1～0.010 7 mm，河床底質(zhì)表層中值粒徑為0.007 1～0.018 0 mm，較懸沙中值粒徑略大。從粒徑范圍看，各垂線的懸沙皆屬細粉砂類型。本區(qū)域峽道眾多，潮流動力強，底沙在潮流作用下容易起動進入懸浮狀態(tài)。

2.3 水動力特性

受舟山群島阻擋，灰鱉洋的波浪要遠小于外海區(qū)，全年平均波高0.5 m，最大波高4.0 m。該區(qū)域潮流為周期性半日往復(fù)潮流，漲潮時由南向北，落潮時由北向南。

2012 年1 月，管線路由海域水文測驗布置的6條測流垂線位置見圖2。期間測量得到最大漲潮差4.0 m，落潮差3.7 m。各測點最大漲、落急流速統(tǒng)計見圖3。

圖2 水文測驗位置圖

圖3 各測點最大漲、落急流速統(tǒng)計圖

從實測漲潮流速的分布來看，外海潮波由冊子水道進入測區(qū)東側(cè)（5#～6#垂線），由金塘水道進入測區(qū)西側(cè)（1#～4#垂線）。東側(cè)水道5#與6#垂線的流速較為接近，最大漲急流速分別為1.51 m/s、1.48 m/s；而西側(cè)水道近岸1#、2#垂線在大潮的最大漲急流速為1.09 m/s、1.16 m/s，小于深水區(qū)3#、4#垂線的1.47 m/s、1.57 m/s?？傮w上看，沿管線路由的漲潮流速在鎮(zhèn)海側(cè)最小，冊子水道前沿與灰鱉洋中部流速較大。

從實測落潮流速的分布來看，受灰鱉洋潮流影響，東側(cè)水道落潮流速的分布與漲潮流速相似，5#、6#垂線落潮流速接近，最大落急流速分別為1.44 m/s、1.40 m/s；西側(cè)水道1#受近岸地形影響，垂線最大落急流速在大、中、小潮分別為1.03 m/s、0.93 m/s、0.86 m/s；2#、3#、4#垂線落潮流較為接近，最大落急流速為1.26～1.42 m/s，較1#垂線落潮流稍有增強。沿管線路由垂線的最大落急流速亦有在鎮(zhèn)海側(cè)最小，冊子水道前沿與灰鱉洋中部較大的分布特征。

3 監(jiān)測內(nèi)容與方法

冊鎮(zhèn)海底輸油管道自2006 年開始，每年進行管道安全檢測，至2012 年底已積累7 a 的全線檢測資料，檢測內(nèi)容包括：管線位置、管道狀態(tài)、管道附近海床地形等。

選用多波束測深系統(tǒng)采集海底管線附近裸露、懸空海床面的地形數(shù)據(jù)，其測量范圍為沿管線兩側(cè)各100 m 范圍。

管道區(qū)域數(shù)據(jù)地形剖面采用美國Benthos 公司SIS 1624 雙頻側(cè)掃聲吶系統(tǒng)獲取，在施測過程中布設(shè)4 條測線，實現(xiàn)對該處管線的全覆蓋測量。

HY1200 剖面儀應(yīng)用于底層結(jié)構(gòu)和埋深管線的測量。

4 研究結(jié)果

4.1 管線總體情況

2006—2012 年管道掩埋長度占總管線長度的百分比變化見圖4。由圖4 可以看出：2007 年以前管道全部埋在海床之下，2008 年開始出現(xiàn)裸露，且裸露比例逐漸增大，到2010 年裸露比例達57%，之后有所緩解，但基本都維持在40%以上。

圖4 管線掩埋長度占比變化圖

管道一旦露出海床，管道繞流將導(dǎo)致管道附近局部海床受到?jīng)_刷，易發(fā)生懸空，懸空管道在三維水流的影響下會不斷擴展。管道懸空長度變化見圖5。由圖5 可以看出：2010 年懸空長度達703 m，2011 年經(jīng)過治理后，懸空長度明顯減小，2012 年懸空段長度只有85 m。

圖5 管線懸空長度變化圖

4.2 管線裸露懸空空間分布

以西岸嵐山登陸點位置為管線樁號的起點，向東逐漸增加。管道歷年狀態(tài)變化見圖6，管線樁號位置及裸露位置見圖7。由圖6～7 可以看出：海底管線裸露主要集中在3 段，分別位于西側(cè)嵐山登陸點附近海域（KP2～KP4），中段灰鱉洋海域（KP12～KP20）以及冊子深槽（KP23～KP27）。西側(cè)的嵐山登陸點附近海域，2008—2009 年裸露現(xiàn)象持續(xù)加劇，主要表現(xiàn)為裸露高度有所增加，2010年裸露長度有所減少，2011 年裸露長度有所增加，而在2012 年經(jīng)過治理后情況有所緩和，裸露管段明顯減少。中部的灰鱉洋海域，裸露情況的變化較大，2008—2011 年裸露長度分別為2.48 km、6.87 km、9.27 km、6.30 km，各年最大裸露高度分別為0.38 m、0.55 m、0.82 m、0.75 m，呈現(xiàn)出2008—2010 年裸露現(xiàn)象逐年加劇，2011 年趨緩，2012年又加劇的特征。冊子深槽海域（KP23～KP27）2008—2011 年管道裸露呈逐年加劇趨勢，裸露長度分別為1.26 km、2.20 km、2.21 km、5.65 km，裸露高度分別為0.36 m、0.67 m、0.94 m、1.05 m，之后裸露長度基本比較穩(wěn)定。

圖6 管道歷年全線檢測埋深裸露狀態(tài)變化圖

圖7 管線樁號位置及裸露位置（黑色標記）圖

4.3 管線裸露懸空原因

由前述分析可以看出，裸露懸空段主要集中在3 個位置。其中KP12～KP20、KP23～KP27 兩個位置由于流速較強，海床整體略有沖刷所致；KP2～KP4位置潮流流速小，但裸露最為嚴重，這可能與周邊圍墾工程等人類活動有關(guān)。

為證明以上推論，利用2002—2011 年的實測地形資料進行分析，近10 a 灰鱉洋海床演變基本面貌見圖8。由圖8 可以看出，近10 a 灰鱉洋地貌發(fā)生較大演變。外游山?jīng)_刷槽淤積幅度超6.0 m，而貼近金塘山的沖刷槽刷深約3.0 m，鎮(zhèn)海邊灘不斷淤漲，近岸1～2 km 邊灘普遍淤積3.0 m 以上，七里嶼島東側(cè)的潮流槽脊則因沖刷超6.0 m 而消失，灰鱉洋中部管線所在的水下平原區(qū)普遍沖刷0.5～1.0 m，導(dǎo)致管線埋深整體明顯減小。

圖8 2002—2011 年灰鱉洋海域海床沖淤圖

對于KP2～KP4 之間管線裸露問題，提取2002和2011 年沿管線斷面海床的地形變化情況（見圖9）進行分析。在近岸側(cè)KP0～KP2 區(qū)域，由于新泓口圍墾工程的實施及堤線外推，該區(qū)域海床整體抬高達5.0 m 左右；而在KP2 外側(cè)區(qū)域則發(fā)生明顯沖刷，其中KP2～KP3 區(qū)域海床沖刷幅度較大，最大達1.6 m；在KP4 之外區(qū)域，越遠離圍墾工程前沿（KP2），沖刷幅度越小。由上述分析可知，新泓口圍墾工程是造成KP2～KP4 區(qū)域海床沖刷加劇的主要原因，而這也是該區(qū)域海底管道裸露的主要原因。

圖9 2002 和2011 年沿管線斷面海床地形變化情況圖

5 結(jié) 論

通過分析杭州灣海域冊鎮(zhèn)海底管線2006—2012 年管線路由狀態(tài)，結(jié)合周邊海床沖淤演變及圍墾工程影響，得到以下結(jié)論：

（1）冊鎮(zhèn)海底管線自運行以來，管線裸露長度增加，2010 年裸露長度增加到總長度的57%，之后基本穩(wěn)定在40%左右。

（2）冊鎮(zhèn)海底管線裸露段主要集中在西側(cè)嵐山登陸點附近海域KP2～KP4、灰鱉洋中間海域KP7～KP20 和冊子深槽KP23～KP27 三個區(qū)域，裸露原因主要為宏觀海床沖淤變化影響。在KP2～KP4區(qū)域，除受宏觀海床沖刷影響外，還受到局部圍墾工程繞流沖刷的影響。