冊鎮(zhèn)海底管線沿線海床沖刷原因及沖刷趨勢研究

張 瑋，金 新，汪 魁

（河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院，南京 210098）

冊鎮(zhèn)海底管線沿線海床沖刷原因及沖刷趨勢研究

張 瑋，金 新，汪 魁

（河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院，南京 210098）

海床沖刷可能導(dǎo)致海底輸油管線裸露懸空，影響其運營安全。文章針對冊鎮(zhèn)海底輸油管線沿線海床的沖刷現(xiàn)象，利用杭州灣大范圍海域潮流數(shù)學(xué)模型和海床沖淤計算方法，分析了造成海床沖刷的原因，預(yù)測了沖刷的發(fā)展趨勢。研究結(jié)果表明：冊鎮(zhèn)海底輸油管線沿線海床沖刷主要與新泓口圍墾的局部挑流及金塘大橋的阻水作用有關(guān)。隨著規(guī)劃圍墾工程的實施，沿線部分海床還將進一步?jīng)_刷。

冊鎮(zhèn)海底輸油管線；圍墾工程；金塘大橋；海床沖刷

Biography：ZHANG Wei（1958-）,male,professor.

海底輸油管道由于其輸送連續(xù)、輸送量大、管理方便等優(yōu)點，在海洋工程中得到了廣泛應(yīng)用。作為海洋油氣資源開發(fā)利用的生命線，其安全與否直接影響著海洋石油工業(yè)的發(fā)展和海洋環(huán)境的保護。裸露懸空是影響海底管道安全的一個最為常見的問題，而海床的普遍（整體）沖刷則是造成海底管道裸露懸空的一個主要原因［1－3］。位于杭州灣南岸灰鱉洋的冊鎮(zhèn)海底管線，近期因海床沖刷，出現(xiàn)局部裸露和懸空現(xiàn)象，引起有關(guān)方面的關(guān)注［4］。通常影響海床沖淤的主要因素包括：動力環(huán)境、泥沙條件、地形地貌等。杭州灣灰鱉洋海域水動力較強，漲落潮最大流速可達2.0 m/s以上；海床底質(zhì)主要為粉砂，可動性強；當(dāng)?shù)亟?jīng)濟發(fā)展迅速，大型工程較多，先后實施了金塘大橋、新泓口圍墾等工程。上述諸多因素對于海床沖淤演變均有一定程度的影響，需要進行深入研究，以便探討已有沖刷現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，并對今后的發(fā)展趨勢有所預(yù)測。

海床演變分析和預(yù)測的常用方法主要可歸結(jié)為：現(xiàn)場資料分析、海床沖淤計算、物理模型試驗、數(shù)值模擬計算等，近年來呈現(xiàn)出多種方法結(jié)合使用的趨勢。黃世昌等［5］利用實測水文、地形及歷史海圖資料，分析了杭州灣灰鱉洋海域海床演變的基本規(guī)律，認為岸灘演變?nèi)Q于潮灘的發(fā)育和岸線邊界的變化以及上游杭州灣南岸圍墾。熊紹隆等［6］利用定床與動床模型，分析了杭州灣大橋建成后杭州灣北岸深槽、乍浦碼頭前沿及南航道的沖淤變化。英曉明［7］運用實測資料分析了洋山港水沙特征和地形演變規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上用數(shù)模模擬了洋山港水沙輸運特征和海床沖淤變化。曹祖德等［8］通過分析海床沖淤演變機理，提出了海床沖淤演變預(yù)測方法，并在洋山港海區(qū)得到了良好的應(yīng)用。

本文擬針對冊鎮(zhèn)海底管道沿線海床沖刷問題，利用杭州灣大范圍海域潮流數(shù)學(xué)模型和海床沖淤計算方法，研究海底管道所在海域周邊大型工程實施前后潮流場變化及海床沖淤情況，探討造成沿線海床沖刷原因，預(yù)測今后沖刷發(fā)展趨勢，研究成果可為海底管道防護工作提供一定的技術(shù)支撐和依據(jù)。

1 冊鎮(zhèn)海底管線概況

1.1 冊鎮(zhèn)海底管線

冊子島至鎮(zhèn)海海底管道（圖1）位于杭州灣南部的灰鱉洋海域，是連接冊子島與鎮(zhèn)海兩地間的原油輸送通道。管道直徑762 mm，壁厚17.5 mm，全長36.5 km。管道所處海域的海況復(fù)雜，平均水深10 m，最深處水深25 m，于2005年6月完工。建成初期，海床穩(wěn)定，未出現(xiàn)異?，F(xiàn)象。但2 a后，管線的鎮(zhèn)海登陸點段和彎頂段出現(xiàn)了裸露的狀況，對管道的安全運行造成了影響。

1.2 管線沿線潮流及底質(zhì)

冊鎮(zhèn)管線沿線海域水動力較強，漲、落潮方向大致與管線垂直，基本呈往復(fù)流。根據(jù)2012年1月份實測資料，管線沿線測流點漲潮最大流速為1.84 m/s，落潮最大流速為1.92 m/s。管線沿線海床底質(zhì)泥沙中值粒徑在0.007 9～0.014 2 mm，主要由砂、粉砂和粘土組成，其中粉砂占比介于63.4%～79.0%，床面可動性強。

1.3 近期海床沖淤變化

根據(jù)檢測資料，近期冊鎮(zhèn)管線沿線海床共有2處發(fā)生明顯沖刷，分別位于鎮(zhèn)海登陸點段和彎頂段（圖1）。2006～2011年，鎮(zhèn)海登陸點處海床沖刷0.80～1.60 m；管線彎頂處海床沖刷0.30～0.60 m。

1.4 周邊工程情況

冊鎮(zhèn)海底管線位于浙江省沿海發(fā)達地區(qū)，近年來經(jīng)濟發(fā)展較快，周邊相關(guān)工程較多，主要包括灘涂圍墾工程、跨海大橋等。冊鎮(zhèn)海底管線建成以后，所在海域周邊新增的工程項目主要有新泓口圍墾工程、金塘大橋、泥螺山北側(cè)一期圍墾工程，近期規(guī)劃工程主要有金塘島北部圍墾工程、馬目圍墾工程、冊子島圍墾工程以及杭州灣 2020年規(guī)劃指導(dǎo)線［9］（圖 1）。

圖1 冊鎮(zhèn)海底輸油管道、金塘大橋、圍墾工程及測流點位置圖Fig.1 Location of Cezi Island-Zhenhai Submarine pipeline,Jintang Bridge,reclamation projects and observation points

2 潮流數(shù)學(xué)模型及沖淤分析計算

杭州灣海域?qū)掗煟钕鄬^淺，水流在垂直方向上的速度和加速度相對于水平方向來說可以忽略不計，因此可以采用二維潮流數(shù)學(xué)模型模擬計算工程所在海域的水動力條件，在此基礎(chǔ)上，利用海床沖淤原理分析海床的沖淤變化。

2.1 基本方程

連續(xù)方程

運動方程

式中：x、y為直角坐標系坐標；t為時間變量；h為平均水深；ζ為相對于平均海平面的潮位；Ux、Uy為x、y方向上的垂線平均速度；ρ為水流密度；g為重力加速度；Nx、Ny為x、y方向的水平紊動粘性系數(shù)；f為科氏參數(shù)（f=2ωsin（φ），ω為地球旋轉(zhuǎn)角速度，φ為緯度）；τx、τy為波流共同作用下床面剪切應(yīng)力在x、y方向的分量。

2.2 模型概況

數(shù)學(xué)模型計算區(qū)域（圖2）東至嵊泗島以東約12 km、南至象山附近，西至錢塘江馬鞍山附近，北至南匯嘴附近，南北長約185 km，東西長約300 km，計算面積約21 000 km2（含島嶼）。利用三角形網(wǎng)格對于計算區(qū)域進行離散，最大計算網(wǎng)格2 500 m，最小計算網(wǎng)格4 m，網(wǎng)格總數(shù)為193 916。

邊界條件分為閉邊界條件與開邊界條件，閉邊界采用不可入條件，取法向流速為零，由于計算域的潮流場受東中國海潮波系統(tǒng)控制，本模型的開邊界由東中國海潮波數(shù)學(xué)模型［10］提供；由于工程所在海域島嶼眾多，岸線復(fù)雜，潮灘淹沒和露灘頻繁，為了準確模擬該海域潮流形態(tài)，模型閉邊界采用了干濕判別的動邊界處理技術(shù)。

利用有限體積法求解基本方程的數(shù)值解。計算時間步長Δt＝15 s；計算海域的糙率受多種因素綜合影響，與水深、床面形態(tài)等因素有關(guān)，經(jīng)調(diào)試，本海域糙率取值n=0.012～0.018；水平渦動黏性系數(shù)采用Smagorinsky公式計算。

采用2012年1月9～10日大潮的潮位過程和潮流速過程作為驗證資料，對新泓口、鎮(zhèn)海、瀝港等9個潮位站及冊鎮(zhèn)管線沿線6個水文測點進行了驗證。驗證結(jié)果表明，計算值與實測值吻合良好，符合《海岸與河口潮流泥沙模擬技術(shù)規(guī)程》的要求，詳見文獻［4］。

2.3 橋墩樁基概化

在計算金塘大橋［11］橋墩阻水作用時，需要對于橋墩進行概化。橋墩承臺由多個單樁組成，水流經(jīng)過時，既有單樁阻水特性，又有樁群之間的相互影響。目前對樁墩的模擬主要采用2種模式：局部阻力修正法和直接模擬法。金塘大橋橋墩樁基眾多，直接模擬法顯然不切實際，故本文采用等效阻力法［12］對金塘大橋橋墩樁基進行概化，主通航孔處計算網(wǎng)格見圖3，橋墩處最小計算網(wǎng)格4 m。

2.4 海床沖淤變化

采用曹祖德［8］提出的海床沖淤演變預(yù)測方法進行沖淤計算

式中：Δzong為海床總沖淤演變量，取“+”表示淤積，取“-”表示沖刷，m；h0為工程前的水深，m；αx為不同沖淤過程的系數(shù)，隨泥沙沉降、起懸不同而取不同值，本次計算取αx/αp0=1；ue為原穩(wěn)定海床上因某種原因而改變后的流速；u0為工程前流速。

圖2 計算區(qū)域及網(wǎng)格Fig.2 Computational domain and grids

圖3 金塘大橋主通航孔處網(wǎng)格Fig.3 Grids at the main navigable span of Jintang Bridge

3 海床沖刷原因分析研究

3.1 新泓口圍墾工程

新泓口圍墾工程于2006年2月28日開工，2008年4月圍堤合攏，2009年9月30日完工。圍區(qū)面積0.74萬畝，形成一線海塘6 019 m，其中南直堤長1 205 m，東順堤長3 164 m，北直堤長1 649 m。

圖4 新泓口圍墾工程前后漲潮最大流速變率Fig.4 Variation of maximum velocity of flood tide before and after Xin-Hongkou reclamation

圖5 新泓口圍墾工程前后落潮最大流速變率Fig.5 Variation of maximum velocity of ebb tide before and after Xin-Hongkou reclamation

根據(jù)工程前后潮流計算結(jié)果（圖4、圖5）：新泓口圍墾工程實施后，圍墾引起的流速變化主要集中于工程附近局部水域。漲潮時，圍墾區(qū)外側(cè)一定范圍內(nèi)流速明顯增大，距東順堤越近增加幅度越大，最大增幅20%～40%，向外海逐漸減小；落潮時，工程前后的流速變化規(guī)律與漲潮基本一致，落潮最大流速增幅超過20%。

根據(jù)海床沖淤結(jié)果（圖6）：受新泓口圍墾工程的局部挑流作用影響，鎮(zhèn)海登陸點附近海床發(fā)生明顯的沖刷現(xiàn)象。距新泓口圍墾東順堤1～3 km處海床沖刷0.6～1.5 m，與冊鎮(zhèn)海底管道沿線海床歷年檢測資料結(jié)果較為吻合。

綜合以上結(jié)果，新泓口圍墾工程是造成冊鎮(zhèn)海底管線鎮(zhèn)海登陸點海底沖刷的主要原因。新泓口圍墾實施以后，局部挑流作用使得堤外水流增強，海床出現(xiàn)沖刷。

圖6 新泓口圍墾工程實施后海床最終沖淤圖Fig.6 Seabed erosion and siltation after Xin-Hongkou reclamation

3.2 新泓口圍墾及金塘大橋工程

金塘大橋位于金塘島與鎮(zhèn)海間的灰鱉洋海域，大橋全長26.54 km，其海上部分長18.27 km。工程于2006年4月動工興建，2007年8月鋼管樁沉樁結(jié)束，2008年7月主通航孔貫通，2009年6月主體完工。

潮流計算結(jié)果表明（圖7、圖8）：金塘大橋?qū)嵤┮院?，漲潮時，由于橋墩的阻水影響，金塘大橋一側(cè)海域流速以減小為主，而西堠門水道一側(cè)海域流速則有所增大，管道彎頂段海域漲潮最大流速增幅超過3%；落潮時的情況與漲潮基本相似。此外，受橋墩阻力對于水流局部調(diào)整作用的影響，金塘大橋一側(cè)海域近岸淺水區(qū)流速有所增大，而深水區(qū)流速有所減少。海床沖淤計算結(jié)果（圖9）表明：西堠門水道普遍發(fā)生沖刷，管道彎頂段局部沖刷深度超過0.3 m，與根據(jù)水下地形資料分析的海床沖淤結(jié)果基本一致。

圖7 金塘大橋工程前后漲潮最大流速變率Fig.7 Variation of maximum velocity of flood tide before and after Jintang Bridge

圖8 金塘大橋工程前后落潮最大流速變率Fig.8 Variation of maximum velocity of ebb tide before and after Jintang Bridge

由此可見，金塘大橋建成后，由于橋墩樁基的阻水作用，大橋一側(cè)海域水流流速減小，西堠門水道一側(cè)海域水流流速增大，使得管線彎頂段附近海床有所沖刷。

4 沖淤變化趨勢預(yù)測

圖9 金塘大橋工程實施后海床最終沖淤圖Fig.9 Seabed erosion and siltation after Jintang Bridge

圖10 近期圍墾規(guī)劃工程前后漲潮最大流速變率Fig.10 Variation of maximum velocity of flood tide before and after reclamation in recent stage

圖11 近期圍墾規(guī)劃工程前后落潮最大流速變率Fig.11 Variation of maximum velocity of ebb tide before and after reclamation in recent stage

截止至2011年底，金塘大橋、新泓口圍墾已建成，泥螺山北側(cè)一期圍墾工程也基本完工。近期的規(guī)劃圍墾工程主要包括金塘北部圍墾、馬目圍墾、冊子島圍墾以及杭州灣2020年規(guī)劃治導(dǎo)線（圖1）。其中，金塘北部圍墾工程位于金塘島北部，圍墾面積約1.2萬畝；馬目圍墾工程位于馬目西北側(cè)，擬圍面積約1.2萬畝，圍墾區(qū)距冊鎮(zhèn)輸油管線約4.5 km；冊子島圍墾工程位于冊子島西北部，覆蓋管道在冊子島的登陸點，圍墾面積約0.5萬畝；2020年杭州灣治導(dǎo)線實施后，杭州灣南岸岸線將整體向外海推移約2 km。

圖10～圖12是以2011年底為現(xiàn)狀，規(guī)劃圍墾工程實施后的漲落潮最大流速變化百分比圖和最終沖淤變化圖。潮流計算結(jié)果表明（圖10、圖11）：規(guī)劃圍墾工程實施后，杭州灣岸線向外海推移，新泓口圍墾工程的挑流作用消失，但是，岸線不平順帶來的局部挑流現(xiàn)象還存在，程度有所降低，鎮(zhèn)海登陸點段海域漲潮最大流速增幅在5%左右，落潮最大流速增幅約為10%；冊子島圍墾、馬目圍墾、金塘北部圍墾等工程共同作用使得西堠門水道的水流更為集中，漲落潮流速增加較為明顯，工程后管線轉(zhuǎn)彎段海域漲、落潮最大流速增幅在10%～15%；冊子島圍墾工程東北角點處及馬目圍墾工程西北角點處產(chǎn)生挑流現(xiàn)象，特別是冊子島圍墾工程對于落潮流的挑流作用極為明顯，工程后流速增幅超過30%。

海床沖淤計算結(jié)果（圖12）表明：規(guī)劃圍墾工程的實施，鎮(zhèn)海登陸點段海床將出現(xiàn)0～0.3 m的微弱沖刷，說明該處目前的沖刷勢頭將得到遏止；管線彎頂段海床沖刷基本在0.5 m以上，最大沖刷約0.9 m，說明管道彎頂段海床沖刷將處于發(fā)展之中；冊子島圍墾工程的局部挑流作用將使得海床沖刷將近1.0 m，應(yīng)該引起充分注意。

圖12 近期規(guī)劃工程實施后海床最終沖淤圖Fig.12 Seabed erosion and siltation after reclamation in recent stage

5 結(jié)論與建議

（1）影響海床演變的主要因素包括：動力環(huán)境、泥沙條件、地形地貌等。冊鎮(zhèn)海底管線所在海域周邊的圍墾工程、金塘大橋等改變了原有的地形，調(diào)整了水流動力，引起了海床的沖淤變化。

（2）管線鎮(zhèn)海登陸段的海床沖刷主要由新泓口圍墾工程的局部挑流作用引起。根據(jù)計算新泓口圍墾工程建成后，由于圍墾工程突出于海岸，其挑流作用致使東順堤以外水域流速增大，局部流速增幅超20%～40%，海床沖刷0.6～1.5 m。

（3）管線彎頂段的海床沖刷主要與金塘大橋的阻水作用有關(guān)。根據(jù)計算，新泓口圍墾及金塘大橋?qū)嵤┖?，管道彎頂段漲落潮最大流速增加超過3%，最大沖刷深度超過0.3 m。

（4）規(guī)劃圍墾工程的實施，鎮(zhèn)海登陸段海床將出現(xiàn)0～0.3 m的微弱沖刷，說明該處目前的沖刷勢頭將得到遏止；管線彎頂處海床沖刷基本在0.5 m以上，最大沖刷約0.9 m，說明彎頂段的海床沖刷還將處于發(fā)展之中；冊子島圍墾工程的局部挑流作用將使得海床沖刷將近1.0 m，應(yīng)該引起充分注意。

（5）通常，造成海底管道裸露和懸空的沖刷主要包括海床的普遍沖刷與管道局部繞流沖刷。目前研究工作主要集中于海床整體沖刷方面，今后應(yīng)充分利用現(xiàn)場觀測的寶貴資料，及時開展局部繞流沖刷研究。

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Study on seabed erosion along submarine pipeline from Cezi Island to Zhenhai

ZHANG Wei,JIN Xin,WANG Kui
（College of Harbor,Coastal and Offshore Engineering,Hohai University,Nanjing210098,China）

Seabed erosion may lead to the phenomenon of pipeline hanging in the seawater and make troubles to the security operations of submarine pipeline.By using a tidal current numerical model for Hangzhou Bay and a method for the calculation of seabed erosion and siltation,the cause of the seabed erosion and the erosion trends along the submarine pipeline from Cezi Island to Zhenhai were studied.The research shows that the seabed erosion is mainly caused by the deflecting flow scour effect of Xin-Hongkou reclamation and the water-retardation effect of Jintang Bridge.With the implementation of the reclamation in the near future,part of the seabed along the submarine pipeline will be further eroded.

submarine pipeline from Cezi Island to Zhenhai;reclamation project;Jintang Bridge;seabed erosion

TV 142

A

1005-8443（2013）03-193-06

2012-10-23；

2012-12-13

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）（2012AA112509）；2011年度江蘇省研究生培養(yǎng)創(chuàng)新（CXZZ11_0449）

張瑋（1958-），男，山東省青島人，教授，主要從事港口航道工程研究。