粘性海床管道沖刷、自埋和安全評估.pdf

1、使用雙頻側(cè)掃聲納系統(tǒng)、淺地層剖面儀和相干聲納測深系統(tǒng)對東方1-1海底輸氣管道進(jìn)行了綜合調(diào)查，發(fā)現(xiàn)了百余個(gè)管下沖刷坑，這些沖坑已造成管道懸跨，嚴(yán)重威脅管道的安全。 通過對東方1-1海底管道的實(shí)測資料分析，結(jié)合物理模型試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算方法，研究粘性海床管道周圍沖刷機(jī)理，預(yù)測正常天氣條件下平衡沖刷深度；研究管道自埋機(jī)理，討論管道周圍海底沖刷與管道自埋的關(guān)系；探討管道周圍底形演變過程對管道受力的影響；估算管道允許最大懸跨長度，評估管道的安

2、全性；提出管道維護(hù)措施。 依據(jù)實(shí)測管道周圍海床的沖刷特征，將粘性海床管道周圍沖刷分為管側(cè)沖刷和管下沖刷兩種，這兩種沖刷現(xiàn)象分別是在常態(tài)水動力條件和臺風(fēng)條件下形成的。研究區(qū)潮流可導(dǎo)致管道兩側(cè)海底沖刷(管側(cè)沖刷)，最大沖刷深度與前人提出的砂質(zhì)底床管道周圍最大沖刷深度吻合。海底沖刷過程中泥沙運(yùn)動形式主要為懸移質(zhì)，而較粗的顆粒滯留海底，從而使管道周圍底質(zhì)不斷粗化。管道下方存在許多大規(guī)模沖刷坑(管下沖刷)，臺風(fēng)是管下沖坑的主要?jiǎng)恿C(jī)制。

3、 雖然管道兩側(cè)沖刷與管下沖刷的機(jī)理不同，但二者之間是有聯(lián)系的。管下沖刷坑的發(fā)展過程可分為四個(gè)階段：泥沙起動階段、水流隧道發(fā)育階段、快速掏空階段和掏空平衡階段。管道兩側(cè)沖刷是管下沖刷的第一個(gè)階段，為管下沖刷創(chuàng)造了條件，但常態(tài)水動力作用下管道周圍海底沖刷只能停留在該階段，只有在臺風(fēng)作用下，且管側(cè)沖刷的累積作用達(dá)到管涌所需要的條件之后才會出現(xiàn)管下沖刷現(xiàn)象。 DF1-1深水區(qū)(水深＞37m)管道自埋機(jī)理主要有重力下沉和沖刷自埋兩

4、種，管道自埋深度為重力下沉深度和沖刷自埋深度之和，其中沖刷自埋深度與管側(cè)沖刷深度具有相同的規(guī)律。常態(tài)水動力造成的管側(cè)沖刷可導(dǎo)致管道自埋，從而可減小臺風(fēng)引起的管下沖坑長度和管道懸跨長度，可能對管道具有保護(hù)作用。 管側(cè)沖刷既可導(dǎo)致管道自埋抑制管下沖刷，又可為管涌創(chuàng)造條件促進(jìn)管下沖刷，具體哪種作用占主導(dǎo)取決于管道自埋速率、臺風(fēng)發(fā)生頻率及臺風(fēng)強(qiáng)度。在DF1-1管道鋪設(shè)完成之后的早期階段管側(cè)沖刷以導(dǎo)致管道自埋抑制管下沖刷為主，后期階段管側(cè)

5、沖刷以促進(jìn)管下沖刷為主。 物理模型試驗(yàn)結(jié)果表明，在不同水動力條件、底質(zhì)條件和管道初始埋藏深度條件下，管道周圍海床演變過程表現(xiàn)出不同規(guī)律，主要分為四種類型：(J)無沖刷；(Ⅱ)無沙紋的沖刷；(Ⅲ)不受沙紋影響的沖刷；(Ⅳ)受沙紋影響的沖刷。若沙波規(guī)模相對管道暴露部分較小，管道周圍水流足以破壞管道前方沙紋的結(jié)構(gòu)，被破壞后的沙粒從管下通過，因此小沙紋或沙波的活動性對沖刷過程幾乎無影響。如果沙波規(guī)模相對管道暴露部分較大，管道周圍水流不能

6、夠破壞管道前方沙紋的結(jié)構(gòu)，管道被活動沙紋周期性埋藏。 不同的海床演變過程對管道所受波浪力的影響不同。在相同水動力作用下，類型Ⅰ中管道在沖刷過程中受力比較穩(wěn)定；類型Ⅱ與Ⅲ中管道在沖刷啟動(管涌)階段受力較大，然后逐漸減小，并很快達(dá)到穩(wěn)定值；類型Ⅳ中管道受力狀態(tài)受沙紋活動性的影響很大。 為減小管道所受波浪力，不同類型海床上的管道需要不同的埋設(shè)深度。粉砂底床上半埋管道比裸置管道受力小很多，但砂質(zhì)底床上二者相差不大，而對于第四種

7、沖刷類型來說，活動沙波對管道受力的影響很大，半埋管道所受波浪力甚至比裸置管道受力大(浮動性也大)，故在砂質(zhì)海床上鋪設(shè)管道時(shí)應(yīng)將管道埋至沙波活動層之下。 分別從靜態(tài)情況下管道彎曲變形和避免渦激共振的角度估算管道的極限懸跨長度。計(jì)算結(jié)果表明，靜態(tài)條件下管道極限懸跨長度為56m，跨長超過該值時(shí)管道將會彎曲變形。為避免渦激振動，使用最高安全系數(shù)計(jì)算出常態(tài)水動力條件下的管道極限懸跨長度為30m；百年重現(xiàn)期臺風(fēng)條件下極限懸跨長度為20m，為

8、保障管道安全建議消除長度大于20m的懸跨。小間距連續(xù)懸跨對管道的安全威脅很大，共發(fā)現(xiàn)8處連續(xù)懸跨點(diǎn)。安全隱患最大的管段主要集中在KP42-KP51之間。建議在CEP-KP42之間嘗試“人工草”防護(hù)方法預(yù)防小間距連續(xù)懸跨的出現(xiàn)；KP42-KP51之間應(yīng)該重新挖溝，將管道埋設(shè)，消除懸跨。 本文研究成果的創(chuàng)新性主要體現(xiàn)在： 1)依據(jù)實(shí)測管道周圍海床的沖刷特征結(jié)合物理模擬試驗(yàn)，研究粘性海床管道周圍沖刷機(jī)理和沖刷過程。研究表明，粘

9、性海床管道周圍沖刷分為管側(cè)沖刷和管下沖刷兩種類型，常態(tài)水動力造成的管側(cè)沖刷為臺風(fēng)造成的管下沖刷所需要的管涌創(chuàng)造了條件，而臺風(fēng)對管側(cè)沖刷又起到加強(qiáng)作用。將兩種沖刷現(xiàn)象及其動力機(jī)制區(qū)別而又聯(lián)系起來，更符合實(shí)際現(xiàn)場情況。 2)研究常態(tài)水動力的雙重作用，一方面可導(dǎo)致管道自埋阻礙管下沖刷，另一方面又可為管涌創(chuàng)造條件促進(jìn)管下沖刷。管側(cè)沖刷在DF1-1管道鋪設(shè)完成之后的不同時(shí)期昕起的作用不同：早期階段管側(cè)沖刷以導(dǎo)致管道自埋抑制管下沖刷為主，后

10、期階段管側(cè)沖刷以促進(jìn)管下沖刷為主。這對鋪設(shè)于粘性海床上的管道維護(hù)具有重要參考價(jià)值。 3)將管道周圍海床演變類型分為四種類型，研究不同海床演變類型在沖刷過程中對管道受力的影響。管道周圍海床演變類型有： (Ⅰ)無沖刷； (Ⅱ)無沙波的沖刷； (Ⅲ)不受沙波影響的沖刷； (Ⅳ)受沙波影響的沖刷。 類型Ⅰ中管道受力在沖刷過程中比較穩(wěn)定；類型Ⅱ與Ⅲ中管道受力在沖刷啟動階段較大，在沖刷初始階段逐漸減小