趙靜 王世澎 （中國石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院 天津300457）

坐底式平臺基礎(chǔ)沖刷的系列模型試驗(yàn)研究

趙靜 王世澎 （中國石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院 天津300457）

座底式平臺作業(yè)過程中，海底條件的變化可能會導(dǎo)致基礎(chǔ)周圍出現(xiàn)沖刷，產(chǎn)生掏空，基礎(chǔ)的滑移甚至失穩(wěn)，嚴(yán)重威脅平臺的安全。利用模型試驗(yàn)的方法，針對水流作用下平臺基礎(chǔ)沖刷過程進(jìn)行研究，定性分析其演變規(guī)律，并通過系列模型理論將試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行延伸，定量地得出可能出現(xiàn)的最大沖刷坑深度，分析平臺基礎(chǔ)沖刷的一般規(guī)律及危險(xiǎn)區(qū)域，為后期進(jìn)行防護(hù)措施的研究奠定基礎(chǔ)。

平臺基礎(chǔ) 沖刷 系列模型 模型試驗(yàn)

0 引言

我國渤海海域?yàn)┖Ｓ吞飿O軟土地質(zhì)分布廣泛，大港、遼河與冀東油田海底表層均為淤泥質(zhì)土，極易產(chǎn)生泥沙的沖刷。在座底式平臺的作業(yè)過程中，由于基礎(chǔ)導(dǎo)致海洋環(huán)境因素的改變，會產(chǎn)生基礎(chǔ)周圍的沖刷，產(chǎn)生淘空，基礎(chǔ)的滑移甚至失穩(wěn)，嚴(yán)重威脅平臺的安全，是困擾座底式平臺安全施工的一大難題。

在勝利海域，自1985年勝利四號平臺在墾東11井施工中出現(xiàn)第一次淘空以來，座底式平臺累計(jì)淘空與滑移事故已發(fā)生10余次，其危害是平臺傾斜，地基下沉，導(dǎo)致生產(chǎn)作業(yè)中斷，井口報(bào)廢等嚴(yán)重后果，影響生產(chǎn)時(shí)效和施工安全，造成較大的經(jīng)濟(jì)損失和人身安全隱患。從調(diào)研分析的情況來看，產(chǎn)生的原因主要與地基情況、平臺結(jié)構(gòu)情況、潮流情況和滑移情況等方面有關(guān)。

在座底式海洋平臺的沖刷試驗(yàn)研究方面，王仲捷[1]通過對海上石油座底式鉆井平臺在波、流聯(lián)合作用下的防沖刷實(shí)驗(yàn)，得出相應(yīng)的平臺基礎(chǔ)沖刷規(guī)律。在單項(xiàng)水流的作用下，沉墊底部有少量淘刷現(xiàn)象，僅平臺前面與兩側(cè)形成較規(guī)則的“U”型沖刷坑。并指出波、流聯(lián)合作用大大增加了對海上平臺的沖刷性，其主要原因是大尺度旋渦的淘刷作用，再加上流的搬運(yùn)作用。仲德林[2]等分析了埕島油田海上石油平臺基礎(chǔ)沖刷的過程及其規(guī)律，研究平臺樁基沖刷的成因機(jī)制、沖刷的速率、過程和規(guī)律，為平臺的設(shè)計(jì)施工和防護(hù)提供可靠依據(jù)。韓西軍[3-5]等采用系列模型對粉砂質(zhì)海岸上棧橋樁基、粉砂質(zhì)海床上人工島以及建筑物周圍沖刷局部進(jìn)行了試驗(yàn)研究，分析得到了不同波流組合情況下的泥沙沖淤變化。

為了更好的了解平臺基礎(chǔ)的沖刷特性，并采取相應(yīng)措施進(jìn)行防護(hù)，避免或有效控制沉墊底部的沖刷，本文利用集團(tuán)公司海工重點(diǎn)試驗(yàn)室的46 m×1.5 m×1.5 m波流水槽，針對坐底式平臺基礎(chǔ)的沖刷進(jìn)行系列模型試驗(yàn)，為后期平臺防護(hù)措施的研究提供依據(jù)。

1 系列模型試驗(yàn)

在動床模型試驗(yàn)中，要同時(shí)滿足懸移與起動相似，或者僅滿足兩者之一，都要求模型沙重率較小。過細(xì)的模型沙會帶來絮凝及粘結(jié)力等各方面的問題，反過來又使懸移和起動相似難以滿足。如果找不到合適的模型沙，即可供模型使用的模型沙若重率較大、粒徑較粗，要滿足懸移和起動相似，就要求模型做得較大，從而使模型中能出現(xiàn)較大的流速變化，而這些條件在許多情況下是很難做到的。

系列模型就是為解決這類問題而提供的一種試驗(yàn)方法。[6-7]利用此方法，模型沙的重率可以較大，粒徑可以較粗，一直到使用原型沙，而模型不必做得很大。由于模型和原型泥沙運(yùn)動不相似而帶來試驗(yàn)結(jié)果的偏差，通過做一系列由小到大的模型，將試驗(yàn)成果外延，來加以消除。這樣的模型試驗(yàn)方法，實(shí)質(zhì)上是利用不相似的模型取得相似試驗(yàn)成果的一種有效方法。

系列模型不僅可以消除因選沙所帶來的泥沙運(yùn)動不相似和由模型變化所帶來的豎直水流運(yùn)動不相似等問題，而且克服了因正態(tài)模型縮尺效應(yīng)所帶來的一系列問題。系列模型不僅適用于研究河床單向沖淤變形的問題，而且對局部沖刷坑問題的研究有其獨(dú)特的優(yōu)越性。

假定模型試驗(yàn)所研究的物理量與影響這一物理量的其他變量之間存在如下指數(shù)關(guān)系：

式中:為所研究的物理量，可以是沖淤深度，也可以是沖淤時(shí)間；h為深度；Y、Z為深度以外的其他水力、泥沙因素變量；a1，a2，a3分別為這些變量的指數(shù)；K為系數(shù)。這里自變量僅取3個(gè)，當(dāng)有較多自變量時(shí)，也可同樣納入。

對上述方程式寫成比尺關(guān)系式，其結(jié)果為：

沙玉清認(rèn)為系數(shù)比尺λk是由模型縮小引起的，假定它與深度比尺成指數(shù)關(guān)系，即：

另外，將有關(guān)水力因素變量的比尺通過一定的比尺關(guān)系式轉(zhuǎn)化成深度比尺的函數(shù)，例如等；而泥沙因素變量的比尺，則通過采用原型沙，均化為 1，即等，這樣，上述比尺關(guān)系式將轉(zhuǎn)化為：

式中：a為全部水力、泥沙因素變量比尺均轉(zhuǎn)化為深度比尺后的指數(shù)和。對于原型而言，λh=1，λx=1，故應(yīng)有C=1，最后得：

由于本次試驗(yàn)中，原型沙的現(xiàn)場取樣有一定難度，無法用原型沙進(jìn)行試驗(yàn)。因此，綜合考慮各方面因素，以盡可能地接近工程實(shí)際為目的，最終選取了直徑為0.1 mm的均勻沙進(jìn)行沖刷研究，沖刷試驗(yàn)的量化結(jié)果將按照系列模型理論進(jìn)行延伸處理。

模型以清水沖刷為主，控制水流條件，當(dāng)模型沖刷坑形態(tài)基本穩(wěn)定，沖刷坑深隨時(shí)間變化較小時(shí)，認(rèn)為沖刷坑已基本達(dá)到了穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)用超聲波地形儀對沖刷后的地形概況進(jìn)行測量。

2 試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

由上式可見，當(dāng)采用一定幾何比尺的模型進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，λh為已知，Xm可以通過觀測求得，式中的未知量尚有a、Xp兩個(gè)。如果能做兩個(gè)模型就可建立兩個(gè)方程式，聯(lián)解后便可求得Xp，或?qū)⑺肵m及λh的數(shù)據(jù)點(diǎn)繪在雙對數(shù)紙上，連接1、2兩點(diǎn)，與λh=1或lgλh=0的縱軸相交，交點(diǎn)縱坐標(biāo)即為所求原型物理量的數(shù)值Xp。

按照系列模型試驗(yàn)的要求，模型必須做成正態(tài)。模型比尺的選擇除應(yīng)能滿足波浪、潮流及泥沙運(yùn)動相似條件外，尚應(yīng)綜合考慮下列條件：工程區(qū)域范圍及試驗(yàn)場地的大小、試驗(yàn)設(shè)備供給能力、測量精度；模型水流應(yīng)滿足流態(tài)相似；模型應(yīng)滿足阻力相似，并同時(shí)考慮摩阻損失不能太大。

試驗(yàn)在46 m×1.5 m×1.5 m的波流水槽中進(jìn)行，見圖2（a），最大工作水深1 m，水槽配備的設(shè)備有：液壓伺服不規(guī)則波造波機(jī)系統(tǒng)；尾門式潮汐模擬系統(tǒng)；兩臺總流量為0.5 m3/s的雙向造流設(shè)備。結(jié)構(gòu)物周圍局部沖刷地形的測量采用三維地形自動測量系統(tǒng)，如圖2（b）所示。波高測量采用電容式波高傳感器2支。流速測量采用ADV聲學(xué)多普勒流速儀。

2.2 泥沙起動試驗(yàn)

為了更好地觀察泥沙起動情況，并為后期的基礎(chǔ)沖刷試驗(yàn)奠定基礎(chǔ)，首先在波流水槽內(nèi)進(jìn)行泥沙起動試驗(yàn)。[8-9]水槽前端為不規(guī)則造波機(jī)及其控制系統(tǒng)，中部槽底留有長5.0 m，高0.15 m的存泥槽（見圖3），后端設(shè)置消波箱。試驗(yàn)水流為自循環(huán)式，水流速由一個(gè)無極變速的電動水泵控制。

試驗(yàn)段布置在水槽中部的存沙槽內(nèi)，鋪泥段長5 m，鋪沙段中端布置ADV流速儀測量近底處水質(zhì)點(diǎn)流速。試驗(yàn)前先將泥沙攪拌均勻，再均勻鋪在水槽底部，并將泥沙床面抹平，待泥沙自然沉降密實(shí)一天后，緩慢注入自來水至試驗(yàn)水深后進(jìn)行試驗(yàn)。之后每組試驗(yàn)開始前均重新鋪沙，并在泥沙自然密實(shí)一天后開始試驗(yàn)。

試驗(yàn)中，通過增大水流流速使底沙起動，起動時(shí)用ADV流速儀測量當(dāng)前流速。本次試驗(yàn)考慮到淤泥質(zhì)細(xì)粉沙的起動以泥沙的卷起、懸揚(yáng)為主要特征，即泥沙起動時(shí)直接進(jìn)入懸揚(yáng)狀態(tài)。當(dāng)懸揚(yáng)不明顯時(shí)，床面無明顯破壞，此時(shí)泥沙并未起動；懸揚(yáng)開始明顯增大時(shí)，床面出現(xiàn)破壞性坑紋，此時(shí)泥沙進(jìn)入“大量起動”階段，因此試驗(yàn)以底床泥沙大量懸揚(yáng)且床面出現(xiàn)破壞作為判斷起動的標(biāo)準(zhǔn)。

針對試驗(yàn)要求并結(jié)合現(xiàn)有試驗(yàn)條件，首先進(jìn)行了30 cm水深條件下的泥沙起動試驗(yàn)，選取直徑為0.1 mm的均勻沙。

在泥沙起動試驗(yàn)的過程中，使流速由小到大緩慢增大并維持足夠長的沖刷時(shí)間，用ADV監(jiān)測水槽中的實(shí)際流速，同時(shí)密切觀察水槽中泥沙的運(yùn)動情況。觀察的結(jié)果顯示：流速為30 cm/s時(shí)，泥沙少量起動；流速為40 cm/s時(shí)，泥沙普遍起動，并出現(xiàn)沖刷坑；流速為50 cm/s時(shí)，泥沙大量起動，沖刷坑形態(tài)更加明顯。因此認(rèn)為該均勻沙的起動流速為40 cm/s，這將作為后期進(jìn)行模型沖刷試驗(yàn)的參考起動流速。起動試驗(yàn)之后的鋪沙層沖刷情況如圖4所示。

3 試驗(yàn)結(jié)果

由于目標(biāo)平臺的沉墊尺寸長、寬與高度相差非常大，同時(shí)考慮水槽寬度的限制，為了更好地觀察模型邊角位置的泥沙沖淤情況，根據(jù)系列模型理論，在試驗(yàn)中將模型尺寸進(jìn)行概化處理，同時(shí)考慮到水槽邊壁效應(yīng)的影響，在經(jīng)過系列嘗試性試驗(yàn)后，將平臺基礎(chǔ)的長度與寬度設(shè)定為40 cm與24 cm?；A(chǔ)的高度，按照比尺進(jìn)行縮放（見表1、圖5）。

3.1 比尺25的沖刷結(jié)果

比尺25時(shí)模型的底座尺寸為48 cm x 24 cm x 12 cm，臺上水深24 cm。由于之前的泥沙起動試驗(yàn)僅僅是對無模型時(shí)的泥沙進(jìn)行的，所以現(xiàn)在放置模型后將會造成一定的阻流作用，從而影響泥沙的沖淤。因此，以之前的泥沙起動試驗(yàn)作為參考，先以較小的流速進(jìn)行沖刷，觀察現(xiàn)象并及時(shí)調(diào)整流速，最后選定流速9.893 cm/s進(jìn)行沖刷試驗(yàn)（見圖6）。

沖刷開始時(shí)，平臺基礎(chǔ)周圍出現(xiàn)泥沙的躍移，隨著時(shí)間的推移，逐漸形成小的沖刷坑，由平臺基礎(chǔ)的拐角向周圍延展。隨著時(shí)間的延長，沖刷范圍逐漸擴(kuò)大，在縱向和橫向出現(xiàn)了不同程度的擴(kuò)大和延伸。最為明顯的是沖刷坑除了在向模型外側(cè)和深度方向發(fā)展外，還不斷向模型的迎流向演化，并有不斷擴(kuò)展的趨勢。

試驗(yàn)過程中，目測到?jīng)_刷坑范圍明顯擴(kuò)大，為了觀察沖刷坑是否繼續(xù)演化，沖刷過程持續(xù)進(jìn)行到兩側(cè)沖刷坑的形態(tài)變化很小時(shí)，認(rèn)為已經(jīng)達(dá)到了沖刷的穩(wěn)定狀態(tài)，停止試驗(yàn)，此時(shí)歷時(shí)8.5 h。

利用超聲波地形儀對沖刷后的地形進(jìn)行測量，得到量化的沖刷坑的深度（見圖7），由地形文件分析得到，此次沖刷后沖刷坑的最深深度為3.25 cm。

3.2 比尺18的沖刷結(jié)果

比尺為18時(shí)模型基礎(chǔ)深度17 cm，臺上水深33.3 cm。根據(jù)模型比尺及系列模型理論的要求，選定流速11.84 cm/s進(jìn)行沖刷試驗(yàn)。沖刷的最初3 h后，模型的南北兩側(cè)均出現(xiàn)了沖刷坑，但總體上并不明顯；6 h后，模型兩側(cè)均出現(xiàn)了連續(xù)的沖刷坑，正前方尚未出現(xiàn)沖刷跡象；8.5 h后，兩側(cè)的沖刷范圍變寬，同時(shí)淘蝕的深度也有所加深，模型前方尚未受到?jīng)_刷影響；沖刷持續(xù)12 h后，對比前一時(shí)間段的沖刷結(jié)果，沖刷坑的深度和范圍變化都已經(jīng)很小，可以認(rèn)定為穩(wěn)定狀態(tài)。沖刷穩(wěn)定后的地形情況如圖8所示。

利用超聲波地形儀測得模型的沖刷最大深度為4.3 cm。沖刷的地形圖如圖9。

3.3 基礎(chǔ)沖刷的系列模型推演

在對量化的沖刷結(jié)果按照系列模型的要求進(jìn)行推演時(shí)，取各個(gè)比尺下的最大沖刷坑深度，推得極端情況。根據(jù)系列模型理論，將兩組不同比尺的模型試驗(yàn)結(jié)果在雙對數(shù)坐標(biāo)下標(biāo)出，這兩點(diǎn)的延長線與縱坐標(biāo)的交點(diǎn)即為原體的沖刷深度。因此可以推得實(shí)際情況下原型的最大深度約為0.505 m（見圖10）。

4 結(jié)論

本文介紹了兩個(gè)比尺條件下的平臺基礎(chǔ)沖刷試驗(yàn)，定性地分析了沖刷的演變過程，并通過采用系列模型理論定量地研究了平臺沖刷坑的最大深度，得到了以下結(jié)論：通過泥沙起動試驗(yàn)與平臺基礎(chǔ)嘗試性的試驗(yàn)，確定了平臺基礎(chǔ)沖刷的概化形式；根據(jù)系列模型試驗(yàn)的要求進(jìn)行了平臺基礎(chǔ)沖刷的模型試驗(yàn)研究，定性地分析了平臺基礎(chǔ)的沖刷形態(tài)；借助系列模型理論將試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行延伸，定量地分析了沖刷坑可能出現(xiàn)的最大深度，對工程試驗(yàn)具有一定的指導(dǎo)意義；當(dāng)沖刷達(dá)到一定程度時(shí)，模型基礎(chǔ)的拐角部分可能會出現(xiàn)淘空，這一位置的沖刷情況將是后期進(jìn)行防護(hù)措施試驗(yàn)研究的重點(diǎn)內(nèi)容，為尋找合適的防護(hù)方法奠定了基礎(chǔ)?！?/p>

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2011-09-06