臺風(fēng)對春曉氣田群海底管道安全的影響研究

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(1.國家海洋局第二海洋研究所 工程海洋學(xué)研究中心,杭州 310012;2.上海海洋石油局第一海洋地質(zhì)調(diào)查大隊,上海 201208)

海底管道所處的海洋環(huán)境異常復(fù)雜，海底地震、活動斷層、海底淺層氣、海底滑坡及強潮流等均可對其安全性產(chǎn)生影響。風(fēng)暴是近海及海岸發(fā)生短期災(zāi)變的重要動力因子，在全球氣候變暖的大背景下，臺風(fēng)將會更加頻繁。國外學(xué)者對臺風(fēng)引起海床沖刷及對海底管道安全影響的研究相對較多[1-3]。中國石油化工集團上海海洋石油局第一海洋地質(zhì)調(diào)查大隊綜合使用側(cè)掃聲吶、淺地層剖面儀、磁力儀等物探手段于2006～2009年連續(xù)4年對春曉氣田群海底管道進行檢測。其中的2006年、2009年檢測結(jié)果都表明管道基本處于安全狀態(tài)，而獨有2007年夏季過后對近岸段的檢測顯示，KP287.666～KP301.906段出現(xiàn)多處險情，甚至包括2處管道懸空段。

1 工程區(qū)自然環(huán)境概況

1.1 地形地貌

春曉氣田群海底管道位于浙江岸外東海陸架海域，路由區(qū)海底地形西北高，東南低，整個海底向SE方向緩緩傾斜，最大水深109 m。全區(qū)海底地形基本平坦，無劇烈波狀起伏或陡坎，平均坡度0.3×10-3。自陸向海發(fā)育著潮汐通道、水下岸坡、梳狀沙脊及陸架中部海底平坦區(qū)[4]。

本文所關(guān)注的KP287.666～KP301.906段水深在11～15 m之間，牛鼻山水道外緣，屬于大陸架水下岸坡段，地形復(fù)雜，水動力環(huán)境受局部地形影響較大，是在全新世海侵過程中由沿岸水動力(橫向和縱向)作用下，逐步堆積而成的[5]。區(qū)內(nèi)以堆積地貌為主，陸源物質(zhì)豐富，海底沉積物多為全新世以來沿岸河流所挾帶的泥沙入海沉積，主要為粘土質(zhì)粉砂、粉砂質(zhì)粘土及沙-粉砂-粘土等類型。

1.2 海洋水文

根據(jù)實測資料，管道區(qū)潮流為典型的不規(guī)則半日潮潮流。近岸處，一般落潮流歷時均長于漲潮流歷時約1 h左右，平均狀況下，落潮流歷時約6～7 h，漲潮流歷時約5～6 h，最大可相差2 h多。從流速量值來看，漲潮流速略大于落潮流速。潮流運動形式，近岸處受岸線以及潮汐通道等地形制約，呈典型的往復(fù)流運動。外海區(qū)(牛鼻山水道以外)由于地形相對開闊，表現(xiàn)為旋轉(zhuǎn)流。本文所關(guān)注區(qū)域因為處于潮汐通道口，潮流流速較大，且受臺風(fēng)影響比較明顯。實測底層最大流速為96 cm/s，底層余流流速為2.2 cm/s。

總體上，海底管道所在區(qū)域以風(fēng)成浪為主，對臺風(fēng)比較敏感，而不受風(fēng)區(qū)外傳入的涌浪控制；臺風(fēng)天氣下波高成倍增大，且對風(fēng)況變化的響應(yīng)是迅即的。

1.3 海底底質(zhì)

春曉氣田群海底管道所在區(qū)域底質(zhì)大致分為粘質(zhì)土、粉質(zhì)土、砂質(zhì)土三類，空間分布見圖1，其近岸段為粘質(zhì)土，外海為砂質(zhì)土，粉質(zhì)土主要在KP150附近海區(qū)以夾層出現(xiàn)。 2007年檢測出現(xiàn)管道懸空的海域，底質(zhì)以粘質(zhì)土為主，主要由粉砂和粘土組成，其中粘土略占優(yōu)勢，并伴有少量貝殼碎片，粒徑在0.005～0.075 mm之間。浙江東部入海河流挾帶的泥沙及眾多島嶼和沿海山地被侵蝕沖刷的物質(zhì)在浙閩沿岸流及臺灣暖流影響下進入該區(qū)域沉積，同時，長江輸出的細粒物質(zhì)向南擴散，也搬運至此[6]。

圖1 春曉氣田群海底管道路由區(qū)底質(zhì)分帶

2 管道檢測結(jié)果及分析

多年海圖比對結(jié)果顯示，近岸的KP220～KP340段總體處于時沖時淤的動態(tài)平衡，沖淤幅度為-0.4～1.0 m，最大可達-1.0～2.0 m。

第一海洋地質(zhì)調(diào)查大隊于2006年12月對春曉氣田群海底管道近岸段的KP300～KP345段綜合利用多種物探手段進行了全面的檢測。檢測結(jié)果顯示，該段無強烈沖刷痕跡，絕大部分管道處掩埋狀態(tài)。僅KP300～KP301.78區(qū)段呈裸露狀態(tài)，并有一處臨界懸空段。雖然2006年0601號臺風(fēng)桑美、0604號臺風(fēng)碧利斯、0608號臺風(fēng)珍珠對該區(qū)域有所影響，但因為處于臺風(fēng)邊緣，實際所能造成的沖刷作用強度較小。

2007年0713號臺風(fēng)韋帕與0716號臺風(fēng)羅莎對浙江沿海海域影響較大，尤其是羅莎，其臺風(fēng)中心直接穿越浙江近海海域，即管道所在區(qū)域。2007年臺風(fēng)季后，原本掩埋的管道，多處出現(xiàn)裸露，而原本裸露的管道甚至出現(xiàn)了臨界懸空和懸空段。圖2是2002年在牛鼻山水道設(shè)置的一個ADCP站點測得的0205號臺風(fēng)威馬遜過境期間該位置底層流速實測圖。

明顯可以看到，在臺風(fēng)過境的2002年3月5日及前后時間，路由近岸段區(qū)域水流流速值劇增，而底切應(yīng)力的大小與流速的平方成正比，由此判斷底切應(yīng)力值在此時也隨之劇增。尤其是在潮汐通道及其附近地帶，臺風(fēng)會造成沿岸的增減水，此

圖2 2002年3月威馬遜臺風(fēng)期間實測底層流速

時，大量海水短時間通過潮汐通道涌入涌出，改變原有的水動力條件，使沖淤平衡在短時間內(nèi)打破。

圖3是2007年檢測到的懸空管道淺地層剖面圖。當大面積的區(qū)域沖刷進行到一定程度，管道底部就會出現(xiàn)過水通道，在水流的持續(xù)沖刷下，懸空管道的懸空高度和懸跨長度越來越大，甚至?xí)斐晒艿赖臄嗔选?/p>

圖3 懸空管道淺剖圖(KP301.806)

經(jīng)過近兩年的恢復(fù)，2009年10月的檢測結(jié)果顯示該區(qū)域沖淤逐漸達到平衡，總體上，管道上方較2007年都有不同程度的淤積，盡管存在4段，共計7 506 m的裸露管道，但是懸空和臨界懸空管道已不存在，管道基本處于安全狀態(tài)。

不同年份KP298.925～KP300.922段的管道賦存情況見表1。

表1 KP298.925～KP300.922管道賦存情況對比

注：埋深為負值代表管道頂部高于海底底床床面。

可以看出，該區(qū)域在2006～2009年4年中的沖淤變化以及管道所經(jīng)歷的安危轉(zhuǎn)化。

2006年12月平均埋深為-42 cm，2007年12月平均埋深為-84.75 cm，2009年10月平均埋深為58.9 cm。

假定沖刷全部發(fā)生在臺風(fēng)期間，那么2007年夏季臺風(fēng)對KP298.925～KP300.922段造成了平均約為43 cm的沖刷，而在2007年12月到2009年10月的近兩年時間中，由于臺風(fēng)對該區(qū)域的影響較小，該段管道區(qū)域海床有平均約為144 cm的淤積量。KP300附近海床長期處于動態(tài)平衡中，底質(zhì)為尚未固結(jié)的粘質(zhì)土，所以臨界啟動流速較低，且水深較淺，風(fēng)浪對底部剪切應(yīng)力的影響很大。另外，其南面為韭山列島，與北面的舟山島、大尖倉島等一系列大小島嶼形成了一個過水通道，當臺風(fēng)作用時，受南北島嶼地形的制約，流速增幅較大。這些因素都為KP300附近段管道的沖刷提供了條件。

3 波流聯(lián)合作用下的底切應(yīng)力及底床沖刷分析

波浪掀沙，水流輸沙。波浪、水流與底床三者之間的相互作用是近海環(huán)境中十分普遍的現(xiàn)象。風(fēng)暴引起強浪、強流所造成的劇烈沖刷，究其原因，不外乎兩點：①床底剪切應(yīng)力變大，使得大量的海底底質(zhì)被掀起，混合在水體中；②紊動的水體使自身挾沙能力加強，強水流和強挾沙能力使得短時間內(nèi)大量泥沙的外運成為可能。

波流動力因素與底床的相互作用是通過界面處剪應(yīng)力和壓力傳遞的，剪應(yīng)力與波流邊界層內(nèi)部結(jié)構(gòu)直接相關(guān)，壓力滿足Poisson方程，是整個流場的函數(shù)。因而建立一個可統(tǒng)一求波流相互作用下內(nèi)、外部要素的理論模型，是解決波浪、水流與底床三者相互作用問題的關(guān)鍵。然而，這一過程十分復(fù)雜，目前沒有理想的統(tǒng)一模型。盡管如此，大量學(xué)者對波流耦合作用下床底剪切應(yīng)力這一要素做了研究，建立起各種模型,甚至包括一些考慮底床粗化和考慮底質(zhì)移動的高級模型。

Wijesekera等[7]選取Christoffersen 和Jonsson[8]的定床水平海底床面剪切應(yīng)力計算模型，利用在墨西哥灣水深60 m和90 m處布置的6個波浪和水流數(shù)據(jù)采集裝置在Ivan臺風(fēng)過境前后采集到的數(shù)據(jù)，分析計算了極端條件時，波流聯(lián)合作用下的海床底部剪切應(yīng)力。計算結(jié)果表明，臺風(fēng)作用下，底切應(yīng)力與風(fēng)速高度相關(guān)，其值最大可達風(fēng)切應(yīng)力的40%。且風(fēng)引起的巨浪在海底產(chǎn)生的振蕩流對底切應(yīng)力占主導(dǎo)作用，平均為流單獨作用時的4倍。當風(fēng)速從10 m/s增加到50 m/s時，底切應(yīng)力增大了驚人的兩個數(shù)量級。當風(fēng)速小于8 m/s時，波浪對底切應(yīng)力的影響并不明顯。William等[9]通過實測數(shù)據(jù)，推算了在Ivan的影響下，墨西哥灣大陸架35 km×15 km的區(qū)域被沖走1億m3的沉積物。在離岸17 km，水深60 m的測站，最大沖刷深度為36 cm。

由于春曉氣田群海底管道KP300附近地處潮汐通道口門區(qū)域，當臺風(fēng)暴來襲時，必然引起強水流。受地形制約，流和風(fēng)浪大致在同一方向，此時，床底剪切應(yīng)力將急劇增大，大量泥沙被掀起。又因為該區(qū)相對離岸較遠，沉積物得不到及時補充，泥沙的沉積量遠不能抵消極端條件下被沖刷的量，從而導(dǎo)致區(qū)域性劇烈沖刷，造成管道的裸露甚至懸空，危害其安全。

4 結(jié)論

本文認為，2007年夏季的臺風(fēng)韋帕、羅莎所引起的強臺風(fēng)暴流是引起春曉氣田群海底管道局部裸露、懸空的主要原因。

在濱岸和淺海區(qū)域，水體內(nèi)一次高能量突發(fā)事件，如臺風(fēng)、颶風(fēng)、風(fēng)暴潮或地震海嘯等，可以沖毀長時間正常天氣條件下形成的沉積。正如本文所論述的，春曉氣田群海底管道近岸段在2007年臺風(fēng)韋帕、羅莎的影響下，原來的沖淤動態(tài)平衡被打破，導(dǎo)致短時間內(nèi)劇烈的局部沖刷，致使該段管道出現(xiàn)了臨界懸空，懸空等危險狀況。臺風(fēng)把能量傳遞給水體，通過改變底床切應(yīng)力和水體的挾沙能力使得短時間內(nèi)的劇烈沖刷變?yōu)榭赡堋?/p>

在淺海區(qū)，海底地形和海岸形狀是浪潮流等海洋動力過程的重要邊界條件，各要素相互作用，相互影響。在非常規(guī)條件下，平衡被打破，某一要素被迫發(fā)生改變，那么當外部條件恢復(fù)常規(guī)時，其它各要素會迫使這一要素恢復(fù)原先的狀態(tài)，以達到平衡。在這里，在風(fēng)暴中被沖刷的區(qū)域，在之后將向著淤積的方向發(fā)展。這也就是在2009年的檢測中，近岸段管道所在區(qū)域較2007年都有所淤積，管道處于安全狀態(tài)的原因。

臺風(fēng)暴流對海底管線安全的影響是個十分復(fù)雜的過程，除對其進行理論分析外。尚需結(jié)合遠場、近場采用物模和數(shù)模手段來綜合分析。有待在以后的工作中作更深入的研究。

5 致謝

感謝中國石油化工集團上海海洋石油局第一海洋地質(zhì)調(diào)查大隊提供多年春曉氣田群海底管道檢測數(shù)據(jù)。

[1] THOMSON. Sonar surveys for pipeline inspection show extent of pipeline displacement and seafloor instability following Hurricane Ivan[C]∥Offshore Technology Conference.2005:OTC17738.

[2] 李陸平,孔祥德,廖啟煜.風(fēng)暴浪對埕島油田海域海底沖刷的影響[J].海岸工程,1996,15(2):1-8.

[3] 董志華,曹立華,薛榮俊.臺風(fēng)對北部灣南部海底地形地貌及海底管道的影響[J].海洋技術(shù),2004,23(2):24-28.

[4] 陳小玲.春曉氣田群海底管道穩(wěn)定性分析[D].杭州：浙江大學(xué),2004.

[5] 朱永其,曾成開,馮 韻.東海陸架地貌特征[J].東海海洋,1984,2(2):1-13.

[6] 王寶來.東海中部三萬年以來的沉積環(huán)境[J].海洋地質(zhì)與第四紀地質(zhì),1988,8(1):55-63.

[7] HEMANTHA W WIJESEKERA, DAVID W WANG, WILLIAM J,et al. High sea-floor stress induced by extreme hurricane waves[J].Geophysical Research Letters, 2010,37: L11604.

[8] CHRISTOFFERSEN J B, JONSSON I C.Bed friction and dissipation in a combined current and wave motion[J]. Ocean Engineering, 1985, 12:387-423.

[9] WILLIAM J,TEAGUE,EWA JAROSZ,et al. Bottom scour observed under Hurricane Ivan[J]. Geophysical Research Letters,2006,33: L07607.