海底油氣輸送管道的懸跨ROV拋石治理施工設(shè)計

曾晉

（中海輝固地學服務（深圳）有限公司，廣東 深圳 518067）

海底油氣輸送管道是海上油氣生產(chǎn)的生命線，受到海洋環(huán)境和生產(chǎn)條件的影響，管道與海床之間的懸跨是一個應力聚集，易產(chǎn)生結(jié)構(gòu)疲勞，受到漁業(yè)生產(chǎn)等外部因素刮碰的高風險點。海洋油氣行業(yè)當中，各海底油氣輸送管道都會確定一個可允許懸跨參數(shù)（懸跨高度和長度），明確超出允許值之外的懸跨應該進行治理，目前的治理手段主要為沙包、水泥墩等各種形式的支撐。根據(jù)中國實際海況，設(shè)計在管線懸跨中間拋放一段設(shè)計碎石堆，將懸跨治理為兩段較短懸跨。本方案設(shè)計通過理論計算，合理選材，分析拋石懸跨治理的實際方案。

1 理論計算

海岸防護工程中，通常采用拋石保護海堤堤腳或者堤前海灘免受沖刷。對護底拋石較著名的有伊茲巴什公式、Shields準則、美國海岸防護手冊公式以及我國規(guī)范等計算方法。根據(jù)海南島八所水文情況，非臺風氣候時，工區(qū)底流速受海底沙坡沙脊影響，一般不大于0.68m/s，臺風氣候時，工區(qū)底流速最大可達1.4m/s。

1.1 依據(jù)交通部規(guī)范算法

根據(jù)交通部規(guī)范推薦方法來推算堤前流速。在設(shè)計拋石護底時，其穩(wěn)定重量是十分重要的技術(shù)參數(shù)，公式中拋石的穩(wěn)定重量均與堤前最大波浪底流速有著密切關(guān)系。護底塊石的穩(wěn)定重量主要根據(jù)交通部防波堤設(shè)計與施工規(guī)范來確定，根據(jù)交通部規(guī)范中堤前最大波浪底流速與護底塊石穩(wěn)定重量的關(guān)系可以擬合得到如下函數(shù)關(guān)系：

式中：W為塊石重量kg；umax為堤前最大波浪底流速m/s。

上式能夠較好地描述規(guī)范中護底塊石穩(wěn)定重量與最大波浪底流速之間的關(guān)系。

選取非臺風氣候umax=0.68m/s；臺風氣候umax=1.4m/s

W=6.3435×1.43≈17.4kg

W=6.3435×0.683≈1.99kg

1.2 依據(jù)伊茲巴什公式算法

如選用伊茲巴什公式對塊石的穩(wěn)定重量進行初步計算，公式如下：

式中：Ws為塊石重量；K為系數(shù)，一般取0.0155；ρs為塊石密度，ρ0為水密度；g為重力加速度；v為流速。

為了利于工程單位根據(jù)施工、石料等條件選取塊石尺寸。

進行拋石塊體設(shè)計的一般步驟為：

（1）據(jù)工程的水流條件，按公式計算出拋石塊體的穩(wěn)定重量或尺寸。

（2）選取一定安全系數(shù)，并據(jù)此確定最終的塊石重量或尺寸。

1.3 依據(jù)“Shields準則”算法

剪切應力系數(shù)（Shieds數(shù)）ψ為石塊受到剪切應力的無量綱化，由海流引起的海床臨界剪切應力由下式計算：

其中，U為沿水深的的平均流速（m/s）；C是Chezy系數(shù)，由下式確定：

C=18 lg(1+12h/ks)

式中：h為水深；ks為海床粗糙度，海床沉積物若為細砂ks取2，若為粗砂則ks取4。

根據(jù)環(huán)境參數(shù)可知，由于水深較深，可不考慮波浪對石堆的影響。選取石塊密度為2600kg/m3；管道路由沉積物主要由細中砂和軟黏土構(gòu)成，由此可以計算出不同海流流速下對應的石塊最小穩(wěn)定粒徑，根據(jù)計算得到的關(guān)系曲線，2英寸（d=0.05m）石塊可抵御的最大流速為3.5m/s。

1.4 依據(jù)《堤防工程設(shè)計規(guī)范》

《堤防工程設(shè)計規(guī)范》的推薦公式如下：

式中，D為塊石穩(wěn)定粒徑，m；V為水流流速，m/s；g為重力加速度；K為塊石運動的穩(wěn)定系數(shù)，水平底坡時取0.9，傾斜坡底取1.2；γS為塊石的重率；γ為水的重率。計算得到的2寸石塊對應的滑動起動流速為1.06m/s，滾動起動流速為1.48m/s。該算法較保守，因為未考慮石塊與石塊，石塊與管道之間的摩擦影響。

估計2英寸石塊可抵擋的最大流速至少為1.5m/s。

2 設(shè)計計劃

現(xiàn)設(shè)計在管線懸跨中間段拋放5m長的碎石堆，石堆兩側(cè)距管線約2.5m，選取兩種不同大小的碎石石塊拋兩層石堆。

（1）內(nèi)層堤心石為1英寸（d=0.025m）的碎石。作用：接觸及支撐管線由海底直接堆積起來，直到掩埋管線頂部內(nèi)層堤心石體積較小，應在流速不大于1米/秒的情況下投放，以避免投放過程中造成過多的拋偏損失。

（2）外層護石為3英寸（d=0.075m）的碎石。作用：防止水流掏空堆積在內(nèi)層碎石外側(cè)，依靠其重量及筑堤坡度來抵抗水流的拖曳力。坡度越斜，效果越好。

2.1 碎石選料

花崗巖、玄武石、石英石和石灰石為最普遍選用的碎石材料，根據(jù)水利水電工程施工手冊及工程地質(zhì)手冊可查其密度?？蛇x取塊石密度ρ范圍為2.5t/m3～2.7t/m3，由于碎石由其加工篩分時的篩眼決定，每塊碎石均為不規(guī)則體，其重量在一定范圍內(nèi)浮動。

現(xiàn)碎石材料平均取密度2.7t/m3（單塊最大體積為正立方體）來計算：

碎石篩網(wǎng)直徑：1英寸、2英寸、3英寸、4英寸、6英寸、7英寸、8英寸；

單塊最大質(zhì)量：0.045kg、0.35kg、1.19kg、2.83kg、9.5kg、15.2kg、22.6kg。

2.2 拋石量計算

考慮頂層覆蓋要求，設(shè)定取石堆截面底邊長度為5m、頂邊長度為1m。

（1）石堆截面尺寸。石堆截面形式，石堆頂寬1m，底寬2m，石堆頂距管頂距離取0.3m。

（2）拋石量計算。選取H=0.5m的懸空高度進行計算，拋石量共計18.5方：①在海管兩側(cè)各留0.5m，先堆兩組3英寸石子作為基礎(chǔ)，頂部于海管平齊，天然休止角在45°左右。沿管長方向計算拋放長度L取4m。②1英寸石塊拋放在兩堆三英寸當中，并直接包裹海管；可計算得到中間1寸小石子總石量為3.1方。③3英寸石堆再次覆蓋1英寸石塊上方，計算得出外層3寸大石子總石量為15.4方。

2.3 碎石塊下落對管道沖擊力的計算

根據(jù)流體力學理論，石塊下落對海底管道的沖擊程度取決于石塊質(zhì)量和速度。拋石過程中，由于海水的阻力，最終的速度進一步降低為石塊平衡速度和水石混合物的流體速度。

以海南島西部北部灣的海洋環(huán)境為例，其百年一遇環(huán)境條件：有義波高13.8m，譜峰周期15.9s；最大波速0.45m/s，內(nèi)波流速0.78m/s。

根據(jù)水面落石時的計算公式，可知碎石在下落速度達到最大時：（1）根據(jù)篩網(wǎng)直徑0.025m（1英寸）碎石的各項參數(shù)：水下質(zhì)量0.016kg；附加質(zhì)量0.005kg；相對密度1.585g/cm3；最大速度2.741m/s，可計算其沖擊能量為0.115J。（2）根據(jù)篩網(wǎng)直徑0.090m（3英寸）碎石的各項參數(shù)：水下質(zhì)量0.702kg；附加質(zhì)量0.221kg；相對密度1.585g/cm3；最大速度3.395m/s，可計算其沖擊能量為7.873J。而使用ROV實際投放時，拋石袋距管線高度僅3～5m，碎石由靜止開始下落直至到達管線的行程極短，下落速度小于最大平衡速度，那么沖擊能量也會遠小于理論計算值。

3 實施結(jié)果及結(jié)論

經(jīng)過對五處懸跨的施工：（1）所有5個拋石區(qū)目前為止均形成有效支撐。（2）2次以上調(diào)查記錄的各個拋石區(qū)堆積范圍均逐步擴大。（3）拋石區(qū)形狀隨時間推移及環(huán)境影響，與剛完成施工后相比，均趨于規(guī)則平坦。（4）拋石管線修復作業(yè)適用于中國南海北部灣海域。

以1處2016年5月鋪設(shè)完成的懸跨點為例：（1）拋石區(qū)域前后4次地形調(diào)查。（2）拋石后持續(xù)提供支撐。（3）拋石區(qū)形狀趨于規(guī)則。（4）拋石區(qū)域堆積掩埋區(qū)域逐漸擴大，沿管線方向從3.3m擴大至5.9m。（5）支撐有效區(qū)域擴大至15.2m。

對于涂敷有混凝土層的海底油氣輸送管道來說，落石對管道沖擊小于混凝土的抗沖擊強度。以ROV來實施此方案拋石，是一種安全有效的懸跨治理方式。