張宗峰，丁紅巖，劉錦昆

(天津大學 建筑工程學院，天津 300072;2.中石化石油工程設計有限公司，山東 東營257026)

海底管道的懸空防護是海底管道研究的熱點之一［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，可能導致管線的泄漏或斷裂，由此帶來嚴重后果。目前海底管道的懸空防護措施主要有: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，對于不同形式的安全隱患類型，防護措施各有利弊。水下支撐樁控制長度有限;仿生水草雖然能有效促淤，但防護范圍較小且造價昂貴;混凝土聯(lián)鎖排防護在海底管線的應用也僅限于對平臺附近局部管段的穩(wěn)定和抗落物沖擊保護。在內(nèi)河及河口地區(qū)、灘海陸岸油田人工島的保灘護底工程中由于混凝土聯(lián)鎖排具有整體性好、適應床面變形能力強、易于機械化施工等優(yōu)點，混凝土聯(lián)鎖排保灘護底技術得到成功應用［6-7］，而海底管線所處海域與內(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，國內(nèi)外對混凝土聯(lián)鎖排在海底管道懸空防護中的應用研究鮮見報道。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，針對裸露或懸空海底管線的防護探討混凝土聯(lián)鎖排的防護機理，并開展室內(nèi)試驗，研究“混凝土聯(lián)鎖排+土工布”防護型式的適用性。

1 海底管線懸空原因分析

通常來說，海底管線產(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沖刷次生的海床臺地、凹坑等;③風暴潮作用下的表層土液化、滑塌;④施工過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系;⑥裸露水平管道下的沖刷，因管道前后存在一定壓差導致管涌而形成水流隧道，當水流隧道形成后，管道底部水流加速從而引起管道下的沖刷。

2 混凝土聯(lián)鎖排防護機理研究

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管線具有保護功能。故“混凝土聯(lián)鎖排+土工布”可以在管道不停產(chǎn)的情況下實施防護施工，施工工藝及取材簡單，造價低，且能夠在一定程度上有效保護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)的動力學機理出發(fā)，根據(jù)排體內(nèi)部和邊緣的失穩(wěn)模式及受力特點，結(jié)合水槽試驗推導出水流作用下不同部位排體的穩(wěn)定厚度計算公式:

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

式中:λ 取0.78，為試驗修正系數(shù);β 為理論系數(shù):

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

2.2 數(shù)值模擬計算

利用GMBIT 進行混凝土聯(lián)鎖排數(shù)值模型的建立和網(wǎng)格劃分，為簡化取3 ×3 排體計算，單個混凝土塊體0.4 m×0.4 m×0.2 m，塊體之間間距(連接繩長度)為0.1 m，模型計算區(qū)域6.4 m×6.4 m×1.0 m，將輸出文件導入FLUENT 中進行求解，X 負向為水流方向。

圖1 為聯(lián)鎖排表面處的流場分布，從圖中可以看出，排首位置的聯(lián)鎖塊由于迎流面對水流的阻擋作用，導致水流向上流動，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

3.1 模型試驗設計

(1)試驗在波浪雙向流渾水水槽中進行，水槽長50 m，寬1.0 m，深1.5 m，水槽的一段配有伺服電機不規(guī)則波造波機(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兩部分組成，模擬各種流動所需的試驗工況。通過物理模型試驗研究在不同水深(4 m，7 m，10 m)條件下，波流共同作用時混凝土聯(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”對于海底水平管線防護的適用性。

(2)模型制作:在水流和波浪運動中，慣性力和重力起主導作用，故試驗模型應遵循弗勞德相似或重力相似準則，模型與原型波浪的弗勞德數(shù)相同。試驗的模型幾何比尺設計為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:試驗波浪采用不規(guī)則波JONSWAP 譜型，試驗流速控制在預定的目標值，在無構(gòu)筑物影響時沿試驗段內(nèi)的橫斷面上均勻分布。表1 中給出了三種工況下的試驗參數(shù)。

表1 試驗環(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土樣，滿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 以內(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 試驗結(jié)果分析

3.3.1 不同水深條件下聯(lián)鎖排防護沖刷效果對比

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

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

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

在工況一、二、三波流共同作用時，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有發(fā)生晃動及失穩(wěn)現(xiàn)象(圖6 所示)，防護斷面穩(wěn)定，排體厚度(200 mm)滿足穩(wěn)定要求。

(2)引入無量綱參數(shù)沖深比η，即沖刷深度與管線外徑的比值其中: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)的地形變化對比。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，說明混凝土聯(lián)鎖排上游排腳(排首)由于局部水流加速，導致沖刷，此處水流環(huán)境也最為復雜，逆水面水流動態(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)、在動荷載作用下具有顆粒易于移動的特點，粉砂顆粒更細，且具有某些團粒結(jié)構(gòu)的特征，同時，由于粘膠顆粒的物理化學作用，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)逐漸過渡的結(jié)構(gòu)形式，盡管7 ～8 m 水深時波高比10 m 水深時略小，但波浪作用在海床土的循環(huán)振動荷載效應更顯著，同時由于此水深區(qū)間更強的海流作用，導致海床土的失穩(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 不同水深沖刷對比Fig.8 Scour depth for different water depths

3.3.2 典型水深(4 m)不同防護方式?jīng)_刷對比

(1)裸管無防護沖刷:圖9 為工況一條件下裸管無防護時斷面沖刷深度歷程圖，其中原點左側(cè)為波流的來向，海底管道周圍床面在波流作用下，海床面的泥沙呈明顯的往復運動為主，塑造沙波，同時水流輸運波浪掀起的泥沙。在管道兩側(cè)，床面泥沙顆粒大量啟動，形成一層混水層。在波流作用一段時間后，管道底部出現(xiàn)一個小的間隙，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)生了較大的瞬時速度，并導致管道底床上的剪切應力迅速增大，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輸運，隨著間隙迅速擴大，管道下面的沖刷坑越來越大，在波流作用下造成管道下游側(cè)沖刷強度較大，沖刷深度加大。圖10 為裸管無防護沖刷穩(wěn)定時的試驗現(xiàn)場圖片。

圖9 裸管無防護時沖深歷程Fig.9 Scouring time-history curve for unprotected pipe

圖10 裸管無防護沖刷穩(wěn)定后現(xiàn)場照片F(xiàn)ig.10 Test photo after scouring for unprotected pipe

(2)混凝土聯(lián)鎖排+土工布防護

選用與裸管無防護試驗時相同的波流條件，對混凝土聯(lián)鎖排和“混凝土聯(lián)鎖排+土工布”覆蓋下的海底管道周圍泥沙沖淤情況進行研究，分析這兩種情況下的防護效果。

圖11 和圖12 分別為聯(lián)鎖排防護地形沖刷圖和“混凝土聯(lián)鎖排+土工布”防護地形沖刷圖，采用工況一的水深及波流條件，進行了管道上面覆蓋土工布再進行聯(lián)鎖排防護覆蓋的對比試驗。試驗表明，土工布顯著減小聯(lián)鎖排塊體縫隙之間水流沖刷作用，對排腳沖刷也起到進一步防護作用，減小混凝土聯(lián)鎖塊之間由于局部渦旋導致的底面沖刷，且滿足聯(lián)鎖排的反濾要求。

圖13 和圖14 可以看出隨著時間推移沖刷趨于穩(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 下游排腳沖刷對比Fig.14 Comparison of scour depth of downstream block

4 成果應用實例

KD34B－墾東陸地終端海底管線位于渤海灣，全長4.4 km，管徑457 mm，探摸發(fā)現(xiàn)管線裸露或懸空長度達3.5 km，最大懸空高度1.0 m。根據(jù)探摸情況制定了相應治理方案，采用“聯(lián)鎖排+土工布防護”方式進行隱患治理。斷面如圖15 所示，先拋填沙袋，在管線底部形成臨時支撐，構(gòu)成穩(wěn)定的斷面再鋪設帶有土工布的混凝土聯(lián)鎖排，管線兩側(cè)各10 m，縱向超出懸空長度各5 m，滿足穩(wěn)定要求。

圖15 防護斷面Fig.15 Section of pipeline protection

圖16 混凝土聯(lián)鎖排預制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)場加工和施工如圖16 和圖17 所示，這也是國內(nèi)“混凝土聯(lián)鎖排+土工布”首次大型應用于海底管線懸空治理。在項目實施一年后進行了四次探摸，發(fā)現(xiàn)防護效果良好，且有輕微促淤效果。

5 結(jié) 語

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)驗公式，計算聯(lián)鎖排排體穩(wěn)定厚度，通過試驗發(fā)現(xiàn)聯(lián)鎖排在波流共同作用下整體穩(wěn)定，厚度滿足要求。

2)通過混凝土聯(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)境最為復雜，排首混凝土塊逆水面水流動態(tài)壓力最大，試驗表明聯(lián)鎖排的上、下游排腳位置沖刷最劇烈。隨著水深的增加，波浪對海床土影響減弱，波浪對沖刷的貢獻降低。

3)水槽試驗表明，土工布顯著減小聯(lián)鎖排塊體縫隙之間水流沖刷作用，對排腳沖刷也起到一定防護作用，并降低了混凝土聯(lián)鎖塊之間由于局部渦旋導致的底面沖刷，滿足聯(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的防護。

4)本文是根據(jù)波浪水槽試驗得出的初步研究成果，由于海洋環(huán)境情況較為復雜，混凝土聯(lián)鎖排的防護涉及地基承載力、地基沉降分析等，需要進一步結(jié)合工程實際開展相關研究。

［1］MCDOUGAL W G，DAVIDSON S H，MONKMEYER P L，et al.Wave induced forces on buried pipelines［J］.Journal of Waterway，Port，Coastal and Ocean Engineering，1988，114(2):220-236.

［2］CHIEW Y M.Effect of spoilers on wave induced scour at submarine pipelines［J］.Journal of Waterway，Port，Coastal and Ocean Engineering，1993，119:4172-4281.

［3］馮秀麗，陳之賀，林霖，等.黃河水下三角洲埕島油田海底管線懸空分析［J］.海岸工程，2008，27(2):26-31.(FENG Xiuli，CHEN Zhihe，LIN Lin，et al.Analysis of free spanning of submarine pipelines in the Chengdao Oilfield Area［J］.Coastal Engineering，2008，27(2):26-31.(in Chinese))

［4］仲德林，劉建立.埕島油田海區(qū)海底地形變化及預防措施［J］.海岸工程，2001，20(3):15-18.(ZHONG Delin，LIU Jianli.Variations in submarine topography in the Chengdao oil field sea area and preventive measure［J］.Coastal Engineering，2001，20(3):15-18(in Chinese).

［5］劉錦昆，張宗峰.仿生防沖刷系統(tǒng)在埕島油田中的應用［J］.中國海洋平臺，2008，23(6):36-38.(LIU Jinkun，ZHANG Zongfeng.Application of bionic scour prevention system in Chengdao offshore oilfield［J］.China Offshore Platform，2008，23(6):36-38.(in Chinese))

［6］吳蘇舒，張瑋，李國臣.波浪作用下混凝土聯(lián)鎖排穩(wěn)定厚度研究［J］.中國港灣建設，2006，3(6):5-8.(WU Sushu.ZHANG Wei，LI Guochen.Thickness of concrete slab interlocking mattress under action of waves ［J］.China Harbour Engineering，2006，3(6):36-38.(in Chinese))

［7］張瑋，吳蘇舒，蒲高軍.淹沒海灘護底混凝土聯(lián)鎖排穩(wěn)定厚度公式研究［J］.海洋工程，2007，25(4):54-59.(ZHANG Wei，WU Sushu，PU Gaojun.Research on stable thickness formulas of concrete bottom mattress in submerged beach［J］.The Ocean Engineering，2007，25(4):54-59.(in Chinese))

［8］楊作升，王濤.埕島油田勘探開發(fā)海洋環(huán)境［M］.青島:青島海洋大學出版社，1993.(YANG Zuosheng，WANG Tao.Marine environment for exploration and development of Chengdao oil field［M］.Qingdao:China Ocean University Press，1993.(in Chinese))

［9］李昕，劉亞坤，周晶.海底懸跨管道動力響應的試驗研究和數(shù)值模擬［J］.工程力學，2003，20(2):21-25.(LI Xin，LIU Yakun，ZHOU Jing.Experimental investigation and numerical simulation of dynamic response of free spanning submarine pipelines［J］.Engineering Mechanics，2003，20(2):21-25.(in Chinese))

［10］孫永福，段焱，吳桑云，等.黃河三角洲北部岸灘的侵蝕演變［J］.海洋地質(zhì)動態(tài)，2006，22(8):7-11.(SUN Yongfu，DUAN Yan，WU Sangyun，et al.Coastal evolution in the north of the Yellow River Delta［J］.Marine Geology Letters，2006，22 (8):7-11.(in Chinese))