波浪荷載下振動管道周圍粉質(zhì)海床的孔壓響應(yīng)和沖刷室內(nèi)水槽研究

肖 曉， 馮秀麗， 姜建新， 林 霖

(1.中國海洋大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山東青島266100；2.中國海洋大學(xué)海洋地球科學(xué)學(xué)院，海底科學(xué)與探測技術(shù)教育部重點實驗室，山東青島266100)

隨著海上油氣資源的大量開采，海底管道作為海上油氣生命線在社會生活中所起到的作用越來越大[1]。但由于海底環(huán)境復(fù)雜多變，受到波浪、海流、海底地震、火山活動以及人類活動等多種不確定因素的影響，海底管道又極容易發(fā)生事故[2-3]。為保證海底管道免受復(fù)雜海底環(huán)境影響，將海底管道穩(wěn)定地埋藏在海床上顯得尤為重要[4],海床土體只有提供足夠的阻力以平衡環(huán)境荷載才能保證海底油氣管道的穩(wěn)定運行[5-7]。波浪會造成海底管道產(chǎn)生懸跨，底流將導(dǎo)致跨段管道產(chǎn)生渦激振動，會進一步誘發(fā)支撐點的土體液化[8]；波浪的周期性運動將導(dǎo)致海床土體產(chǎn)生瞬態(tài)的附加孔隙水壓力，導(dǎo)致海床失穩(wěn)[9]；粉質(zhì)土海床由表及里的破壞除了波浪導(dǎo)致的孔壓累積，也與海床剪應(yīng)力相關(guān)[10]。管道周圍海床孔隙水壓力累積模式的研究表明，規(guī)則波浪作用下超孔隙水壓力的累積速度非?？欤餐恋谋韺幼钕纫夯?，然后逐漸向深處發(fā)展[11]；Teh 等[12]的研究認(rèn)為波浪荷載作用后，海床累積的孔隙水壓力開始從底層消散；潘冬子等[13]利用波浪模型試驗和數(shù)值模擬方法解釋了超靜孔隙水壓力的增長模式；程永舟等[14]在波浪水槽中設(shè)計了1∶30斜坡的砂質(zhì)海床，發(fā)現(xiàn)超靜孔隙水壓力的變化與波高呈正相關(guān)關(guān)系；Jeng等[15]通過數(shù)值計算得出液化更容易發(fā)生于長周期或者較大波高與較淺水深組合的波況下，但Liu等[16]的數(shù)值計算得出小周期波浪作用下的海床更容易液化；Chang等[17]通過循環(huán)三軸剪切試驗證明隨著波浪周期增加，床土抗液化強度降低。在管道周圍海床局部沖刷的研究方面，國內(nèi)外學(xué)者主要采用物理試驗[18]和數(shù)值模擬方法[19-20]。以往的研究并沒有考慮波浪荷載對振動管道周圍土體的影響，而實際情況下海底管道既處于振動中，同時又受到波浪作用。筆者以埕北海域油氣管道為原型，通過波浪水槽試驗?zāi)M該地區(qū)25年和50年一遇的波浪條件，在管道上安裝振動裝置模擬海底懸跨管道傳導(dǎo)至入泥管道處的振動，運用控制變量對比試驗方法，綜合分析波浪荷載下不同波浪、不同水深對振動管道和靜止管道周圍土體的孔隙水壓力響應(yīng)的影響及海床沖刷情況，旨在對埕北海域油氣管道安全性提出合理建議。

1 試驗設(shè)計

1.1 試驗裝置

本試驗是在中國海洋大學(xué)海洋工程重點試驗室的波流水槽內(nèi)進行的，波流水槽為一個寬斷面波流水槽，水槽長度為60 m，寬度為3 m，高度為1.5 m。在波浪水槽的中部有一個土槽，土槽距離造波機38 m，距離消波區(qū)15 m，土槽的尺寸為長度3.0 m、寬度3.0 m、深度0.5 m。消波坡坡比為1∶3，上覆吸收材料，見圖1。

圖1 波流水槽示意圖

土槽由水泥墻面組成，試驗土體置于其間，管道、孔隙水壓力傳感器、管道振動器埋設(shè)其中，見圖2。試驗中用電容式波高儀測量波高，工作頻率為16 Hz。采用南京水利研究院生產(chǎn)的YY-2B型壓阻式孔隙水壓力計測定管道周圍土體的孔隙水壓力，動態(tài)響應(yīng)為500 Hz?？紫端畨毫τ嫈?shù)據(jù)通過多通道數(shù)據(jù)采集儀采集，采樣頻率為10 Hz。管道振動裝置采用偏心輪振動器固定在管道上，對其施加振動，模擬管道的振動。

圖2 水槽中的管道位置和孔隙水壓力計布設(shè)

為了檢測管道周圍孔隙水壓力的變化，共用了6個孔隙水壓力計，分別為P1～P6,其中5個采用螺旋式，按間隔72°均勻分布在模型管壁上，另一個埋設(shè)在試驗土體中，如圖2所示。在土槽的前端和后端分別架設(shè)波高儀，試驗過程中實時監(jiān)測波浪的變化。地形儀安放在水槽的上部，試驗測量前后，通過左右移動地形儀，對波浪作用前后的地形進行測量，見圖3。

圖3 地形儀布設(shè)示意圖

1.2 土床制備

試驗用土取自埕北海域，參考該區(qū)典型土體的物理力學(xué)性質(zhì)[21]，加一定比例的水，攪拌，形成重塑粉土，以保證試驗的可重復(fù)性，土體特性如下：黏粒體積分?jǐn)?shù)8.49%，含水率19.7%，飽和密度1.92 g/cm3，干密度1.54 g/cm3，比重2.70，孔隙比0.675。試驗土體顆粒粒徑分布和頻率累積曲線如圖4所示。為使試驗土完全飽和，試驗前先在土槽中放入一薄層土，同時不斷加水，并用木板不斷拍擊土樣，直到土樣飽和，然后再加入一薄層土，重復(fù)上述步驟，直至土槽填滿為止。為了保證土樣完全飽和，接近于自然狀態(tài)下，首先讓土槽中的土體在空氣中固結(jié)5 d，然后向水槽中加水，加水至設(shè)計水位深度處，繼續(xù)固結(jié)5 d，保證土樣達到試驗前的初始狀態(tài)。

圖4 試驗土體顆粒粒徑分布和頻率累積曲線

1.3 試驗參數(shù)與方案

埕北采油平臺最大水深可達12 m，水深8 m為該區(qū)域波浪作用最強的地帶，同時需要考慮破波帶以淺的區(qū)域，因此選擇4、8、12 m為此次研究的水深。綜合考慮了該地區(qū)25年和50年波浪參數(shù)、試驗室條件、造波機造波能力以及其他因素之后，采用的模型長度比尺為20或12(根據(jù)模型管道的管徑和水深)，遵循重力相似準(zhǔn)則，波高選擇有效波高，試驗設(shè)計波浪參數(shù)見表1。埕北油氣管道實際管徑尺寸為559 mm，考慮到試驗比尺以及測試探頭布設(shè)需要，設(shè)計管外直徑為28和46 mm兩種模型鋼管，鋼管內(nèi)直徑分別為26和43 mm, 管壁厚度分別為1和1.5 mm。

表1 波浪參數(shù)

試驗中主要通過改變波浪要素、水深以及管道振動狀態(tài)來模擬規(guī)則波作用下振動管道周圍海床孔壓的累積變化，共設(shè)計9種不同的試驗方案，試驗方案具體參數(shù)如表2所示。

表2 試驗方案

2 結(jié)果與討論

2.1 信號處理

粉質(zhì)海床的波浪響應(yīng)信號實際上是一種非平穩(wěn)信號，孔壓采集儀所采集的孔壓信號中包含大量隨機噪聲和高頻雜波，如圖5(a)所示。使用matlab，采用Daubechie小波對孔壓信號進行分解至第8層，即原始信號s可以表述為各分量之和：

s=a8+d8+d7+d6+d5+d4+d3+d2+d1.

式中，a8為分解后第8層的低頻部分(圖5(b))；dj(j=1,2，…,7,8)為第j層的高頻信號(圖5(c)～(j))，其中孔隙水壓力的累積分量為小波分量a8。

圖5 Test 1海床孔壓響應(yīng)信號的小波變換分解圖(傳感器P1)

2.2 管道周圍海床孔隙水壓力變化

2.2.1 無波浪條件下管道振動

Test 2試驗研究在無波浪作用下，管道發(fā)生振動以后管道周圍土體的孔隙水壓力特征。當(dāng)管道周圍土體孔隙水壓力急劇增加，然后下降趨近于零時，土體抗剪強度等于零，失去承載力，則判斷土體發(fā)生液化。

如圖6，對管道施加振動后，周圍土體的超孔隙水壓力迅速升高，但管道兩側(cè)以及下部土體孔隙水壓力累積程度大(傳感器P4、P5、P6)，最大值可達350 Pa，管道上部超孔隙水壓力不足50 Pa(傳感器P2)，且管道振動作用對周圍土體孔隙水壓力的傳導(dǎo)作用可以持續(xù)到模型管深度2 cm以下(P6)，對海床土的影響可以達到低于管道0.5D(D為管道外徑)深度范圍內(nèi)。

圖6 無波浪作用管道振動條件下周圍土體累積孔隙水壓力變化(Test 2試驗)

Test 2試驗表明，管道一旦發(fā)生振動(無波浪作用)，周圍土體在極短的時間內(nèi)便可發(fā)生液化。

2.2.2 波浪荷載下管道振動

為了比較波浪作用下管道振動對周圍土體的影響，設(shè)計了Test 3(靜止管道)和Test 4試驗(振動管道)。

如圖7，當(dāng)管道靜止時，在波浪作用下，前200 s內(nèi)，除管道上部周圍土體超孔隙水壓力沒有出現(xiàn)明顯積累和消散。表明海底管道受到波浪載荷作用后，管道兩側(cè)以及下部土體未發(fā)生明顯變化。傳感器P1被沖出土體暴露在水里，該處后期測得的孔隙水壓力并非土體孔隙水壓力。如圖8， 波浪作用下，振動管道周圍土體超孔隙水壓力具有相似的累積曲線。

圖7 規(guī)則波作用下靜止管道周圍海床土體的累積孔隙水壓力變化(Test 3試驗)

圖8 規(guī)則波作用下振動管道周圍海床土體的累積孔隙水壓力變化(Test 4試驗)

對比圖6和圖7，管道振動將會直接且迅速地導(dǎo)致周圍土體液化(Test 2)；而對于靜止管道，即使施加波浪，在一定時間內(nèi)也不會引起周圍土體性質(zhì)的改變(Test 3)。在本次試驗中，波浪作用時間有限，在實際情況下波浪長時間作用可能也會導(dǎo)致土體液化，但不如管道振動對土體的影響大。因此對海底管道周圍土體性質(zhì)改變的研究，應(yīng)著重考慮管道振動。

對比圖6和圖8，管道周圍海床的超孔隙水壓力累積過程是管道振動與波浪作用共同的結(jié)果；但無波浪下的管道振動(Test 2)對管道周圍土體的影響比施加了波浪后的管道振動(Test 4)更大，表現(xiàn)為超孔隙水壓力累積更大，土體液化時間更短。綜上，在本試驗中，管道周圍土體發(fā)生液化的程度和時間首先取決于管道是否發(fā)生振動，而波浪只是輔助條件。

2.2.3 不同波浪條件下管道振動

設(shè)計Test 4和Test 5試驗比較不同波高對振動管道周圍土體的影響。如圖9，波高對振動管道周圍土體的超孔隙水壓力累積起著重要作用。對淤泥質(zhì)土體的研究發(fā)現(xiàn)，孔隙水壓力最大值是波浪高度的函數(shù)[22]。Test 4和Test 5對比試驗表明，該結(jié)論也適用于粉砂質(zhì)土體。

圖9 不同波高的振動管道周圍超孔隙水壓力變化

2.2.4 不同水深條件下管道振動

設(shè)計了Test 1、Test 4和Test 6試驗，分別模擬水深4、8和12 m條件下波浪荷載對管道周圍土體的孔壓影響。

如圖10，不同深度處土體在遭受波浪載荷作用以后，管道周圍土體孔隙水壓力表現(xiàn)出不同的特征，水深小超孔隙水壓力累積程度較低，液化時間較短；12 m深度處管道周圍土體超孔隙水壓力最大值是4 m水深條件下的10倍，是8 m水深條件下的2倍。

圖10 不同水深的振動管道周圍土體超孔隙水壓力變化

2.3 規(guī)則波作用下海底管道周圍海床沖刷

通過測定試驗前后的地形變化特征，研究靜止和振動管道周圍土體在波浪作用下的沖於特征。為了比較不同水深和波浪狀態(tài)下試驗前后的地形變化特征，設(shè)計了Test 7、Test 8、Test 9試驗，沖刷時間為30 min。試驗開始前，海床表面基本平整，略微傾斜，管道完全掩埋，見圖11。波浪作用下海床表面呈均勻下降趨勢，其在Test 7和Test 9試驗中下降約10和 20 cm，見圖12和13。對比Test 7和Test 8試驗，在相同水深，兩種不同波高作用后，管道的上覆土體已經(jīng)被沖刷，下方土體均出現(xiàn)不同程度的掏空，振動管道更為顯著。在兩組試驗振動管道的背波側(cè)，沿著管道布設(shè)方向沖刷出明顯的沖刷凹槽，凹槽深度約5～10 cm；靜止管道的背波側(cè)也呈現(xiàn)出沖刷痕跡，但未出現(xiàn)明顯的凹槽。波高較大的Test 8試驗振動管道背波側(cè)的凹槽略深，靜止管道背波側(cè)的沖刷程度也較大，見圖14。對比試驗Test 8和Test 9，當(dāng)水深加大后，管道周圍土體的變化顯著，見圖13。

圖11 沖刷前背景值

圖12 水深6 m、波高1.2 m波浪作用后海底地形三維圖(Test 7)

圖13 水深8 m，波高3.1 m波浪作用后海底地形三維圖(Test 9)

圖14 水深6 m，波高1.5 m波浪作用后海底地形三維圖(Test 8)

試驗結(jié)果表明，在波浪作用一定時間后，海底管道部分管段露出床面，管道正下方被掏蝕，振動管道背波側(cè)平行管道方向出現(xiàn)沖刷凹槽，且波高較大，凹槽更明顯。海底土壤的黏性系數(shù)對沖刷深度影響較大[23]且相同情況下黏性土比砂土的沖刷更輕，粉土介于其中[24]，本試驗采用的試驗土為粉土，因此不同區(qū)域海床的沖刷程度還取決于土體性質(zhì)。當(dāng)波浪來自不同方向時，管道兩側(cè)都會出現(xiàn)沖刷凹槽，直到兩側(cè)的土體被沖蝕，與管道下方的掏空連成一片，最終形成沖刷坑，管道產(chǎn)生懸跨。且由于海底土質(zhì)不均勻，土質(zhì)薄弱的地方首先出現(xiàn)沖刷坑，使得海底管道出現(xiàn)了不連續(xù)的懸空段[25]。當(dāng)沖刷坑范圍越來越大，達到管道前后壓力平衡條件時，沖刷將不再發(fā)展。

3 結(jié) 論

(1)管道振動會使周圍土體的孔隙水壓力瞬間達到最大值，波浪也會改變管道周圍土體的性質(zhì)，但作用遠小于管道振動。

(2)當(dāng)波高增大時，管道周圍砂質(zhì)土土體的超孔隙水壓力增大；水深增加使孔隙水壓力的累積程度更大，發(fā)生液化需要的時間也相應(yīng)增加；12 m深度管道周圍土體超孔隙水壓力最大值是4 m水深的10倍，是8 m水深的2倍，12 m深度管道發(fā)生液化的時間是4 m水深的2倍。

(3)在波浪作用下，海床整體呈現(xiàn)沖刷下降態(tài)勢。在實際情況下海底管道正下方被掏蝕，振動管道兩側(cè)出現(xiàn)沖刷凹槽，直到管道兩側(cè)的土體被沖蝕，與管道下方的掏空連成一片，最終形成沖刷坑，管道產(chǎn)生懸跨。