混凝土聯(lián)鎖排應(yīng)用于海底管線(xiàn)沖刷防護(hù)試驗(yàn)研究

張宗峰，丁紅巖，劉錦昆

(天津大學(xué) 建筑工程學(xué)院，天津 300072;2.中石化石油工程設(shè)計(jì)有限公司，山東 東營(yíng)257026)

海底管道的懸空防護(hù)是海底管道研究的熱點(diǎn)之一［1-3］，尤其是淺海(近海)管道的裸露、懸空或局部大位移使管線(xiàn)處于安全隱患狀態(tài)，一旦遭遇惡劣天氣或意外沖擊，可能導(dǎo)致管線(xiàn)的泄漏或斷裂，由此帶來(lái)嚴(yán)重后果。目前海底管道的懸空防護(hù)措施主要有:拋填砂石、撓性軟管跨接(立管段)、水下支撐樁和柔性覆蓋層(如仿生水草、FS 漿墊覆蓋層)等［3，5］。然而，對(duì)于不同形式的安全隱患類(lèi)型，防護(hù)措施各有利弊。水下支撐樁控制長(zhǎng)度有限;仿生水草雖然能有效促淤，但防護(hù)范圍較小且造價(jià)昂貴;混凝土聯(lián)鎖排防護(hù)在海底管線(xiàn)的應(yīng)用也僅限于對(duì)平臺(tái)附近局部管段的穩(wěn)定和抗落物沖擊保護(hù)。在內(nèi)河及河口地區(qū)、灘海陸岸油田人工島的保灘護(hù)底工程中由于混凝土聯(lián)鎖排具有整體性好、適應(yīng)床面變形能力強(qiáng)、易于機(jī)械化施工等優(yōu)點(diǎn)，混凝土聯(lián)鎖排保灘護(hù)底技術(shù)得到成功應(yīng)用［6-7］，而海底管線(xiàn)所處海域與內(nèi)河河口水流載荷為主的情況不同，需要考慮水流與波浪的共同作用，國(guó)內(nèi)外對(duì)混凝土聯(lián)鎖排在海底管道懸空防護(hù)中的應(yīng)用研究鮮見(jiàn)報(bào)道。本文選取4～10 m 水深易受意外荷載作用的近海沖刷區(qū)域，針對(duì)裸露或懸空海底管線(xiàn)的防護(hù)探討混凝土聯(lián)鎖排的防護(hù)機(jī)理，并開(kāi)展室內(nèi)試驗(yàn)，研究“混凝土聯(lián)鎖排+土工布”防護(hù)型式的適用性。

1 海底管線(xiàn)懸空原因分析

通常來(lái)說(shuō)，海底管線(xiàn)產(chǎn)生懸空的原因多種多樣，調(diào)研分析發(fā)現(xiàn)主要因素有:①河口的大面積沖刷(如埕島油田);②沖刷次生的海床臺(tái)地、凹坑等;③風(fēng)暴潮作用下的表層土液化、滑塌;④施工過(guò)程可能造成海底管道局部較大的起伏;⑤構(gòu)筑物形成的局部沖刷，沖刷范圍與深度與構(gòu)筑物物尺度有直接關(guān)系;⑥裸露水平管道下的沖刷，因管道前后存在一定壓差導(dǎo)致管涌而形成水流隧道，當(dāng)水流隧道形成后，管道底部水流加速?gòu)亩鸸艿老碌臎_刷。

2 混凝土聯(lián)鎖排防護(hù)機(jī)理研究

土工布是水工上常用的防止水土流失的覆蓋物，可以有效阻止土中砂粒流失，混凝土聯(lián)鎖排是由混凝土預(yù)制塊串接而成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，不僅可以固定土工布還對(duì)管線(xiàn)具有保護(hù)功能。故“混凝土聯(lián)鎖排+土工布”可以在管道不停產(chǎn)的情況下實(shí)施防護(hù)施工，施工工藝及取材簡(jiǎn)單，造價(jià)低，且能夠在一定程度上有效保護(hù)管道免受意外載荷的沖擊，如落物、船錨等。

2.1 聯(lián)鎖排塊體穩(wěn)定厚度計(jì)算

在波浪的作用下，混凝土聯(lián)鎖排塊體上的作用力主要包括波浪動(dòng)水壓力差、混凝土塊體的水下重力、捆綁塊體的繩索拉力等。張瑋［7］等從混凝土聯(lián)鎖排失穩(wěn)的動(dòng)力學(xué)機(jī)理出發(fā)，根據(jù)排體內(nèi)部和邊緣的失穩(wěn)模式及受力特點(diǎn)，結(jié)合水槽試驗(yàn)推導(dǎo)出水流作用下不同部位排體的穩(wěn)定厚度計(jì)算公式:

式中:δm為混凝土聯(lián)鎖排厚度(m)，r'r為排體相對(duì)浮容重，H 為波高(m)，α 為波高修正系數(shù):

式中:λ 取0.78，為試驗(yàn)修正系數(shù);β 為理論系數(shù):

式中:L 為波長(zhǎng)(m)，T 為周期(s)，F(xiàn)(k) 為第一類(lèi)完全橢圓積分，E(k) 為第二類(lèi)完全橢圓積分，為模數(shù)k 的雅可比橢圓函數(shù)。

2.2 數(shù)值模擬計(jì)算

利用GMBIT 進(jìn)行混凝土聯(lián)鎖排數(shù)值模型的建立和網(wǎng)格劃分，為簡(jiǎn)化取3 ×3 排體計(jì)算，單個(gè)混凝土塊體0.4 m×0.4 m×0.2 m，塊體之間間距(連接繩長(zhǎng)度)為0.1 m，模型計(jì)算區(qū)域6.4 m×6.4 m×1.0 m，將輸出文件導(dǎo)入FLUENT 中進(jìn)行求解，X 負(fù)向?yàn)樗鞣较颉?/p>

圖1 為聯(lián)鎖排表面處的流場(chǎng)分布，從圖中可以看出，排首位置的聯(lián)鎖塊由于迎流面對(duì)水流的阻擋作用，導(dǎo)致水流向上流動(dòng)，并在排首聯(lián)鎖塊的上表面速度降低，形成局部的回流渦旋;在聯(lián)鎖塊之間的縱向間隙中，局部水流加速但受到聯(lián)接繩阻擋，聯(lián)鎖塊橫向間隙中水流減速，速度僅為聯(lián)鎖塊上表面水流速度的40%左右。

圖2 為混凝土聯(lián)鎖排底面流場(chǎng)的分布，從圖中可以看出，排首位置由于混凝土聯(lián)鎖塊的阻擋作用，水流向外擴(kuò)散;聯(lián)鎖塊之間的縱向(即水流方向)間隙形成水流通道，并在排首位置形成局部水流加速區(qū)，水流速度增加約42%;聯(lián)鎖排排首兩端也會(huì)形成局部水流加速區(qū);而水流在混凝土聯(lián)鎖塊的橫向(與水流方向成90°角)間隙中，由于聯(lián)鎖塊對(duì)水流的阻擋作用，水流流速減小，僅為原水流速度的30%左右，發(fā)生局部尾流渦旋;混凝土聯(lián)鎖排排尾處，水流速度有所降低，但形成局部較強(qiáng)尾流渦旋。

圖1 聯(lián)鎖排表面水流速度矢量Fig.1 Water flow velocity vector on mattress surface

圖2 聯(lián)鎖排底面水流速度矢量Fig.2 Water flow velocity vector on mattress bottom

3 模型試驗(yàn)

3.1 模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)

(1)試驗(yàn)在波浪雙向流渾水水槽中進(jìn)行，水槽長(zhǎng)50 m，寬1.0 m，深1.5 m，水槽的一段配有伺服電機(jī)不規(guī)則波造波機(jī)(1.0 m×0.7 m)，可模擬生成周期在0.5 ～5 s 之間的規(guī)則波、不規(guī)則波等多種波浪。水槽尾部安裝架空斜坡碎石消能設(shè)備，以避免波浪的反射。水槽內(nèi)還裝有可產(chǎn)生循環(huán)水流的造流系統(tǒng)，由大功率的軸流泵和控制閥門(mén)兩部分組成，模擬各種流動(dòng)所需的試驗(yàn)工況。通過(guò)物理模型試驗(yàn)研究在不同水深(4 m，7 m，10 m)條件下，波流共同作用時(shí)混凝土聯(lián)鎖排的穩(wěn)定性和防沖刷效果，深入分析“混凝土聯(lián)鎖排+土工布”對(duì)于海底水平管線(xiàn)防護(hù)的適用性。

(2)模型制作:在水流和波浪運(yùn)動(dòng)中，慣性力和重力起主導(dǎo)作用，故試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛻?yīng)遵循弗勞德相似或重力相似準(zhǔn)則，模型與原型波浪的弗勞德數(shù)相同。試驗(yàn)的模型幾何比尺設(shè)計(jì)為1∶ 10 和1∶ 15，聯(lián)鎖排排體和海底管道模型如圖3 和圖4 所示。

圖3 聯(lián)鎖排模型Fig.3 Test model of interlocking mattress

圖4 海底管道模型Fig.4 Test model of subsea pipeline

(3)波流條件:試驗(yàn)波浪采用不規(guī)則波JONSWAP 譜型，試驗(yàn)流速控制在預(yù)定的目標(biāo)值，在無(wú)構(gòu)筑物影響時(shí)沿試驗(yàn)段內(nèi)的橫斷面上均勻分布。表1 中給出了三種工況下的試驗(yàn)參數(shù)。

表1 試驗(yàn)環(huán)境參數(shù)Tab.1 Test environmental parameter

3.2 土樣選取與制備

選取埕島油田海域的典型地貌試驗(yàn)土樣，滿(mǎn)足泥沙顆粒加速度相似條件的要求，采用天然原型粉砂土樣制作海床模型，該粘土質(zhì)粉砂是埕島海域淺海區(qū)的主要沉積物［3，8］，分布在水深15 m 以?xún)?nèi)的淺海區(qū)，其粉砂粒徑的百分含量約占60%，粘土粒徑含量約占30%。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.3.1 不同水深條件下聯(lián)鎖排防護(hù)沖刷效果對(duì)比

(1)在4 m、7 m 和10 m 水深條件，采用圖5 所示的防護(hù)斷面型式。

圖5 混凝土聯(lián)鎖排防護(hù)斷面型式Fig.5 Protection section of mattress

圖6 混凝土聯(lián)鎖排防護(hù)試驗(yàn)Fig.6 Protection test of mattress

在工況一、二、三波流共同作用時(shí)，聯(lián)鎖排整體穩(wěn)定，邊緣塊體與內(nèi)部塊體在波流拖曳力及上舉力共同作用下沒(méi)有發(fā)生晃動(dòng)及失穩(wěn)現(xiàn)象(圖6 所示)，防護(hù)斷面穩(wěn)定，排體厚度(200 mm)滿(mǎn)足穩(wěn)定要求。

(2)引入無(wú)量綱參數(shù)沖深比η，即沖刷深度與管線(xiàn)外徑的比值其中:d 為沖刷深度，D 為管道外徑。圖7 為工況一(4 m 水深)原始地形和沖刷后(聯(lián)鎖排防護(hù))的地形變化對(duì)比。從圖中可以看出，聯(lián)鎖排的上、下游排腳位置各出現(xiàn)沖刷坑，說(shuō)明混凝土聯(lián)鎖排上游排腳(排首)由于局部水流加速，導(dǎo)致沖刷，此處水流環(huán)境也最為復(fù)雜，逆水面水流動(dòng)態(tài)壓力也最大;下游排腳(排尾)由于局部水流速度加速產(chǎn)生渦旋導(dǎo)致沖刷，這與2.2 節(jié)數(shù)值模擬結(jié)果一致。

(3)圖8 為不同水深三種工況下排腳處的沖刷對(duì)比，由圖可以看出，7 ～8 m 水深的地形沖刷深度略大，這與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果基本一致［10］，由于埕島海域的典型粉土具有傾向于的砂土基本特性，易液化，但不同于砂土成單粒結(jié)構(gòu)、在動(dòng)荷載作用下具有顆粒易于移動(dòng)的特點(diǎn)，粉砂顆粒更細(xì)，且具有某些團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的特征，同時(shí)，由于粘膠顆粒的物理化學(xué)作用，孔隙中薄膜水的聯(lián)結(jié)，具有比砂土高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，在結(jié)構(gòu)上呈現(xiàn)出由砂性土的散粒接觸聯(lián)結(jié)向粘性土的水膠聯(lián)結(jié)逐漸過(guò)渡的結(jié)構(gòu)形式，盡管7 ～8 m 水深時(shí)波高比10 m 水深時(shí)略小，但波浪作用在海床土的循環(huán)振動(dòng)荷載效應(yīng)更顯著，同時(shí)由于此水深區(qū)間更強(qiáng)的海流作用，導(dǎo)致海床土的失穩(wěn)流失加速，從而使得在波流作用下7 ～8 m 水深比10 m 水深最終的地形沖刷深度略大。

圖7 4 m 水深原始地形和沖刷后的地形變化Fig.7 Comparison of initial and scoured terrains (4 m)

圖8 不同水深沖刷對(duì)比Fig.8 Scour depth for different water depths

3.3.2 典型水深(4 m)不同防護(hù)方式?jīng)_刷對(duì)比

(1)裸管無(wú)防護(hù)沖刷:圖9 為工況一條件下裸管無(wú)防護(hù)時(shí)斷面沖刷深度歷程圖，其中原點(diǎn)左側(cè)為波流的來(lái)向，海底管道周?chē)裁嬖诓髯饔孟?，海床面的泥沙呈明顯的往復(fù)運(yùn)動(dòng)為主，塑造沙波，同時(shí)水流輸運(yùn)波浪掀起的泥沙。在管道兩側(cè)，床面泥沙顆粒大量啟動(dòng)，形成一層混水層。在波流作用一段時(shí)間后，管道底部出現(xiàn)一個(gè)小的間隙，形成微小通道。隨著微小通道的形成，水體大量涌入，從而產(chǎn)生了較大的瞬時(shí)速度，并導(dǎo)致管道底床上的剪切應(yīng)力迅速增大，造成管道底部局部輸沙率快速增大。泥沙顆粒從管道底部迅速起動(dòng)輸運(yùn)，隨著間隙迅速擴(kuò)大，管道下面的沖刷坑越來(lái)越大，在波流作用下造成管道下游側(cè)沖刷強(qiáng)度較大，沖刷深度加大。圖10 為裸管無(wú)防護(hù)沖刷穩(wěn)定時(shí)的試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖片。

圖9 裸管無(wú)防護(hù)時(shí)沖深歷程Fig.9 Scouring time-history curve for unprotected pipe

圖10 裸管無(wú)防護(hù)沖刷穩(wěn)定后現(xiàn)場(chǎng)照片F(xiàn)ig.10 Test photo after scouring for unprotected pipe

(2)混凝土聯(lián)鎖排+土工布防護(hù)

選用與裸管無(wú)防護(hù)試驗(yàn)時(shí)相同的波流條件，對(duì)混凝土聯(lián)鎖排和“混凝土聯(lián)鎖排+土工布”覆蓋下的海底管道周?chē)嗌硾_淤情況進(jìn)行研究，分析這兩種情況下的防護(hù)效果。

圖11 和圖12 分別為聯(lián)鎖排防護(hù)地形沖刷圖和“混凝土聯(lián)鎖排+土工布”防護(hù)地形沖刷圖，采用工況一的水深及波流條件，進(jìn)行了管道上面覆蓋土工布再進(jìn)行聯(lián)鎖排防護(hù)覆蓋的對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)表明，土工布顯著減小聯(lián)鎖排塊體縫隙之間水流沖刷作用，對(duì)排腳沖刷也起到進(jìn)一步防護(hù)作用，減小混凝土聯(lián)鎖塊之間由于局部渦旋導(dǎo)致的底面沖刷，且滿(mǎn)足聯(lián)鎖排的反濾要求。

圖13 和圖14 可以看出隨著時(shí)間推移沖刷趨于穩(wěn)定，迎水面上游排腳的沖刷深度大于下游排腳，鋪設(shè)土工布后，上下游排腳沖刷深度均有明顯降低，沖刷穩(wěn)定深度減小約50%。

圖11 聯(lián)鎖排防護(hù)地形沖刷(移走聯(lián)鎖排)Fig.11 Test photo after scouring with mattress protection

圖14 下游排腳沖刷對(duì)比Fig.14 Comparison of scour depth of downstream block

4 成果應(yīng)用實(shí)例

KD34B－墾東陸地終端海底管線(xiàn)位于渤海灣，全長(zhǎng)4.4 km，管徑457 mm，探摸發(fā)現(xiàn)管線(xiàn)裸露或懸空長(zhǎng)度達(dá)3.5 km，最大懸空高度1.0 m。根據(jù)探摸情況制定了相應(yīng)治理方案，采用“聯(lián)鎖排+土工布防護(hù)”方式進(jìn)行隱患治理。斷面如圖15 所示，先拋填沙袋，在管線(xiàn)底部形成臨時(shí)支撐，構(gòu)成穩(wěn)定的斷面再鋪設(shè)帶有土工布的混凝土聯(lián)鎖排，管線(xiàn)兩側(cè)各10 m，縱向超出懸空長(zhǎng)度各5 m，滿(mǎn)足穩(wěn)定要求。

圖15 防護(hù)斷面Fig.15 Section of pipeline protection

圖16 混凝土聯(lián)鎖排預(yù)制Fig.16 Prefabrication of concrete mattress

圖17 混凝土聯(lián)鎖排+土工布海上施工Fig.17 Offshore construction of concrete mattress ＆ geotextile

“混凝土聯(lián)鎖排+土工布”現(xiàn)場(chǎng)加工和施工如圖16 和圖17 所示，這也是國(guó)內(nèi)“混凝土聯(lián)鎖排+土工布”首次大型應(yīng)用于海底管線(xiàn)懸空治理。在項(xiàng)目實(shí)施一年后進(jìn)行了四次探摸，發(fā)現(xiàn)防護(hù)效果良好，且有輕微促淤效果。

5 結(jié) 語(yǔ)

1)海底管道所處的海洋環(huán)境既不同于內(nèi)河及河口地區(qū)(水流為主)，也不同于以波浪為主的岸灘。本文依據(jù)半理論半經(jīng)驗(yàn)公式，計(jì)算聯(lián)鎖排排體穩(wěn)定厚度，通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)聯(lián)鎖排在波流共同作用下整體穩(wěn)定，厚度滿(mǎn)足要求。

2)通過(guò)混凝土聯(lián)鎖排數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)混凝土聯(lián)鎖排排首處塊體的水流環(huán)境最為復(fù)雜，排首混凝土塊逆水面水流動(dòng)態(tài)壓力最大，試驗(yàn)表明聯(lián)鎖排的上、下游排腳位置沖刷最劇烈。隨著水深的增加，波浪對(duì)海床土影響減弱，波浪對(duì)沖刷的貢獻(xiàn)降低。

3)水槽試驗(yàn)表明，土工布顯著減小聯(lián)鎖排塊體縫隙之間水流沖刷作用，對(duì)排腳沖刷也起到一定防護(hù)作用，并降低了混凝土聯(lián)鎖塊之間由于局部渦旋導(dǎo)致的底面沖刷，滿(mǎn)足聯(lián)鎖排的反濾要求，“混凝土聯(lián)鎖排+土工布”型式適用于海底管線(xiàn)的防護(hù)。

4)本文是根據(jù)波浪水槽試驗(yàn)得出的初步研究成果，由于海洋環(huán)境情況較為復(fù)雜，混凝土聯(lián)鎖排的防護(hù)涉及地基承載力、地基沉降分析等，需要進(jìn)一步結(jié)合工程實(shí)際開(kāi)展相關(guān)研究。

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