海底水平管線懸空機制與動力調(diào)整方法研究現(xiàn)狀

于西達, 叢曉紅, 高 楓, 拾 兵

(中國海洋大學(xué) 工程學(xué)院，青島 266100)

引 言

21世紀(jì)以來，隨著技術(shù)的發(fā)展，我國對石油資源的開采已延伸到深海地區(qū)，海底管線作為油氣傳輸?shù)闹饕緩街?，被譽為“海上生命線”[1]。在復(fù)雜的海洋環(huán)境中，由于波流、海底管線和海床泥沙的綜合作用造成了海底管線懸空。懸跨段的海底管線由于受到各種應(yīng)力和尾流旋渦的影響容易發(fā)生共振，從而導(dǎo)致海底管線失穩(wěn)進而發(fā)生破壞[2]。

自第一條海底管道投入運營以來，世界各國因管道破壞而造成的事故已達數(shù)百起[3]，海底管道破壞后不僅會對海洋環(huán)境造成污染，還要耗費大量的人力物力和財力，因此海底管道的安全問題受到各國的重視。管線沖刷問題的研究起步于20世紀(jì)60年代，Herbich等[4]對管線的沖刷穩(wěn)定性問題進行了研究。20世紀(jì)80年代，Kjeldsen[5]，Herbich[6]，Mao[7]，Sumer[8]等許多專家學(xué)者就已經(jīng)開始通過物模試驗研究了海底管道沖刷的原因與機理。進入20世紀(jì)90年代以來，僅中國海洋石油總公司開發(fā)區(qū)域就發(fā)生了數(shù)十起不同程度的海底管道破壞事故，經(jīng)分析表明管道失事的主要原因是海床運動和波流沖刷后造成的管線懸空。因此開展對海底水平管線懸空機制的研究、探討管線懸空的防護技術(shù)就顯得尤為重要。本文對近年來海底水平管線的懸空機制和動力調(diào)整方法的成果進行了綜述，包括懸空機理、沖刷計算、渦激振動、動力響應(yīng)以及動力調(diào)整方法等；總結(jié)了現(xiàn)有研究存在的不足，闡明其發(fā)展趨勢。

1 海底水平管線懸空機制

海底管線處在一個復(fù)雜的動力環(huán)境中，對其懸空機理的研究也十分復(fù)雜，當(dāng)外界條件不同時，它會表現(xiàn)出不同的沖刷機理[9]。

1.1 海流作用造成的管線懸空

在復(fù)雜的海洋環(huán)境中，海流與海床之間存在著相對運動，當(dāng)海流速度大于海床上泥沙起動流速時，海床上的泥沙顆粒就會發(fā)生移動，從一個位置移動到另一個位置，而初始位置的泥沙得不到補給，導(dǎo)致管線下方出現(xiàn)凹坑，從而造成管線懸空(如圖1所示)。

圖1 海流作用造成的管線懸空Fig.1 Suspended pipeline caused by ocean current

1.2 管道應(yīng)力造成的管線懸空

在管道鋪設(shè)過程中存在的殘余應(yīng)力、溫度變化產(chǎn)生的熱應(yīng)力、管道在運行過程中產(chǎn)生的應(yīng)力集中等因素都可能使管道局部發(fā)生“屈曲”，從而造成管線的局部懸空(如圖2所示)。除此之外，管線懸空段的形成還與管道的重量、強度以及管道軸向壓力等因素有關(guān)。

圖2 管道應(yīng)力造成的管線懸空

1.3 海床地形造成的管線懸空

在管道鋪設(shè)時海床表面的形狀、顆粒類型以及自身的重量等因素都會影響海底管線的懸跨形式和長度。如斷層、礁石、錯層等海床形式(如圖3，圖4所示)。

圖3 海床凹凸不平造成的管線懸空

圖4 海床錯層造成的管線懸空Fig.4 Suspended pipeline caused by seabed split

經(jīng)過分析可以看出，海底管線懸空不僅出現(xiàn)在運行過程中，在鋪設(shè)和安裝過程中也會出現(xiàn)不同程度的懸空。在復(fù)雜的海洋環(huán)境中，由于波流以及海洋地質(zhì)條件的影響，管線懸空段容易遭到破壞，因此，對海底管線懸空問題的研究顯得尤為重要。

2 海底水平管線沖刷懸空計算經(jīng)驗公式

海底管線的沖刷及懸空與許多因素有關(guān)，如泥沙粒徑、水流條件、管線直徑以及水深等，利用這些因素，很多專家學(xué)者都提出了泥沙起動以及沖刷深度的計算公式。

2.1 泥沙起動計算公式

Sumer等(2001)[10]通過對管線沖刷細(xì)節(jié)的研究，分析得出了泥沙沖刷起動的判別標(biāo)準(zhǔn)及半經(jīng)驗公式，如公式(1)所示:

(1)

式中,g為重力加速度；D為管徑；n為泥沙的孔隙率；s為泥沙和水的相對比重；e為管線的埋深深度；u為管線上游的行近流速。

竇國仁等(2001)[11]通過分析波浪作用下泥沙顆粒受到的力，得到了2～10 m水深時波浪作用下泥沙的起動公式，并通過驗證得出該公式適用于100 m以內(nèi)深水中泥沙的起動，為解決河口海岸泥沙問題提供了依據(jù)，如公式(2)所示:

(2)

式中：a是與起動狀態(tài)有關(guān)的參數(shù)；b是常系數(shù)；Hc是顆粒起動時的臨界波高；L是波長；h是水深；T是波浪周期；ρs和ρ分別是泥沙和水的密度；d是泥沙粒徑；δ和ε0分別是泥沙顆粒薄膜水厚度和顆粒間的粘結(jié)力系數(shù)；βw=(d/d1)3/4；β是反應(yīng)泥沙密實程度的參數(shù)。

韓艷等(2010)[12]通過對海流和波浪作用下管線后方最易起動的泥沙顆粒受力分析，推導(dǎo)了床面泥沙的臨界起動流速公式、沖止流速公式，分別如式(3)、(4)所示。

(3)

(4)

式中：S為泥沙與水的相對密度；λ為管線軸心處與床面接觸點間平均壓力梯度比例系數(shù)；λA為管線后方點壓力梯度與平均壓力梯度的比例系數(shù)，λA的經(jīng)驗公式由Zhang等(2009)[13]數(shù)值模擬方法改進后得到：λA=3.0(-15.4Fr+4.16)exp(-0.42α)；m為管線分離點前后壓力分布比例系數(shù)；Fr為弗勞德數(shù)；d為泥沙的平均粒徑；φ為沖刷坑泥沙休止角；CL為升力系數(shù)；CD為拖曳力系數(shù)；μ0為管線軸心高度對應(yīng)的遠處來流流速；μb為床面底流速。

張芝永等(2015)[14]利用波浪作用下海底管線周圍水動力場-滲流場耦合數(shù)值模型研究了管線兩端壓差系數(shù)隨KC數(shù)的變化規(guī)律，同時通過擬合分析得出了波浪作用下臨界流速計算公式，如公式(5)所示。

(5)

2.2 沖刷深度計算經(jīng)驗公式

竇國仁(1960)[15]通過考慮水對床面顆粒的下壓力和分子粘性力，推導(dǎo)出了粘性均勻沙的起動流速公式，如公式(6)所示。

(6)

唐存本(1963)[16]通過考慮床面顆粒的重力與顆粒之間的粘著力，推導(dǎo)出了粗砂和細(xì)砂的統(tǒng)一起動公式，如公式(7)所示。

(7)

韓艷(2010)[12]通過理論分析得出了在波浪和海流作用下穩(wěn)定沖刷坑深度和管線與床面之間存在初始間隙時的沖刷坑深度公式，分別如式(8)、(9)所示。

(8)

(9)

式中,各項參數(shù)意義同公式(3)。

常留紅(2014)[17]采用量綱分析方法，明確了管線局部沖刷平衡深度影響因素，建立了更為全面的水流及波浪作用下沖刷平衡深度經(jīng)驗公式，如公式(10)所示。

(10)

式中,S0為沖刷平衡深度；e/D為間隙比；θ為希爾茲數(shù)；α為管線參數(shù)有水流作用角。

張靖等(2015)[18]對復(fù)雜波浪條件下不同管線鋪設(shè)角度進行了沖刷試驗，通過對結(jié)果分析得到了復(fù)雜波浪條件下海底管線相對沖刷深度公式，如公式(11)所示。

(11)

式中,S為沖刷深度;H為波高;D為管線直徑;θ為管線鋪設(shè)角度。

楊少鵬、拾兵(2018)[19]利用流體的連續(xù)性條件，以前人的研究結(jié)果為基礎(chǔ)推導(dǎo)出了安裝阻流器且有間隙情況下沖刷穩(wěn)定時的沖刷深度計算公式，如公式(12)所示。

(12)

式中,S為管道及床面的間隙;D為管徑;Y+Y1為駐點與管線底端的距離;u0為管線中軸上初始行進流速;ub為沖坑內(nèi)流速;m，n分別為沖坑內(nèi)和初始斷面上的流速分布指數(shù)。

沖刷實際上就是泥沙起動后的一系列運動，經(jīng)過專家學(xué)者的研究，粘性沙與非均勻沙的沖刷起動均取得了豐碩的成果，但泥沙起動受力中的粘性力表述目前還未有公認(rèn)的表達式，且對于非均勻沙分級起動也沒有確定的表達式。在實際工程中，泥沙粒徑、水流條件及水深等因素均會對沖刷產(chǎn)生不同程度的影響，因此在使用中還需要具體情況具體分析。

3 海底水平管線沖刷懸空與動力響應(yīng)研究

3.1 沖刷懸空研究

3.1.1 物理模型試驗研究

研究的完善為開展物理模型試驗提供了一定的基礎(chǔ)。物理模型試驗相對于其他技術(shù)手段研究要求較低，操作較為簡便，結(jié)果也較為直觀。相關(guān)研究專家主要基于波流水槽對不同水力條件下海底管線渦激振動、水動力特性以及沖刷防護等方面進行了研究。

常留紅(2014)[17]通過水槽定、動床試驗，對不同作用角的水流、波浪或波流耦合作用下管線周圍的三維水動力特性及其局部三維沖淤演變規(guī)律進行研究，揭示了作用角對管線周圍水動力特性的變化規(guī)律。魯友祥(2015)[20]對潮流作用下管線的沖刷進行研究，發(fā)現(xiàn)重現(xiàn)期為10 a的潮流會使管線自埋，而重現(xiàn)期為100 a時管線會出現(xiàn)局部沖刷，對管線的鋪設(shè)與防護具有指導(dǎo)意義。謝英等(2017)[21]通過水槽模型實驗，同時利用傳感器及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，分析得出了沖刷坑長度的半理論半經(jīng)驗公式，如式(13)所示。

(13)

式中,l為沖刷坑長度，m；D為管道外徑，m；(l/D)max=2.5；K2為動量差的量度。

楊少鵬、拾兵(2018)[19]研究了恒定流作用下海底管線是否安裝阻流器以及不同間隙比作用下海底管線的沖刷深度的變化規(guī)律。Deniz等(2016)[22]在波浪加水流的水槽中將試驗分為兩個階段，一是由純水流引起的初始沖刷，然后由純波浪(規(guī)則或不規(guī)則)引起的回填，以此研究管道下方泥沙的回填效果。

為研究不同管道結(jié)構(gòu)時波浪對管線局部沖刷的影響，Yang等(2019)[23]研究了波浪作用下子母管道在不同因素下的沖刷坑的沖刷深度和寬度，得出在相同的試驗條件下，子母管周圍的平衡沖刷深度大于單個主管周圍的平衡沖刷深度。

物理模型試驗作為一種重要的研究方法，上述國內(nèi)外學(xué)者通過物理模型試驗對海底管線沖刷進行了詳細(xì)的研究，可以通過測得的數(shù)據(jù)為后續(xù)的數(shù)值模擬和理論分析提供驗證，以證明試驗結(jié)果的可靠性，但容易受到研究手段、試驗場地和儀器以及人為因素的影響。

3.1.2 數(shù)值模擬研究

近些年來，針對物理模型試驗?zāi)承┓矫娴牟蛔?，沖刷問題的數(shù)值模擬研究具有成本低、操作簡便等優(yōu)點，逐漸成為研究海底管線沖刷懸空問題的主要方法。

Zhu等(2013)[24]提出了CFD建模和仿真法研究在沙質(zhì)海床附近安裝擾流板的海底管道周圍的水流，通過一系列數(shù)值模擬比較了幾個重要參數(shù)，例如壓力系數(shù)、速度、渦度等，分析擾流板高度和管與海底之間的間隙對流動特性和海底沖刷的影響。劉延明(2013)[25]通過建立數(shù)值模型，研究分析了管道直徑以及來流速度對海底管線最大沖刷深度的影響。Liu等(2014)[26]提出將k-ε二維湍流模型用于模擬海底管道周圍流場和壓力場，模擬局部沖刷變化。結(jié)果表明，來流速度與沖刷深度成正比，數(shù)學(xué)模型能較好地模擬海底管道脫離床面前后管道周圍局部沖刷的狀況。

宋坤(2016)[27]以某油田平管懸空段為例，對波、流及波流共同作用下不同海床上的懸空段海底管線進行了受力分析，為實際工程中床底對管線受力影響提供依據(jù)。利用Visualstudio編制了海底管線極限懸空長度的計算軟件，為海底管線的懸空治理提供參考。

許文兵等(2017)[28]利用水動力-泥沙沖刷耦合模型，對往復(fù)流作用下海底管線的沖刷做了進一步研究，表明往復(fù)流相對于恒定流引起的管道沖刷深度會減少20%。

李昌良等(2018)[29]研究了不同阻流器對管道沖刷以及自埋的影響，通過Fluent軟件模擬，分析得出了阻流器高度在D/8-D/4，安裝在管線正上方時，有利于實現(xiàn)管道自埋；在30°時，管道下方?jīng)_刷速度最快。史舒婧等(2019)[30]提出在Fluent軟件中使用UDFs，通過建立三維沖刷數(shù)值模型來模擬海底管道周圍泥沙沖刷過程，經(jīng)過與物模對比發(fā)現(xiàn)該過程能夠準(zhǔn)確反映海底管線下方的沖刷規(guī)律和流場變化情況。

Hu等(2019)[31]使用耦合CFD-DEM方法考慮動態(tài)侵蝕過程中流體與固體顆粒之間的相互作用力，研究兩條管道之間的間距和水流速度對管道周圍局部沖刷的影響，還得出沖刷深度高度依賴于行近水流速度并與之成正比，在相同的行近水流速度和不同的間隙比下，平衡床的分布是相似的。

上述國內(nèi)外學(xué)者通過數(shù)值模擬的方法對海底管線沖刷問題進行了詳細(xì)的研究，該方法具有可靠度高，受外界因素影響小等優(yōu)點，可以對多種復(fù)雜條件下海底管線的沖刷進行模擬。

3.2 渦激動力響應(yīng)研究

海底水平管線懸空會直接受到波流等海洋環(huán)境的影響，在海洋環(huán)境作用下將發(fā)生振動，造成海底管線的失穩(wěn)甚至破壞，威脅海上油氣資源的安全。探討懸空海底管線的動力響應(yīng)問題，可為海底管線的安全性評估提供科學(xué)依據(jù)，保障海底管線的安全運行。

沙勇(2007)[32]利用彈性動力學(xué)方程、不可壓流體納維斯托克斯方程和連續(xù)方程，通過對有流懸跨管線內(nèi)部的流體特征分析發(fā)現(xiàn)管內(nèi)流速增加，管線振動過程中管內(nèi)壓力波動增加，流體與結(jié)構(gòu)相互作用更加強烈。沙勇等(2009)[33]通過懸跨彈性海底管線渦激振動試驗研究，得出在不同相對懸跨高度e/D情況下，懸跨管線渦激振動強度均隨折減速度Vr的增加而增加；懸跨管線渦激振動強度不隨相對懸跨高度e/D單調(diào)變化。

陳博文(2011)[34]通過ABAQUS有限元分析軟件對水上空管試驗?zāi)Ｐ瓦M行了正弦波和ElCentro模擬地震波輸入下的動力分析，結(jié)果與其試驗結(jié)果基本吻合，說明ABAQUS能較好的模擬地震波輸入下管道的動力響應(yīng)問題。

張敬花(2014)[35]經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)在地震和波浪作用下時，懸跨管線動力響應(yīng)的峰值均出現(xiàn)在跨中，向兩端逐漸減?。煌瑫r研究了端部支撐類型對懸跨管線動力響應(yīng)的影響，當(dāng)管線端部支撐類型為鉸接時，各點的變形位移明顯大于端部支撐為固接的情況。

趙恩金、拾兵等(2016)[36]對帶有導(dǎo)流板的海底管線沖刷過程中產(chǎn)生的渦激振動導(dǎo)致的影響進行了分析，利用ANSYS軟件對不同導(dǎo)流板高度下，管線周圍的流場、壓力場等進行了數(shù)值模擬分析，給出了安裝導(dǎo)流板的振動響應(yīng)對管線自埋的影響程度，導(dǎo)流板高度與管徑之比為0.375時，有利于管線自埋。

Zhai等(2018)[37]利用RANS和Biot方程，對管道周圍不同的土壤動力響應(yīng)、沙質(zhì)海床中的規(guī)則波進行了研究，研究表明管道周圍孔隙壓力幅值先增大后減小，最后隨著回填區(qū)厚度的增大而增大。當(dāng)回填深度為D時，海床孔隙壓力最小;當(dāng)回填深度為0時，海床孔隙壓力最大，即回填深度為D的管道失穩(wěn)的可能性小于完全回填管道失穩(wěn)的可能性。管道周圍孔隙壓力的振蕩幅度增大在不同的回填深度下，從管道底部到管道頂部，波浪引起的應(yīng)力傳遞到土床的應(yīng)力隨著深度的增加而減小。同時，通過土體深度測得的孔隙壓力表明，孔隙壓力振幅隨填土材料中位直徑和深度的增大而增大。

姜文全等(2018)[38]采用ANSYS軟件流固雙向耦合數(shù)值模擬方式研究不同夾角安裝導(dǎo)流板的海底管線附近壓力、流場、管線所受升力、拖曳力等因素對管線下沉自埋及振動的影響。Zhang等(2019)[39]基于Herschel-Bulkley模型，使用計算流體力學(xué)(CFD)方法模擬了海底滑坡在各種沖擊角θ下對鋪設(shè)或懸掛的管道施加的沖擊力，提出了計算海底管道軸向阻力和法向阻力系數(shù)的方程，為海底管線路由選擇和管道設(shè)計提供了依據(jù)。

Yang等(2019)[40]通過Fluent模擬研究了新型海底子母管線的流場和壓力分布、升力及拖曳力系數(shù)、平衡沖刷程度(例如深度和寬度)等一系列參數(shù)，表明新型子母管道與典型的子母管相比尾渦流強度及沖刷深度均較小，這種新型的子母管道可以有效減小沖孔的深度和寬度。

在研究過程中，由于試驗設(shè)備的限制，在試驗過程中考慮的因素也有限，雖然在計算過程，可以通過有限元軟件研究管線內(nèi)部流速變化、管壁厚度變化以及地震波變化等因素對管線響應(yīng)的影響，但其準(zhǔn)確性還有待確認(rèn)，需進一步優(yōu)化試驗設(shè)備，以便進行驗證。

3.3 懸空臨界長度

水平海底管線的懸空長度是決定管線破壞的主要因素，懸空管道越長，管道越容易發(fā)生破壞。王維等(1996)[41]通過分析海底懸跨管道的工作應(yīng)力和基于梁的靜強度條件，推導(dǎo)出了半沖刷長度l的公式，如式(14)所示。

(14)

式中,φ(Lα)為彎矩修正系數(shù)的函數(shù)值，取1.333；Lα為約束性質(zhì)系數(shù)，取4.732；[σ]為管材的許用應(yīng)力，MPa；W為管道截面的抗彎截面模量，m3；q為管道及管內(nèi)介質(zhì)的重力和海流沖刷力合成的均布載荷，kN/m。

相關(guān)專家學(xué)者從渦激振動以及應(yīng)力的角度出發(fā)對海底管道懸空臨界長度進行研究，有利于提高管線懸空臨界長度計算的適用性，為管線防護提供合理的建議。

4 海底水平懸空管線的動力調(diào)整

目前我國正處于已建管線的維護和新建管線建設(shè)的關(guān)鍵時期，管線的安全問題將直接影響我國海上石油產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。調(diào)查顯示，海底管線失事主要是由波流沖刷引起的海底管線懸空。國內(nèi)外專家學(xué)者研究表明，管線所處的動力環(huán)境越弱，越有利于管線穩(wěn)定。海底懸空的動力調(diào)整主要從以下幾個方面出發(fā)：降低管線周邊流速，形成淤積環(huán)境；增加海床抗沖能力，抑制懸空惡化；降低管線位置，處于弱動力環(huán)境；增加床面抗沖流速，加速管線自埋等。

4.1 降低管線周邊流速，形成淤積環(huán)境

采取相應(yīng)的措施，使得來流流速在管線附近降低，使攜帶的泥沙沉積下來，形成淤積環(huán)境，從而對管線起到保護作用，如仿生水草覆蓋法，通過水草阻流作用促進泥沙的淤積。

人工草最早出現(xiàn)于20世紀(jì)80年代中期的英國，最初用于管線的無溝敷設(shè)。近些年來，人工草已經(jīng)應(yīng)用于海床防護和海底結(jié)構(gòu)物基礎(chǔ)的防護，以防止基礎(chǔ)沖刷，加固海床以及促進泥沙淤積的作用，并且具有很強的適應(yīng)性。

呂明春(2008)[42]首次提出仿生海草技術(shù)，實踐表明該方法能夠有效解決灘海海底管道懸空問題，獲得了較好的社會效益和經(jīng)濟效益。文世鵬等(2008)[43]對防沖刷仿生海草防護技術(shù)進行了更為系統(tǒng)的分析，考慮了仿生海草的柔性黏滯阻尼作用，減緩了海床的沖刷作用。趙冬巖(2008)[44]從海底管線沖刷機理入手，提出了仿生防護措施——“人工草”固定法，通過數(shù)值模擬與物理模型試驗對該方法進行了驗證發(fā)現(xiàn)該法能夠?qū)铱展芫€起到防沖促淤的作用。崔華(2014)[45]分析了埕島海域海底管線裸露、懸跨的原因并做了一定的防護研究，提出在海底鋪設(shè)仿生草的方法，發(fā)現(xiàn)治理區(qū)有明顯泥沙淤積現(xiàn)象比例為89.66%，泥沙淤積厚度0.03～1 m。梁爽等(2014)[46]通過對一次懸空和二次懸空的原因進行分析，提出利用高分子材料仿生草葉片的柔性黏滯阻尼作用減緩流速降低水流的攜沙能力，以達到減小沖刷和保護管線的目的。

但該方法僅適合周邊有泥沙輸移且來沙量較大的海域，反之，仿生草叢內(nèi)缺少泥沙沉積，就起不到防護作用。

4.2 增加海床抗沖能力，抑制懸空惡化

增加海床顆粒的抗沖能力，能夠有效減少波流對海床的沖刷，從而可以抑制海底管線的懸空，如拋填沙袋、碎石法。在懸空管道及周圍一定范圍內(nèi)拋填碎石和沙袋，使得懸空管線下方填滿石塊、上方布滿沙袋，能夠有效減少波流對海床的沖刷，可以抑制管線的側(cè)向擺動，阻止管線懸空的繼續(xù)惡化。該方法適用于管道底部懸空不是太高且沒有漩渦沖刷的情況。但該法可靠性不是很高，碎石和沙袋被沖走后有二次懸空的可能。隨著研究的進展，專家也對該方法做了進一步優(yōu)化，如熊文海(2009)[47]突破以往沙包堆砌的方法，采用鋼筋網(wǎng)使水下的砂袋成為一個整體，降低了沙袋整體倒塌的概率，對管線起到更好的保護效果。梁富浩等(2011)[48]以平湖油氣田岱山近岸段KP2.6為例，通過比較海底管線的各種防治措施，提出了“砂袋懸空回填與仿生草永久性沖劇防治”的方案，不僅能防止管線的擺動還能起到促淤的作用，在含沙量較高的海域能較好防止二次沖刷。但該法可靠性不是很高，碎石和沙袋被沖走后有二次懸空的可能，“客沙”也會被水動力搬運到其他位置，無法形成長效防護機制。

4.3 降低管線位置，處于弱動力環(huán)境

在海底管線鋪設(shè)完成后或鋪設(shè)過程中，將管線埋到海床下一定的深度，使管線處于十分弱的動力環(huán)境中，可以減少海流對管線的沖刷。李國寶(2013)[49]根據(jù)南堡淺海海底管線懸空的成因及當(dāng)?shù)氐淖匀坏乩項l件，提出了后挖溝技術(shù)對海底管線懸空進行治理，對未來淺海區(qū)域海底管線懸空問題的防治具有指導(dǎo)意義。當(dāng)管線懸空后，可以采取相應(yīng)的措施對管線進行覆蓋，從而使管線處于弱動力環(huán)境中。劉錦昆(2014)[50]以勝利油田為例，通過對不同水質(zhì)點運動速度、不同懸空長度、懸空高度下海底管道懸空段渦激水平振動及垂直振動的動應(yīng)力幅值的分析，并進一步對海底管線懸空段的疲勞壽命進行預(yù)測。但該方法的施工與水下控制較為困難，僅適合典型懸空管線防護，對普遍性的海底懸空管線的防護較難實現(xiàn)。

4.4 增加床面抗沖流速，加速管線自埋

在管線上安裝spoiler可以改變管線周圍的流場和壓力場，從而使管線的受力發(fā)生變化，可以增加床面的抗沖流速，加速管線的自埋。國外對spoiler的研究起步較早，Hulsbergen(1986)[51]，YM.Chew(1993)[52]已經(jīng)對管線上安裝擾動器后海底管線的埋設(shè)深度和沖刷速度做了部分研究。在國外提出剛性導(dǎo)流板(spoiler)的基礎(chǔ)上，韓艷(2010)[53]提出在管線頂部安裝柔性導(dǎo)流板能夠促使管線下沉和自埋，在管線底部安裝柔性導(dǎo)流板可以減小甚至阻止管線沖刷，達到管線防護的目的。楊立鵬(2012)[54]通過對波浪作用下管線底部安裝柔性導(dǎo)流板的研究，得出了不同條件下管線沖刷的臨界壓差和柔性導(dǎo)流板長度的臨界值。張宗起(2016)[55]通過模擬波浪作用下安裝阻流器海底管線的沖刷及自埋，分析波浪對管線的作用力，表明海流是管線自埋的主要作用力，對海底管線的懸空防護具有一定的指導(dǎo)意義。綜上，導(dǎo)流板(阻流器)適合易沖易淤的沙質(zhì)或泥質(zhì)海床，且動力方向與管線正交；如動力方向與管線路由一致或海底局部有耐沖物質(zhì)，此段管線裸露或懸空的幾率很大，需要進行專門的防護設(shè)計。

4.5 其他前沿調(diào)整措施

從生態(tài)的角度出發(fā)，T. Bond等(2019)[56]提出將海上平臺以下的管道結(jié)構(gòu)部分經(jīng)過輕微的改造，使之成為不同結(jié)構(gòu)要素的魚類棲息地，在結(jié)構(gòu)內(nèi)建立棲息地不僅能夠減少海流對管線的沖刷，還有助于了解現(xiàn)有人工魚礁作為魚類棲息地的使用情況。D.L. McLean等(2020)[57]利用行業(yè)收集的遙控車輛視頻評估沿澳大利亞聯(lián)邦穿過海底天然氣管道(深度為56～82 m)的魚類種類的豐富度，說明該管道對魚類的豐富度具有積極影響，同時魚類的存在緩解了海流對管線的沖刷，實現(xiàn)了良性的生態(tài)循環(huán)。因此，基于海底管線的沖刷懸空動力機制，開展組合式、生態(tài)型人工礁體對海底強侵蝕懸空管線的動力調(diào)整和泥沙回淤機理研究，增強管線自身的可靠性和生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)性，以保障海底管線的安全運行，已變得十分迫切和重要。生態(tài)礁體的繞流、縫隙流和尾流結(jié)構(gòu)，易于將來沙捕捉到?jīng)_刷坑內(nèi)的弱動力區(qū)，實現(xiàn)泥沙回淤，具有 “捕沙器”的功效，可扭轉(zhuǎn)懸空高度不斷加劇的不利局面。生態(tài)礁體的布設(shè)，利于海洋生物的聚集和生長，具有“人工魚礁“作用，反過來，魚類的聚集和豐滿度的提升，易于管線周邊泥沙擾動-輸移-再沉積，形成生物活性功能循環(huán)利用之良性機制。

5 結(jié)論

本文全面闡述了海底水平管線懸空的研究現(xiàn)狀以及近些年來取得的最新研究成果，總結(jié)了不同水力條件下的泥沙起動公式以及管線相對沖刷深度的計算經(jīng)驗公式，對近些年來管線沖刷懸空以及懸空管線的動力響應(yīng)研究進行概括，最后，總結(jié)了海底水平管線動力調(diào)整的方法。通過對海底水平管線懸空機制與動力調(diào)整方法研究的總結(jié)，得出了以下幾點認(rèn)識：

(1)在研究海底水平管線懸空機制時，由于海洋環(huán)境是十分復(fù)雜的，海底管線懸跨的原因也是多種多樣的，對于海底埋設(shè)的管線，除要考慮海流的沖刷外，還應(yīng)考慮管線與海床的相互作用。

(2)現(xiàn)有關(guān)于海底管線沖刷平衡深度的計算公式主要基于試驗，當(dāng)試驗條件發(fā)生改變時，有些公式便不再適用，具有明顯的局限性。通過對眾多經(jīng)驗公式分析表明，尚未發(fā)現(xiàn)通用的公式。因此，需要更全面的研究海底管線的沖刷機理。

(3)通過物理模型試驗，數(shù)值模擬和理論分析對波流作用下海底管線的沖刷懸空機理以及管線懸空的防治做了很多研究，但海底管線沖刷是關(guān)于海底管線、海床和水流之間非常復(fù)雜的三維相互作用的問題，對于不同條件下海底管線的沖刷機理還有待進一步研究。

(4)在動力響應(yīng)的研究過程中，由于試驗設(shè)備的限制，試驗時考慮的因素也有限。在實際計算中可以通過有限元軟件研究管線內(nèi)部流速變化、管壁厚度變化以及地震波變化等因素對管線響應(yīng)的影響，但其準(zhǔn)確性還有待確認(rèn)，需進一步優(yōu)化試驗設(shè)備，以便進行驗證。

(5)盡管目前提出了很多懸空管線動力調(diào)整的措施，但尚未找到真正最有效的調(diào)整方法。從海洋生態(tài)角度出發(fā)，研究表明管道對魚類的豐富度有積極的影響，同時魚類的存在緩解了海流對管線的沖刷，日后可以朝海底管線與人工魚礁相結(jié)合的角度研究，建立良性的生態(tài)循環(huán)系統(tǒng)。