楊 乾 孫明楠 何 沫 楊慶華

1.西南交通大學土木工程學院 2.中國石油西南油氣田公司安全環(huán)保與技術監(jiān)督研究院

0 引言

穿越水域的輸油氣管道在管道工程當中占有相當大的比例。當油氣管道穿越江河時，一般采用水下穿越和水上跨越兩種方式。對于前者而言，由于河床演變、河床沖刷和水流沖擊等作用，使得管道局部懸空或裸露而容易遭受破壞，從而嚴重影響水下穿越管道的安全服役。如1979年投產的馬惠寧線渠口農場穿越黃河管道，運營不到5年便被洪水沖斷，造成直接經濟損失500余萬元并停產21天[1]。

20世紀80年代，俞樂群[2-3]便開始了對穿越管道的研究。黃金池[4]在1998年分析了河床演變對穿越管道的影響，并提出了減少水毀災害的相應措施。白路遙等[5]考慮河流上游洪水來沙因素重新建立了沖刷深度計算模型，為油氣管道穿越高含沙河流埋深的確定提供了理論依據。唐萬金等[6]依據工程實例，提出在考慮沖刷公式的基礎上，應結合當地水文地質條件最終選擇設計沖刷深度。張芝永[7]通過數值模擬方法提出一種預測局部沖刷平衡深度的新方法，為水下管道局部沖刷平衡深度預測提供了技術手段。Azamathulla和Zakaria[8]將人工神經網絡（Artificial Neural Network，ANN）方法應用到管道沖刷深度估算中，并驗證了該方法的有效性。除此之外他還研究了局部管道沖刷深度的時間變化規(guī)律，以估算沖刷深度，并提出了一種能夠很好地預測相對沖刷深度的回歸模型[9]。徐濤龍等[10]、姚安林等[11]、付冉等[12]和Zhao等[13]均采用數值模擬方法，對穿越管道懸空長度的動態(tài)演變過程進行了分析，得到不同工況下管道的臨界懸空長度，為河流穿越管道的設計和安全運營提供了數據支撐。較之于水下穿越管道，更多的學者更傾向于研究海底管道的沖刷問題，如吳鈺驊等[14]、楊兵等[15]、臧志鵬等[16]、Zhao等[17]、Kim等[18]、Rao等[19]通過物理模型試驗，研究海底管道局部沖刷的發(fā)展階段，探討了水下管道底砂床沙粒起動的產生機理。常留紅等[20]、劉延鑫等[21]、陳兵和張樺[22]、Zhao等[23]通過數值模擬研究海底管道附近流場、壓力以及剪切力的變化，對海底管道局部沖刷機制進行了分析。綜上所述不難發(fā)現，關于穿越管道的研究主要集中在沖刷深度預測和管道臨界懸空長度計算等方面，而對于穿越管道附近河床演變過程的研究則甚少，雖然很多學者都研究了海底管道周圍河床演變過程和沖刷特性，但研究對象管道均處于半埋狀態(tài)，與水下穿越管道為全埋的初始條件不同，導致兩者在水流作用下河床演變與局部沖刷特性相異。為此，筆者通過單向流循環(huán)水槽試驗，觀測分析穿越管道發(fā)生局部沖刷的物理過程和沖蝕剖面特征，研究了水下穿越管道附近河床演變規(guī)律及其對水下穿越管道的影響。

1 試驗模型設計

1.1 試驗裝置

試驗在西南交通大學市政工程實驗室循環(huán)水槽系統(tǒng)內進行，該系統(tǒng)由水槽、沉沙池、清水池、水泵、閥門和回水管組成（圖1）。水槽長10 m、寬0.4 m、高0.7 m，水槽側壁均采用透明鋼化玻璃制成，便于觀測，水槽頭部設置有梯形堰和穩(wěn)流板，用于提供試驗穩(wěn)定流量。距穩(wěn)流板下游2 m處設置試驗段，全長1.5 m，試驗段前后各鋪設0.3 m長的由1 cm以上粗顆粒礫石組成的護坡（圖2、3）。水槽尾部設置尾門，以調節(jié)水槽內試驗水深。試驗均在清水沖刷機制下進行，試驗水溫（t）為15 ℃。根據弗勞德數計算公式：

圖1 水槽試驗模型示意圖

圖2 試驗段布置示意圖

圖3 試驗段布置實圖

式中Fr表示弗勞德數；v表示斷面平均流速，m/s；A表示過流斷面面積，m2；B表示渠道液面寬度，m；h表示水深，m；g表示重力加速度，m/s2。計算得到水槽試驗的弗勞德數介于0.306～0.808（表3），均小于臨界流Fr＝1。因此本試驗水流均處于緩流狀態(tài)。

1.2 模型相似律

水力模型試驗：在模型中重演（或預演）與原型相似的水流現象以觀測、分析、研究水流運動規(guī)律，其應具有幾何相似、運動相似、動力相似及初始條件和邊界條件相似這些要求，但在試驗過程中，要同時滿足以上相似準數相等幾乎不可能實現。因此，通常采用近似的模型方法，分析相似條件中的主、次關系，在模型試驗設計中盡量保證起主導作用的條件，對次要條件只作近似保證或忽略不計。

由于水下穿越管道在河流沖刷過程中，慣性力和重力起主導作用，因此采用重力相似準則（弗勞德相似準則）進行水力模型設計，即：

式中λv表示速度比尺；λg表示重力加速度比尺，取1；λL表示長度比尺。根據實驗室場地條件，采用正態(tài)水力模型，本次試驗選定的長度比尺λL＝80，試驗流體采用自來水，在此基礎上以單寬流量作為試驗主要考慮條件，并使各個參數經長度比尺換算后得到對應的水力因素控制在合理范圍之內進行試驗設計，最終得到原型和模型之間對應的各物理量的比例關系如表1所示。

表1 試驗參數相似比尺關系表

1.3 模型沙和模擬管道

根據DL/T 5244—2010《水電水利工程常規(guī)水工模型試驗規(guī)程》關于模型沖刷材料選擇的要求[24]：模擬砂礫石河床覆蓋層，宜用碎石散粒體，其粒徑宜按長度相似換算選擇。因此，為了更合理模擬砂礫石河床的演變過程，選用石英砂作為本次試驗的模型沙。根據某河流勘察得到的河床稍密卵石顆粒分析結果，按照長度比尺λL＝80進行設計，得到如表2所示的模型沙顆粒級配。

模型沙顆粒級配分析得到：粒徑相對比較均勻，主要集中在0.25～0.75 mm之間，根據級配曲線圖得到其中值粒徑d50＝0.55 mm，通過量筒法測得模型沙的容重為14.39 kN/m3，根據多個起動流速計算公式[25]得到模型沙臨界起動流速Vc＝0.2 m/s。

試驗采用管徑為1 cm的空心光滑有機玻璃管作為模擬管道，試驗前采用強力膠水將模擬管道兩端固定在水槽邊壁上，管道軸向與水流方向垂直，管道中心距水槽底6 cm，管頂覆沙1.5 cm，模擬管道位于試驗段中部。

1.4 試驗工況和流程

水下穿越管道沖刷是河流、河床和管道三者之間的動力耦合作用問題，國內外學者對河床演變過程的研究表明，影響沖刷特性的因素較多，相互關系較為復雜，主要受床沙組成、管道尺寸、水動力等因素的影響，由于河流水量隨季節(jié)變化較大，水動力特性復雜，因此主要研究水動力條件對穿越管道附近河床演變特性的影響。

為研究不同流速和水深對水下穿越管道局部沖刷的影響，試驗共設計9個組別，3組流量和3組流速對應9組水深（表3）。流量分別為4.05 L/s、5.40 L/s和 6.75 L/s，比值為 0.75∶1.00∶1.25，考慮到水流對河床的沖刷，選擇3種不同流速，即0.25 m/s、0.30 m/s和 0.40 m/s，分別為起動流速的 1.25 倍、1.50倍和2.00倍。由于在水流沖刷過程中河床不斷下切，流速和水深隨河床演變而發(fā)生變化，因此試驗工況中設計的流速和水深為河床沖刷前的試驗流速和下游水深，分別對應圖1中所示的v1和h2。

表2 模型沙顆粒級配表

表3 試驗因素水平表

試驗工況確定后開始試驗實施階段，試驗前根據試驗段布置尺寸，采用自然沉降法進行模型沙鋪設，鋪沙厚度為8 cm，試驗段鋪設完成后，關閉水槽尾門，利用管徑為1.5 cm的自來水管向水槽頭部注水，水深h2達到15 cm后停止注水，靜置24 h，待模型沙充分飽和后開始試驗。打開閥門，啟動水泵，緩慢調節(jié)閥門至設計流量（流量通過梯形堰計算公式和上游水深h1確定），然后緩慢打開尾門，調節(jié)水槽水深h2至設計水位，開始計時。采用高清數碼攝像機記錄水下穿越管道附近河床演變的物理過程，根據沖刷過程選取特征時間節(jié)點，記錄沖刷時間，拍攝沖蝕剖面，利用探針逐點測量河床表面的位置坐標和高程（網格1 cm×1 cm，管道附近0.5 cm×0.5 cm），當達到刷沖平衡后，完成最后一次數據采集，試驗結束。

2 試驗結果分析

2.1 穿越管道局部沖刷過程

通過試驗觀察發(fā)現，9個組別的管道局部沖刷過程基本相似，但是由于在水流作用下沙粒的起動具有一定的隨機性，除了與水動力條件有關之外，還與沙粒顆粒形狀、位置等因素有關。因此，對于穿越管道局部沖刷過程只能通過觀察定性分析，一般可分為：河床下切、管道暴露、微孔形成、沖坑擴展、管道懸空和沖刷平衡6個階段，河床演變幾何形態(tài)和沖刷特征如表4所示，部分河床演變沖蝕剖面見圖4。

2.2 沖刷機理分析

水下穿越管道沖刷機理的研究本質就是分析沖刷過程中水動力條件、沙粒特性和管道位置等影響因素之間的相互關系，探究引起局部沖刷的主要因素。國內外學者對此也提出了不同的觀點：Lai[26]認為由于水流在管道附近形成渦流，管道兩側流速不同，較大的水壓力差導致管底出現滲流，從而引起沖刷現象產生；Mao[27]認為水流作用下管道附近的渦流是引起局部沖刷的主要因素。

水下穿越管道附近沖刷機理如圖5所示，當河床下切至管道暴露后，由于管道的存在，導致管周流場發(fā)生改變，水流在管道附近形成漩渦，管道上游順時針渦流產生上舉力（FL），將沙粒帶入水流中，同時FL與水流產生的拖曳力（FD）形成斜向上的合力（F），將沙粒輸送至管道下游，管道下游形成的渦流繼續(xù)將沙粒向下游輸送。隨著管周沙粒背離管道遷移，導致A區(qū)沙粒不斷積累，形成河床局部隆起，B區(qū)沙粒不斷減少，沙粒與管道的接觸面（S）逐漸減少。由于管道上游渦流運動劇烈，前后較大動水壓力差導致管底出現滲流，當S減小至某一值時，作用在沙粒上的滲透力大于浮重力，水流將沙粒帶走，從而出現管涌現象，管底微孔形成，局部沖刷由此開始。因此，導致水下穿越管道產生局部沖刷的原因有渦流和滲流兩方面，管道暴露前渦流使管周沙粒減少，管道暴露后渦流和滲流共同作用使管底出現微孔，從而形成局部沖刷。

表4 河床演變的形態(tài)和特征

圖4 部分河床演變沖蝕剖面圖

圖5 管周沖刷機理示意圖

2.3 水動力條件對管道局部沖刷的影響

通過上述沖刷機理分析可知，水動力條件、沙粒特性和管道位置均是影響管道局部沖刷的影響因素，根據試驗代表不同工況設計，主要分析水動力條件對水下穿越管道局部沖刷的影響。即使在同一工況下，不同河床剖面的演變形態(tài)也不同，因此，選取水槽其中一側壁面作為研究的河床特征剖面。根據高清攝像機記錄的管道附近河床演變的物理過程，取管道附近20 cm×5 cm矩形窗口，繪制出不同工況下不同沖刷階段對應的河床幾何形態(tài)，如圖6所示，圖6中t1、t2和t3分別表示管道暴露、管道懸空和沖刷平衡3個不同階段歷時。

圖6 不同工況下河床演變示意圖（網格：15 cm×5 cm）

試驗觀察發(fā)現，水下穿越管道附近河床演變規(guī)律基本相似，均經歷了河床下切、管道暴露、微孔形成、沖坑擴展、管道懸空和沖刷平衡6個階段，其中試驗開始至管道暴露階段平均歷時1 263 min，管道暴露階段至管道懸空階段平均歷時332 min，管道懸空階段至沖刷平衡階段平均歷時513 min。對比圖6可以發(fā)現，在同一流量情況下，流速越大，達到沖刷平衡所需時間越短；在同一流速條件下，水深越淺，達到沖刷平衡用時也越短，工況C達到各階段的歷時最短，工況G達到各階段的歷時最長。其次，對比特征剖面各階段的河床線發(fā)現，各工況下管道暴露階段的河床線基本一致；但不同工況下管道懸空階段的河床線出現較大差異，隨著流速的增大，河床線起伏逐漸變緩，管道下游局部隆起向下游遷移，同時隆起高度逐漸降低；達到沖刷平衡階段時，不同工況對應的河床線出現明顯差異，同一流量情況下，河床線起伏隨著流速的增大逐漸變緩，同一流速條件下，管底最大沖刷深度隨水深的減小而增大。

圖7為A、B、C工況下達到沖刷平衡時的河床地形圖，可以看出，3種工況下管底均出現有局部沖刷現象，管底沖刷是由多個沖坑沿管軸方向逐漸擴展而成，沖坑深度不一，并且管道上游河床高程高于管道下游河床。管道下游河床出現局部隆起，這是由于管底水流剪切應力大于管道下游水流剪切應力，使得管底沙粒被輸送至下游后，未能在水流作用下繼續(xù)向下游運動，在管道下游處出現積累，從而出現河床下游局部隆起。工況A條件下河床地形起伏較大，河床整體下切深度較小，工況B次之，工況C條件下河床地形起伏較緩，河床整體下切深度較大，比較發(fā)現，弗勞德數FrA＜FrB＜FrC，說明水流越急，河床整體下切深度越大，河床地形越平坦。

通過上述對比分析發(fā)現，流速和水深共同影響河床各階段沖刷歷時和管底最大沖刷深度，Fr則是反應水流緩急程度的一個無量綱參數，可以同時體現流速和水深共同影響的關系。通過計算公式得知各工況對應的Fr介于0.306～0.808，繪制出最大沖刷深度、達到沖刷平衡歷時（T）與Fr之間關系圖，如圖8所示，其中最大沖刷深度（hm）為沖刷平衡時管道中心距床面的豎向距離。

從圖8可以看出，隨著Fr增大，hm也隨之增大，擬合兩者關系得到：hm＝2.18Fr＋1.2，擬合度R2＝0.983，Fr與hm之間呈線性正相關，且hm介于1.3～ 2.4 cm，為管徑的0.9～1.6倍；其次，隨著Fr的增大，T隨之減小，擬合兩者關系得到：T＝－26 100Fr3＋45 620Fr2－26 782Fr＋7 267，擬合度R2＝0.975，Fr與T之間呈非線性負相關，且T介于1 650～2 620 min。因此，當Fr介于0.306～0.808時，Fr越大，水流越急，導致hm，T越小。

圖7 A、B、C工況下沖刷平衡時河床地形圖

圖8 hm、T與Fr之間的關系圖

3 結論

1）對于水下穿越管道而言，當水流為緩流時，管道附近河床演變過程可分為：河床下切、管道暴露、微孔形成、沖坑擴展、管道懸空和沖刷平衡6個階段。

2）導致水下穿越管道產生局部沖刷的原因有渦流和滲流兩個方面，管道暴露前渦流使管周沙粒減少，管道暴露后渦流和滲流共同作用使管底出現微孔，從而形成局部沖刷。

3）流速和水深共同影響河床各階段沖刷歷時和管底最大沖刷深度，當弗勞德數介于0.306～0.808時，弗勞德數越大，水流越急，管底最大沖刷深度越大，達到沖刷平衡歷時越少，河床整體下切深度越大，河床地形平坦，且管底最大沖刷深度介于1.8～2.9 cm，為管徑的0.9～1.6倍，達到沖刷平衡歷時介于1 650 ～ 2 620 min。