海底管道后挖溝整治效果分析

引用格式.海底管道后挖溝整治效果分析[J].水利水電快報，2025，46（7）：73－77，89.

0 引言

海底管道通常用于輸送油氣等能源，其狀態(tài)良好與否直接影響能源輸送的安全性和可靠性。根據(jù)管道與海床的關系，海底管道的狀態(tài)可以分為掩埋、裸露和懸空。一般來說，應盡量消除或減小海底管道懸空長度，以避免管道產(chǎn)生疲勞損傷，確保其穩(wěn)定性和安全性[1]。根據(jù)海底管道的材料、直徑、壁厚、設計參數(shù)以及海底環(huán)境等因素，可以計算出海底管道的最大允許懸空長度[2-3]。懸空管道一旦超過最大允許懸空長度，會大大增加管道的應力疲勞，可能會導致管道下沉、彎曲或斷裂，從而對管道的安全運行造成不利影響，應高度重視其預防和整治措施。為防止管道鋪設初期出現(xiàn)懸空，一般可以采用挖溝鋪設或安裝擾流板（Spoiler）裝置自埋，但前者施工難度大、經(jīng)濟花費高，后者可能會受海域潮流流向及海床條件的限制而效果不佳[4-5]。在管道運營過程中，可安裝管道防沖刷裝置預防管道懸空，如模袋浮板法[]。當管道出現(xiàn)懸空后，應適時采取一定的治理措施，目標是消除或減小管道懸空長度。常用的措施包括吹泥沉降法、拋石法、重物壓載法、結(jié)構(gòu)支撐法、仿生草法、后挖溝法等。吹泥沉降法是利用水流的沖刷作用將跨肩土體削平，從而使海管沉降，以消除懸空[7]；拋石法是在懸空管道周圍拋填礫石等材料[8];重物壓載法是在管道周圍鋪設重物來穩(wěn)定和保護管道，重物可選擇水泥壓塊、混凝土聯(lián)鎖排等]；結(jié)構(gòu)支撐法是指通過在管道的底部或周圍設置支撐結(jié)構(gòu)，支撐結(jié)構(gòu)包括但不限于沙袋、錨桿、防滑墊、灰漿氣囊、水泥樁；仿生草法是通過仿生水草對海流的黏滯阻尼作用，降低波浪的沖擊力，減緩水流速度，使泥沙不斷沉積到仿生水草帶上，減少管道暴露在外部環(huán)境中的風險，防止機械破壞和生物腐蝕，但造價較高[10]；后挖溝法是指在海床上挖掘出一條溝槽，管道懸跨一定距離后在自重作用下沉至溝底；再利用水流作用，管道溝自動回淤[]

以往關于后挖溝整治懸空海底管道的研究主要集中在施工方案優(yōu)化[12-14]、儀器設備對比[15]、管道應力變化分析[16-17]等方面。然而，針對海床沖淤及其對海底管道狀態(tài)影響的持續(xù)性跟蹤和分析，以及從這一角度探討整治效果的文獻相對較少。因此，本文基于工程實例，分析和探討相關問題，旨在為海底管道的安全管理和維護提供參考。

1 工程概況與研究方法

研究區(qū)海底管道位于舟山海域，總長度超過30km。為及時了解管道狀態(tài)，每年均對管道進行檢測，主要包括多波束水深測量、淺地層剖面儀測量和側(cè)掃聲吶檢測等[18]。在2017年10月的檢測中，在管道里程 KP10.5 附近沖刷坑內(nèi)發(fā)現(xiàn)一處管道超長懸空段，隨即填充沙袋支撐該懸空段，以保護管道的安全[19]為了確保海底管道的安全并實現(xiàn)長期治理的目標，2018年5月對管道里程 KP6.8～KP15 段（總長約8.2km 采用后挖溝法進行沉管施工整治（以下簡稱“后挖溝段”）。所用后挖溝法指在海底管道鋪設完成后，通過專門的挖溝設備和技術挖掘管道下方及周圍的海底，形成溝槽，將管道沉入挖溝內(nèi)。隨后，可以通過天然淤積或人工方法對溝槽進行回填，以保護管道免受外部環(huán)境的影響，減少水流沖刷和船只拋錨等外力的破壞，從而提高管道的穩(wěn)定性，適應復雜的海床條件。

為了研究后挖溝整治對管道狀態(tài)和海床沖淤的影響，收集了研究區(qū)內(nèi)共計10次的管道檢測結(jié)果進行分析。檢測結(jié)果包括 2015～2022 年每年10月份左右的8次常規(guī)檢測，以及2018年4月（整治前末次檢測）和2018年6月（整治后首次檢測）2次加密檢測。

2 海床沖淤

海床的沖淤現(xiàn)象會直接影響海底管道的狀態(tài)，其中海床沖刷是引起海底管道懸空最主要的原因[20 -22]除海床天然沖淤外，人類活動也會對海床的沖淤變化產(chǎn)生影響。后挖溝整治行為可能會導致海床短期內(nèi)發(fā)生沖刷；而整治完成后，管道溝內(nèi)的海床通常會出現(xiàn)回淤現(xiàn)象。這是因為溝內(nèi)水流速度減緩，導致懸浮物和沉積物逐漸在管道周圍的海床上沉積。回游現(xiàn)象有助于逐漸恢復管道周圍海床的原貌，并可能對管道的穩(wěn)定性和安全性產(chǎn)生積極影響。因此，在進行后挖溝整治后，需要監(jiān)測和評估管道溝內(nèi)海床的回淤情況，以確保管道的正常運行。

本文匯總了歷次檢測出的海底地形高程數(shù)據(jù)，將不同檢測時期的數(shù)據(jù)分組并進行沖淤計算（表1）。表1中的海床整體平均沖淤是指沿管道方向KP6.8～KP15、平行于管道方向左右各 50m 的范圍內(nèi)，海底高程沖淤統(tǒng)計數(shù)據(jù)的平均值；管道溝內(nèi)海床平均沖淤是指沿管道方向 KP6.8～KP15 、后挖溝溝底（平均溝寬約 13m ）海床高程沖淤統(tǒng)計的數(shù)據(jù)平均值，該值代表了后挖溝溝底的回淤情況。

為了更加直觀展現(xiàn)出后挖溝段海床沖淤情況，利用歷次檢測出的海底地形高程數(shù)據(jù)進行分組對比，生成海床沖淤圖，見圖1，圖中共展現(xiàn)出了7組海床沖淤對比。

對比2017年10月與2016年10月沖淤情況，后挖溝段海床整體沖刷 0.3m，KP10.5 附近局部存在較大沖刷，導致了超長懸空段的出現(xiàn)；對比2018年4月與2017年10月沖淤情況，后挖溝段海床整體沖淤平衡，但KP10.5附近顯現(xiàn)出局部較大回淤，這是采用拋填沙袋等方式進行管道支撐和填充深坑應急處理的原因。

注： ① 2017年10月對比2016年10月； ② 2018年10月對比2017年10月； ③ 2019年10月對比2018年10月； ④ 2019年10月對比2016年 ⑤ 2018年4月對比2017年10月； ⑥ 2018年6月對比2018年4月； ⑦ 2018年10月對比2018年6月。

整治時間在2018年5月，對 KP6.8～KP15 段進行挖溝沉管施工整治。對比2018年6月與2018年4月的沖淤情況，因人工挖溝而形成的海床沖刷溝輪廓清晰可見，管道溝內(nèi)平均沖刷 2.4m 。對比2018年10月與2017年10月沖淤情況，整治期包含在該范圍內(nèi)，圖中顯示海床整體平均沖刷 0.2m ，受到后挖溝施工整治的影響，溝內(nèi)平均沖刷 1.2m 。

整治后，挖溝后需要一定的時間回游，對比2018年10月與2018年6月的沖淤情況，后挖溝段挖溝整治后整體平均淤積 0.2m ，溝內(nèi)平均淤積 1.2m 。對比2019年10月與2018年10月沖淤情況，海床整體平均淤積 0.1m ，溝內(nèi)平均淤積 1.0m 。

從更長的時間跨度來看，對比2016年10月與2019年10月后挖溝段海床沖淤量，海床整體平均沖刷 0.3m ，溝內(nèi)平均沖刷 0.4m ，二者較為接近。僅從沖刷量的角度來看，后挖溝整治后，管道溝尚未回淤平整，但已趨近于挖溝之前的狀態(tài)。見圖1的 ④ ，只有KP13.0～KP14.4 仍可看出較為明顯的沿管道方向的沖刷痕跡，其余部分海床沖淤基本上與周圍海床沖淤融為一體，并未顯現(xiàn)出沿管道方向的明顯特征性沖淤。

綜上，通過對歷次檢測的海底地形高程數(shù)據(jù)進行沖淤計算和分組對比，可以看出后挖溝段海床在整治前、整治期及整治后均經(jīng)歷了不同程度的沖刷與淤積。整治前，海床沖淤呈現(xiàn)出整體性的變化，但也存在局部較大沖刷，整治期間由于人工挖溝，管道溝海床平均沖刷達到 2.4m ，整治后則逐漸回淤。

3 管道狀態(tài)

3.1 管頂高程變化

將后挖溝段2017年10月至2022年10月的8次常規(guī)檢測管頂高程標注在同一圖內(nèi)，見圖2。受到后挖溝沉管施工整治的影響，圖中管頂高程可以明顯分為兩組： ① 2015年10月至2017年10月后挖溝整治前的3次常規(guī)檢測管頂高程， KP6.8～KP15 管頂平均高程均為 -11.7m ，最大高程 -9.3m ，最小高程-14.5m ② 2018年10月至2022年10月后挖溝整治后的5次常規(guī)檢測管頂高程， KP6.8～KP15 管頂平均高程均為 -14.8m ，最大高程 -9.3m ，最小高程-16.9m 。由 KP6.8～KP15 管頂平均高程從-11.7m 減小至 -14.8m 可知，后挖溝段平均沉管約 3.1m 。

管道管頂高程除因后挖溝施工整治產(chǎn)生的整體降低外，未見其他原因?qū)е碌拿黠@位移，整治后管頂高程比較穩(wěn)定。通過圖2還可以看出，后挖溝整治后，KP6.8～KP7.1 為管道平緩下降過渡區(qū)，管頂高程由約 -9.3m 下降至約 -13.0m;KP7. 1～KP14.6 為管道平緩沉管區(qū)，管道短距離內(nèi)相對平緩下降或拾升；KP14.6～KP15.0 為管道平緩抬升過渡區(qū)，管頂高程由約 -15.4m 抬升至約 -12.2m 。

3.2 管道狀態(tài)變化

海底管道的狀態(tài)可以分為掩埋、裸露和懸空，結(jié)合管道管頂高程變化及相對應時期管道垂直向下方向海底高程的變化，即可知曉管道狀態(tài)的變化情況。管道管頂與其垂直向下到海底的距離即為管道埋深 M，m H_PP 為管道海底高程， m;H_HH 為管道管頂高程， m;D 為管道管徑， m;M_??，? 為管道裸露高度，mathbf { m } ; M _" 為管道懸空高度， m 。

由式 （1）～（3） 可知，管道狀態(tài)主要受到管頂高程和海底高程的影響，而海底高程主要受到海床沖淤的影響。2017年10月至2022年10月的8次常規(guī)檢測管道管頂與其垂直向下方向海底高程見圖3。2015年10月至2017年10月后挖溝整治前的3次檢測結(jié)果顯示，管道 KP6.8～KP15 段埋深較淺;2018年10月～2020年9月整治后的3次檢測結(jié)果顯示，該段埋深整體增大，但 KP12.9～KP15 段埋深相對較淺且變化較大；2021年10月至2022年10月的2次檢測結(jié)果顯示，后挖溝段埋深整體趨于穩(wěn)定，最小掩埋深度也在1m以上，相關埋深數(shù)據(jù)統(tǒng)計信息見表2。

2017年10月檢測出KP10.5附近存在管道超長懸空段，經(jīng)后挖溝整治及回淤，2019年10月后已經(jīng)穩(wěn)定在掩埋狀態(tài)，掩埋深度約 6.5m ，見圖4。

綜上所述，2018年5月進行海底管道后挖溝整治，隨即開始出現(xiàn)挖溝淤積；在接下來的1a內(nèi)，挖溝整體迅速淤積；2a后，僅有部分挖溝溝底仍未與溝邊淤平，被開挖破壞的海床整體基本上淤積恢復到了整治前的狀態(tài)；3a后，大部分挖溝基本消失，小部分僅存的挖溝內(nèi)海床沖淤已經(jīng)與周圍天然海床沖淤同步。

4 分析與討論

4.1 后挖溝整治效果分析

后挖溝整治的實施顯著改善了海底管道的狀態(tài)。通過對管道狀態(tài)的檢測數(shù)據(jù)分析，可以看出，在后挖溝整治后，管道整體埋深增加，特別是在曾經(jīng)存在超長懸空段的KP10.5附近，經(jīng)過整治和隨后的回淤，管道已經(jīng)恢復為掩埋狀態(tài)。這表明后挖溝法在短期可改善管道懸空、裸露的現(xiàn)象，提高管道的安全性；長期來看可增加抵抗外界海床沖淤變化對管道狀態(tài)影響的能力，進一步增強了管道的長期穩(wěn)定性。

4.2海床沖淤變化的影響

海床沖淤變化對海底管道的狀態(tài)有著重要的影響。整治期間，由于人工挖溝導致的海床沖刷現(xiàn)象明顯，平均沖刷深度達 2.4m 。整治后，隨著海床的回淤，管道周圍的海床逐漸恢復，顯示出良好的自我修復能力。掌握這種沖淤規(guī)律可在一定程度上有助于維持管道的穩(wěn)定，減少潛在的風險。因此，定期檢測海床的沖淤變化對于管道的長效管理至關重要。

4.3管道狀態(tài)與海床高程的關系

通過對管頂高程與海床高程的對比分析，可以清晰地看到管道狀態(tài)的變化。隨著海床的沖淤變化，管道的埋深也發(fā)生了相應的變化。當管道的埋深增加，尤其是達到一定的掩埋深度時，管道狀態(tài)不容易受到天然海床沖刷的影響，管道的安全性和穩(wěn)定性顯著提高。此外，整治后的管道狀態(tài)趨于穩(wěn)定，表明后挖溝法可有效改善管道狀態(tài)。

4.4管道狀態(tài)變化趨勢分析

從時間上看，2017年10月檢測在夏季風暴潮后，海床整體微沖，KP10.5附近由于海流沖刷，局部出現(xiàn)坑洞地形，造成超限管道懸空；2018年5月進行海底管道后挖溝整治，整治后管道平均掩埋深度逐步增大，隨后趨于相對穩(wěn)定，整治后管道一直保持在掩埋狀態(tài)。一般而言，冬季潮差小，基本無風暴潮影響，往往是海床回淤的有利時間段；夏季潮差大，加上風暴潮影響，海流動力相對較大，海床易受沖刷，是管道狀態(tài)變差的重要時間節(jié)點。在較長周期內(nèi)，海床微沖的概率相對較高，主要原因如下： ① 管道路由區(qū)域海床表層多為淤泥質(zhì)細砂組成的松散堆積物，抗沖性較差； ② 管道工程長期處于風暴潮易發(fā)區(qū)域； ③ 受自然因素和圍墾造地、橋梁工程等人類活動的影響，管道路由段海床除西部邊灘微淤外，整體處于微沖環(huán)境中[23]； ④ 管道路由段徑流和漲潮流速較大，海床表層泥沙頻繁交換； ⑤ 管道路由方向與徑流和潮流速度方向不完全垂直，加上區(qū)域內(nèi)流速較大，泥沙促淤條件受限制。因此，從更長期的角度來看，不排除將來管道會再次出現(xiàn)因海床沖刷導致的裸露甚至懸空。

5 結(jié)論與建議

海床沖淤現(xiàn)象對海底管道穩(wěn)定性具有直接影響，其中海床沖刷是導致管道懸空的關鍵因素。通過實施后挖溝整治并開展為期4a的效果跟蹤發(fā)現(xiàn)，管道溝內(nèi)海床呈現(xiàn)普遍自然回淤的特征，管道埋深經(jīng)整體提升后趨于穩(wěn)定。原超長懸空管段已經(jīng)穩(wěn)定，處于掩埋狀態(tài)，管頂高程整治期間變小后再無明顯改變。研究結(jié)果表明，后挖溝法作為一項針對長距離海底管道的工程措施，能夠?qū)崿F(xiàn)管道的穩(wěn)定埋設，顯著改善管道狀態(tài)、降低懸空風險，具有工程實效性突出、長效性特征明顯的綜合治理優(yōu)勢。

為進一步提升海底管道運行的安全性和后挖溝整治效果，提出以下建議： ① 在后挖溝施工整治后，建議在海洋環(huán)境變化較大的區(qū)域?qū)嵤┒ㄆ诒O(jiān)測，監(jiān)測內(nèi)容應包括海床沖淤情況、管道狀態(tài)變化和潛在的環(huán)境影響等。 ② 挖溝深度應合理，過淺可能導致整治效果不佳且容易發(fā)生沖刷，過深則會延長施工時間并增加成本，應權衡選擇。 ③ 管道溝如果不易自然淤積平整且有進一步?jīng)_刷的風險，可以考慮采取人工回填作業(yè)或安裝防沖刷裝置等措施。 ④ 在海底管道設計時，可考慮留出一定的流動緩存長度，以防后續(xù)需要進行后挖溝施工整治，并需注意管道應力應變情況。 ⑤ 針對管道周圍最新的水動力條件變化，建議更新完善水動力模型研究成果，以更精確地預測海床沖淤變化的趨勢。

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（編輯：張爽）