付　健,趙　林

(中國海洋大學(xué) 工程學(xué)院，山東 青島 266100)

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水流作用下管匯結(jié)構(gòu)周圍局部沖刷試驗(yàn)研究*

付健,趙林*

(中國海洋大學(xué) 工程學(xué)院，山東 青島 266100)

摘要：水下生產(chǎn)系統(tǒng)的管匯結(jié)構(gòu)是海底油氣資源開采的關(guān)鍵設(shè)備之一，近年來得到了廣泛的應(yīng)用。放置在海床上的管匯改變了海床泥沙沉積物的輸移能力，由此導(dǎo)致結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)周圍沖淤變化。如果結(jié)構(gòu)物周圍沖刷深度過大，將會(huì)影響結(jié)構(gòu)的正常使用。為預(yù)測(cè)管匯結(jié)構(gòu)在水流作用下的沖刷形態(tài)與沖刷深度，本文通過水槽物理模型試驗(yàn)和分析手段，對(duì)恒定流作用下水下生產(chǎn)系統(tǒng)的管匯結(jié)構(gòu)周圍的局部沖淤形態(tài)及形成機(jī)理進(jìn)行了分析。采用聲學(xué)多普勒測(cè)速儀(ADV)對(duì)結(jié)構(gòu)周圍流場(chǎng)進(jìn)行了精確測(cè)量，利用測(cè)量結(jié)果分析了流速分布規(guī)律及對(duì)結(jié)構(gòu)物周圍局部沖刷的影響。得出影響低矮結(jié)構(gòu)物周圍局部沖刷的主要水流結(jié)構(gòu)為結(jié)構(gòu)物尖角處的水流加速，馬蹄形漩渦的影響較小。對(duì)研究低矮結(jié)構(gòu)物周圍局部沖刷的影響因素具有重要意義。

關(guān)鍵詞：管匯結(jié)構(gòu)；局部沖刷；沖刷機(jī)理；恒定流

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人們對(duì)油氣資源的開采逐漸從陸地移向海洋。水下生產(chǎn)系統(tǒng)以其顯著的優(yōu)勢(shì)得到廣泛應(yīng)用。在水流作用下，放置在海底上的管匯等低矮結(jié)構(gòu)改變了海床原來的水動(dòng)力條件，變化的流場(chǎng)對(duì)結(jié)構(gòu)周圍的泥沙沉積物引起擾動(dòng)，產(chǎn)生局部沖刷。如果沖刷坑過深，基礎(chǔ)產(chǎn)生的不均勻沉降會(huì)影響管匯的正常使用，甚至?xí)鸾Y(jié)構(gòu)安全問題導(dǎo)致一系列問題。目前對(duì)于低矮的海洋結(jié)構(gòu)物的局部沖刷研究相對(duì)較少，局部沖刷機(jī)理沒有充分的認(rèn)識(shí)。因此開展這方面的研究對(duì)完善海洋低矮結(jié)構(gòu)物局部沖刷理論與防護(hù)工程設(shè)計(jì)都具有重要意義。本文通過波流水槽的試驗(yàn)，對(duì)海流作用下管匯(低矮結(jié)構(gòu)物)周圍局部沖刷與流場(chǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。

1　試驗(yàn)條件

1.1管匯結(jié)構(gòu)

水下管匯結(jié)構(gòu)主要由管匯模塊支撐結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)組成，有些情況還需設(shè)置保護(hù)性結(jié)構(gòu)。支撐結(jié)構(gòu)向管匯的管線和設(shè)備提供支撐，并為管匯對(duì)掉落物、水下機(jī)器人沖擊等意外荷載提供有限防護(hù)[1]?；A(chǔ)為管匯系統(tǒng)提供支撐，并安裝到海底。防沉板是基礎(chǔ)的一種形式，它具有結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、重量輕等優(yōu)點(diǎn)。為增大防沉板能力和穩(wěn)定性，減小外形尺寸，通常為防沉板增加裙板[2]。此次試驗(yàn)采用的管匯結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

圖1　管匯結(jié)構(gòu)Fig.1　PLEM Structure

1.2試驗(yàn)條件

試驗(yàn)的目的是為了研究管匯基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)周圍流場(chǎng)的變化以及局部沖刷地形。海底管匯周圍的局部沖刷研究在波浪潮流水槽中進(jìn)行，水槽寬3 m，長60 m，在水槽中部鋪設(shè)厚度為0.2 m的沙床，沙床兩側(cè)為1∶10的緩坡，兩側(cè)為透明的玻璃，用于觀察泥沙的起動(dòng)情況。實(shí)驗(yàn)過程中，采用ADV流速儀來測(cè)量結(jié)構(gòu)周圍的流場(chǎng)變化，采用水下攝像機(jī)對(duì)結(jié)構(gòu)局部沖刷地形變化進(jìn)行錄像觀測(cè)。根據(jù)Sumer[3]得出的垂直細(xì)長柱時(shí)間尺度公式，本次沖刷試驗(yàn)的持續(xù)時(shí)間為5 h，局部沖刷能夠達(dá)到平衡狀態(tài)。圖2為水槽試驗(yàn)區(qū)域模型布置。沖刷達(dá)到平衡狀態(tài)以后，將水槽的水緩慢放掉，并且把結(jié)構(gòu)取出，采用全站儀進(jìn)行地形的精細(xì)測(cè)量。

圖2　試驗(yàn)區(qū)域布置(m)Fig.2　Layout of the experimental area (m)

2　分析方法

試驗(yàn)中，泥沙中值粒徑d50= 0.2 mm，水深為1 m，水流平均流速為0.44 m/s。臨界希爾茲參數(shù)計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式[4]：

(1)

式中，D*=[g(s-1)/v2]1/3d50，v=10-6m2/s，為水的運(yùn)動(dòng)黏度。

由表面摩擦力定義的希爾茲數(shù)：

(2)

測(cè)量沙紋上的剪切應(yīng)力非常困難，因此采用平坦床面的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：

(3)

式中，對(duì)數(shù)關(guān)系CD={k/[ln(Z0S/h+1)]}2；粗糙高度Z0S=d50/12;h為水深。希爾茲參數(shù)θs是用來判斷試驗(yàn)是動(dòng)床沖刷試驗(yàn)或是清水沖刷試驗(yàn)。

根據(jù)上述公式進(jìn)行計(jì)算，將本次試驗(yàn)參數(shù)列于表1。試驗(yàn)中希爾茲參數(shù)θs大于臨界希爾茲參數(shù)θcr，因此為動(dòng)床沖刷試驗(yàn)。

3　管匯結(jié)構(gòu)周圍的局部沖刷

3.1管匯周圍流場(chǎng)結(jié)構(gòu)

在未放置結(jié)構(gòu)物時(shí)，利用ADV流速儀測(cè)量床面以上2 cm的流速，此時(shí)的流速為0.34 m/s。測(cè)量管匯周圍流場(chǎng)時(shí)，在沙床上鋪設(shè)鐵皮防止泥沙沖刷改變流場(chǎng)。利用ADV對(duì)結(jié)構(gòu)周圍流場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量斷面與床面的距離為2 cm，水平方向上進(jìn)行3組測(cè)量，測(cè)量點(diǎn)水平斷面布置如圖3。其中，斷面1,2,3為迎流面；斷面4,5,6為背流面，斷面7,8,9為左側(cè)測(cè)量斷面，斷面10,11,12為右側(cè)測(cè)量斷面。各組斷面與結(jié)構(gòu)的距離分別為25，15和5 cm。采用Matlab程序?qū)Σ杉娜S流速數(shù)據(jù)進(jìn)行了過濾等處理。圖4為流速測(cè)量裝置，此裝置為XYZ坐標(biāo)行車，能夠準(zhǔn)確控制3個(gè)方向的移動(dòng)距離。

圖3　流速測(cè)量斷面布置圖Fig.3　Layout of the flow velocity measurement section

圖4　流速測(cè)量裝置Fig.4　The device for flow velocity measurement

圖5、圖6分別為迎流面的順流向、橫流向流速曲線。由圖可知：迎流面的兩個(gè)尖角處的水流流速較未放置結(jié)構(gòu)物時(shí)明顯增加，最大值為0.4 m/s。迎流面中央處的水流由于受結(jié)構(gòu)物的阻滯，流速降低。在結(jié)構(gòu)物尖角位置橫流方向流速增大，最大流速為0.15 m/s。因此，順流向與橫流向流速的增大導(dǎo)致了結(jié)構(gòu)尖角處首先產(chǎn)生沖刷。

圖5　迎流面順流向流速Fig.5　Streamwise velocity at the incident flow side

圖6　迎流面橫流向流速Fig.6　Cross flow velocity at the incident flow side

圖7、圖8分別為背流面的順流向、垂流向流速曲線。背流面順流方向的流速同樣在尖角處較無結(jié)構(gòu)物的海床流速增加，在背流面中部區(qū)域順流向流速出現(xiàn)負(fù)值，表明該區(qū)域出現(xiàn)尾渦。垂直方向的水流在尖角位置方向向下，在中間區(qū)域方向向上，流速較小。尖角位置向下的水流與順流向流速的增加導(dǎo)致了尾部尖角位置泥沙被帶走，后部尾渦的出現(xiàn)導(dǎo)致尖角位置帶走的泥沙在后部沉積下來，因此尾渦區(qū)域出現(xiàn)淤積現(xiàn)象。

圖7　背流面順流向流速Fig.7　Streamwise velocity at the dorsal flow side

圖8　背流面垂向流速Fig.8　Vertical velocity at the dorsal flow side

圖9、圖10分別為左側(cè)面順流向、垂流向流速曲線。結(jié)構(gòu)兩側(cè)產(chǎn)生的淤積與兩側(cè)的流場(chǎng)密切相關(guān)。側(cè)面順流向流速越靠近結(jié)構(gòu)物越小，最內(nèi)側(cè)的斷面10在中間位置流速突然減小與管匯在側(cè)面的跨接管預(yù)留口有關(guān)。側(cè)面順流向流速減小且豎直方向向下的水流使結(jié)構(gòu)在尖角位置搬運(yùn)的泥沙在兩側(cè)得以沉積。

圖9　左側(cè)面順流向流速Fig.9　Streamwise velocity at the left side

圖10　左側(cè)面垂向流速Fig.10　Vertical velocity at the left side

3.2管匯周圍沖淤形態(tài)

圖11～12為管匯基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)在水流作用條件下的局部沖刷地形變化。由圖可知，結(jié)構(gòu)物周圍的局部沖刷大致沿中軸線呈對(duì)稱分布。最大沖刷深度發(fā)生在管匯基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的迎流面的兩個(gè)尖角，最大沖刷深度為3 cm，迎流面中間位置沖刷深度較小。在試驗(yàn)過程中，通過水下攝像機(jī)的錄像可知，沖刷首先發(fā)生在迎流面的尖角位置，然后逐步向中間擴(kuò)展，與墩式結(jié)構(gòu)的沖刷坑首先在墩前產(chǎn)生不同。

結(jié)構(gòu)的兩側(cè)產(chǎn)生淤積，淤積范圍寬度約為20 cm。其中，結(jié)構(gòu)中部的淤積高度較高，淤積厚度為2 cm以上。結(jié)構(gòu)的背流面尖角也產(chǎn)生了輕微的沖刷，范圍較小，沖刷深度為1 cm。在結(jié)構(gòu)的背流面中部有輕微的淤積現(xiàn)象，這與結(jié)構(gòu)后部形成的尾渦有關(guān)。

圖11　局部沖刷等高線圖Fig.11　Contours of the depth caused by the local scouring

圖12　沖淤地形照片F(xiàn)ig.12　A photo showing the seabed topography caused by scouring and silting

3.3局部沖刷分析

導(dǎo)致管匯等低矮結(jié)構(gòu)物周圍局部沖刷機(jī)理十分復(fù)雜，根據(jù)現(xiàn)有的模型試驗(yàn)與理論分析結(jié)論，結(jié)構(gòu)物周圍的3種水流結(jié)構(gòu)對(duì)其局部沖刷產(chǎn)生影響，分別為1)結(jié)構(gòu)物尖角位置的水流加速；2)結(jié)構(gòu)物迎流面的馬蹄形漩渦；3)結(jié)構(gòu)物后部的尾渦及脫落[5]。Sumer和Freds?e[6]指出對(duì)于墩式結(jié)構(gòu)物的局部沖刷主要是由于迎流面的馬蹄形漩渦導(dǎo)致，沖刷首先在墩柱前開始，并且沖刷深度最大。

在本試驗(yàn)中，通過對(duì)采集得到的流場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得知結(jié)構(gòu)前部并沒有產(chǎn)生馬蹄形漩渦。后部雖然形成了尾渦，但是尾渦并沒有脫落，由結(jié)構(gòu)物后部的沖淤形態(tài)也能得到驗(yàn)證。所以，對(duì)于管匯等低矮結(jié)構(gòu)物周圍的局部沖刷主要的影響水流結(jié)構(gòu)為迎流面尖角處的水流加速。

4　結(jié)　語

通過物理模型試驗(yàn)，對(duì)恒定流作用下海底管匯基礎(chǔ)周圍局部沖刷形態(tài)和最大沖刷深度進(jìn)行了研究。

1)利用測(cè)量結(jié)果分析了管匯等低矮結(jié)構(gòu)物三維流速分布規(guī)律及對(duì)局部沖刷的影響，對(duì)于深入研究低矮結(jié)構(gòu)物的沖刷及復(fù)雜邊界流場(chǎng)理論具有重要的參考價(jià)值。

2)通過對(duì)沖淤地形與周圍流場(chǎng)的分析，指出影響管匯等低矮結(jié)構(gòu)物的沖刷機(jī)理是迎流面尖角的水流流速的增大，結(jié)構(gòu)物前部的馬蹄形漩渦與后部漩渦脫落對(duì)局部沖刷并沒有影響。

本試驗(yàn)沒有進(jìn)行低矮結(jié)構(gòu)物的長寬比對(duì)水流結(jié)構(gòu)的影響以及迎流面水流加速的定量分析與研究，因此，今后的工作還應(yīng)進(jìn)行一系列的試驗(yàn)來探討這些問題，使研究成果更具實(shí)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

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文章編號(hào)：1002-3682(2016)02-0018-07

*收稿日期：2015-09-10

作者簡介：付健(1990-)，男，碩士研究生，主要從事水力學(xué)及河流動(dòng)力學(xué)方面研究. E-mail：fujian_ouc@163.com *通訊作者：趙林(1964-)，男，副教授，碩士，主要從事水文學(xué)與海岸動(dòng)力學(xué)方面研究. E-mail：ouc_qingdao@163.com

中圖分類號(hào)：TV143.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi:10.3969/j.issn.1002-3682.2016.02.003

Experimental Study of Local Scouring Around PLEM Structure Under the Action of Current

FU Jian, ZHAO Lin

(CollegeofEngineering,OceanUniversityofChina, Qingdao 266100, China)

Abstract:PLEM structure of subsea production system is one of the critical equipment for oil and gas exploration in the sea and has been widely used in recent years. The PLEM placed on the seabed can cause the change of bottom sediment transport capacity, thus leading to the change of erosion and deposition around the base of the structure. To predict the depth and forms of the scouring around the PLEM structure under the action of current, the forms and formation mechanism of local scouring around the PLEM structure under constant current are analyzed by flume physical model experiments. The flow field around the structure is accurately measured with acoustic doppler velocimeter (ADV). The results thus obtained are used to analyze the distributions of flow velocity and their influence on the local scouring around the structure. The conclusion thus obtained is that the horseshoe vortex plays less important role than the flow velocity acceleration at the sharp corners of the structure. It could be significant for studying the influence factors of local scouring around low vertical structures.

Key words:PLEM structure; local scouring; scouring mechanism; constant current

(陳靖編輯)