冀東油田 4 號構造波浪動床物理模型試驗

李順利， 楊 嬌

1.中國石油冀東油田公司,河北唐山 063004

2.中國石油天然氣管道局五公司，河北任丘 062550

冀東油田 4 號構造波浪動床物理模型試驗

李順利1， 楊 嬌2

1.中國石油冀東油田公司,河北唐山 063004

2.中國石油天然氣管道局五公司，河北任丘 062550

建立了冀東油田 4 號構造波浪動床物理模型，模型比尺關系同時滿足潮流相似和波浪相似要求；研究了 4 號構造建成后波浪作用（適當考慮潮流作用）下人工島前岸灘的沖淤情況，以及波浪作用下人工島前的局部沖刷問題。試驗結果表明，冀東油田 4 號構造所在的西坑坨島南側岸灘潮流動力作用相對較弱，波浪作用是影響 4 號構造岸灘穩定的主要動力。建議 4-1 人工島南側和引堤前岸灘的底床防護范圍為 50 ～ 60 m，人工島南岸線東西兩端防護范圍適當增加。

物理模型；波浪；流速；流態

0 引 言

冀東油田位于唐山曹妃甸工業區附近，部分油田位于近岸淺水區。為滿足 4 號構造油藏開發需要，在西坑坨及其北側高灘分別布置 4-1、4-2 人工島及進島通道。4-1 人工島平面尺寸為 624 m × 487 m，4-2 人工島平面尺寸為 737 m × 400 m。人工島整體上呈近似橢圓形布置，其長軸線盡可能與水流流向平行，以盡量減小與潮流流向的夾角。連接兩人工島的路堤設計長度2.67 km、堤頂寬 19 m。2號碼頭采用離岸圓沉箱墩式結構，碼頭平臺總長 480 m，通過長 583 m 的鋼引橋與陸上罐區相連，為防止鋼引橋受到船舶的意外撞擊，在引橋港池側外圍設有系泊浮筒式防撞設施，總體布置見圖1。

在已完成的潮流整體物理模型試驗中[1-2]，由于容納的范圍較大，受試驗水池尺度的限制，取水平比尺為 720，變率為 6，在這樣的模型尺度下難以對人工島局部地形變化進行研究。從現場水文、泥沙等資料分析以及潮流整體物理模型試驗結果[1-2]可知，由于 4 號構造 4-1、4-2人工島前岸灘水深較淺，漲落潮流速相對較小，潮流不是影響岸灘穩定的主要動力因素。4-1人工島靠近外海，來自外海的風浪和涌浪都可能影響人工島前岸灘。為了研究 4 號構造建成后在波浪作用（適當考慮潮流作用）下人工島前岸灘的沖淤情況，以及波浪作用下人工島前的局部沖刷問題，開展了冀東油田 4 號構造波浪動床物理模型試驗，研究人工島在波浪作用下的穩定性，為冀東油田 4 號構造開發提供科學依據。在考慮模型比尺關系時，應同時滿足潮流相似和波浪相似（包括波浪近岸傳播變形相似、破碎波相似和波浪輸沙相似）要求。

圖1 冀東油田4號構造波平面布置

1 波浪動床物理模型設計

1.1 波浪動床模型相似要求

（1）波浪運動相似。為了滿足波浪相似條件，模型應做成正態模型；然而，在很多情況下，尤其是整體物理模型中，由于模型場地的限制以及選沙的需要，模型往往需要做成變態模型。通常的方法是波高比尺及波長比尺均取水深比尺，這樣原型、模型的波陡不變，但模型試驗波長相對于原型變長，因而模型繞射系數偏大[3-4]。

（2）波浪條件下泥沙運動相似。雖然波浪和水流條件下輸沙連續方程和床面變形方程是一致的，由此所得的回淤時間相似關系和沉降部位相似關系形式上相同，但兩者存在水動力學機制和能量損耗過程的差別，特別是破波區波浪動力特征與一般水流情況的差別較大，必導致泥沙運動規律上的差異，進而影響比尺關系[3-4]。本項目重點研究近岸區，特別是破波區岸灘的沖淤變化，因此需要保證波浪條件下岸灘破波區附近水域泥沙運動相似要求。

1.2 模型比尺及模型沙選擇

根據場地條件、模型相似要求及前期工作成果，經過綜合考慮各方面因素，確定模型水平比尺λl＝350。另外，從水流角度考慮，為滿足模型與原型流態相似，需要做成變態模型，但是垂直比尺如果太大，而模型中水深相對較淺，水流阻力和波浪阻力都會很大，難以滿足試驗相似性要求，因此，根據垂直比尺的要求及以往試驗工作的經驗，為了滿足波浪相似要求，選擇模型垂直比尺λh= 100，變率為 3.5。

根據現場底沙特性，通過水槽試驗和參考以往類似試驗研究經驗，選擇顆粒容密度γs=1.35 g/cm3精制煤粉作為模型沙，其干容密度γo= 0.7 g/cm3。算得泥沙粒徑比尺分別為 0.78 和 0.95，現場底沙中值粒徑d50取0.182 mm，則模型沙中值粒徑d50范圍為 0.19 ～ 0.23 mm，模型中最后選用d50= 0.18 mm 的煤粉，能夠滿足起動相似并兼顧懸浮相似。

1.3 模型布置及潮、波控制系統

物理模型試驗場地范圍為 35 m×15 m，潮、波控制系統主要分生波系統、潮汐系統及量測系統。根據冀東油田海域潮流特點和試驗廳設備情況，生潮系統一端采用變頻雙向可逆泵、另一端采用變頻潛水泵進行調節，分別應用微機對潮位和流量過程進行控制。

由于物理模型同時考慮波浪和潮流作用，生波機的方向要受到水流方向的限制，最后確定模型中生波機波浪方向與水流方向基本一致，波浪方向與 4-1 人工島及西坑坨迎浪面基本垂直，為正向波浪，對 4-1人工島穩定性影響最大，波向為 S 偏 E 30°；生波機可以在 ±5°范圍內調節，按照規范要求，生波機距工程區域 ＞ 10 倍波長。

1.4 物理模型試驗條件

波浪動床模型中研究對象為 4 號構造地區，人工島平面布置形式采用上海航道勘察設計研究院提供的 4 號構造地區布置方案一，人工島南側設置一定長度的引堤和引橋與登陸點碼頭相連。

經過認真分析，采用的試驗水位相應于如下的現場實際水位：平均海平面 1.77 m；平均高潮位 2.52 m；50年一遇高潮位 4.07 m。

模型主要考慮正向波浪作用，波向為 S 偏 E 30°，根據國家海洋環境預報中心分析推算，選取的試驗用 SE 向深水波浪要素相應于如下實際現場數據：2年一遇，H13%= 2.05 m、T=7s；5 年一遇，H13%= 2.76 m、T= 7s；25 年一遇，H13%= 3.7 m、T= 8s；50 年一遇，H13%= 4.05 m，T= 9s。

根據實測資料及潮流整體物理模型試驗成果，4 號構造地區 -5 m 處水域最大流速約為 1 m/s，在考慮波浪潮流共同作用時，模型試驗中潮流最大流速相應的現場實際數據為 1 m/s。

2 驗證試驗

2.1 試驗條件

根據試驗要求，模擬的動床范圍為 2.0 km×1.9 km，包含了人工島和引堤，其中南側動床長度近 1 km，并且保留了足夠距離的過渡段，盡可能減少動床與定床銜接段對試驗的影響，保證動床試驗結果的可靠性。

試驗前將動床范圍內地形挖深，深度相當于原型 5 m，制作成平底。試驗前模擬現狀條件下的地形鋪上模型沙（煤粉），根據相應的試驗條件，在波浪等動力作用后再測量試驗后的地形變化情況。試驗前的模擬地形按照2006 年 3 月地形鋪設，島側和引堤兩側護坡坡度為 1 :2.5，為滿足反射相似，模型中按照正態比尺放置扭王塊石護坡。

2.2 動床試驗地形驗證

泥沙動床試驗成果是否可靠，除了相似理論的理論基礎、多年試驗的成功經驗外，地形資料的驗證是最可靠的依據之一。為此，泥沙試驗前一般都需要進行地形驗證。驗證試驗前預先在動床范圍內按照2006年7月地形鋪上模型沙，分別測量試驗前、后的地形變化情況。測量斷面布置見圖2。

圖2 4 號構造動床物理模型地形測量斷面布置

圖3為模型驗證試驗后2#、3#和 4#斷面地形分布（按相似比放大）與實測斷面地形（包括 2006 年 7 月和2007年現場測量數據）分布比較，大浪的持續時間為 1 d，折算的模型試驗時間為 20 min。試驗后模型斷面也有沖刷形態出現，只是在位置上稍有差別，試驗后地形分布與實測地形沖刷情況基本一致，模型沖淤地形驗證試驗說明，試驗方法能夠達到與現場實際情況相似的要求。

圖3 模型驗證試驗結果與現場實際地形的比較

3 動床試驗成果

4-1 人工島前岸灘地形較高，漲落潮時水流流速較小，水流動力對人工島的影響較小，波浪動力是主要動力，因而在波浪動床模型試驗中一般情況下只考慮不同潮位的波浪作用，不考慮潮流作用，最后選擇典型試驗條件再做一次增加潮流動力的試驗。

現場情況下，水深和波浪大小都對岸灘沖淤有直接影響。人工島建成后，除了考慮波浪作用引起的沖刷外，還要考慮到人工島反射波作用引起的沖刷，兩方面的沖刷作用加在一起才是人工島前岸灘的最終沖刷量。僅從人工島前反射程度看，高水位、適當的波高（傳至島前未破碎的最大波高）引起的沖刷量相對較大。

3.1 不同水位、波浪作用對人工島和引堤穩定性影響

一般情況下，水位越高，波浪對岸灘的沖刷作用越大，由于人工島的存在，即使在 50 年一遇高潮位作用下，50 年一遇大浪對人工島安全的影響程度也不及中等強度浪，從試驗結果看，2年一遇波浪對人工島前岸灘影響相對較大，最不利條件下人工島前最大沖刷深度0.9～1.0 m，沖刷范圍距離人工島 40 ～ 45 m 以內。由于人工島的掩護作用，在正向波浪作用下，人工島北側和東西兩側的岸灘相對比較穩定，可以在人工島兩側靠近南部適當增加防護。同時，大浪條件下，引堤前沖刷程度較大，最大沖刷深度 0.8 ～0.9 m，沖刷范圍距離引堤 35 ～ 40 m以內，應對措施是在引堤堤身采用護坡，另外在堤頭區的底床加強防護。

3.2 引堤長度的影響

為了說明引堤對人工島的影響，又分別進行了無引堤、引堤縮短 70 m 和延長 70 m 幾個方案的動床模型試驗，試驗條件為 50 年一遇高潮位、2 年一遇波浪。

3.2.1 不設置引堤

無引堤情況下，人工島前岸灘沖刷有所增加，人工島前幾個斷面中最大沖刷深度 1.2 ～ 1.3 m，沖刷范圍最遠距離人工島 40 ～ 45 m，與有引堤條件比較，沖刷深度有所加大，沖刷范圍基本上沒有變化。這是由于設置引堤后，一方面減弱了引堤附近的波浪作用，另一方面，引堤能夠阻擋人工島前的沿岸輸沙，使得引堤兩側出現弧狀淤積體，減少了人工島前沿的沖刷。

3.2.2 引堤長度影響比較

在原有引堤長度基礎上，分別對引堤長度縮短和延長70 m 進行了試驗。由于其他試驗條件沒有變化，波浪作用后人工島附近地形沖淤形態沒有變化，但引堤長度不同，人工島前沖淤幅度也有所不 同。

引堤縮短 70 m 后，3#斷面最大沖刷深度 0.8 ～ 0.9m，沖刷最大范圍距離人工島 45 m 左右，引堤加長后，可以看出，人工島前沖刷明顯減小，引堤西側 3#斷面最大沖刷深度 0.4 ～ 0.5 m。引堤前的沖刷情況則相反，引堤越長，引堤前的沖刷越嚴重，去除淤積帶的影響，引堤延長 70 m 后最大凈沖刷深度為 0.9 ～ 1.0 m，引堤縮短70 m 時堤頭附近最大沖刷深度 0.5 ～ 0.6 m。

不同引堤長度試驗結果表明，設置引堤可以減少人工島南側岸線前的沖刷作用，隨引堤長度的增加，人工島前的沖刷也有所減小，但引堤前岸灘的沖刷程度有所增加。

3.3 波浪持續作用下累積沖刷深度

在試驗條件不變的情況下，波浪連續作用足夠時間后，人工島前的岸灘會達到平衡狀態，即使波浪繼續作用，岸灘的沖刷深度也不會繼續增加，這是比較理想的情形，可以不用考慮模型的沖淤時間比尺。試驗過程中，每隔一段時間對波浪持續作用下人工島前的累積沖刷深度進行了測量，直至地形不發生變化（主要的沖刷深度不變）為止。

選取 50 年一遇高潮位、2 年一遇波浪，此條件下人工島前波浪發射作用相對較大，沖刷區明顯。從試驗結果可以看出，試驗后人工島附近岸灘沖淤形態基本不變，從不同角度的照片看，圍繞島身的沖刷－淤積帶清晰可見。在波浪持續作用下，隨沖刷、淤積的不斷發展，最后達到平衡狀態。50 年一遇高潮位、2 年一遇波浪條件下人工島前最大累積沖刷深度為 1.2 m，沖刷范圍距人工島岸線 40 ～ 50 m，引堤前最大沖刷深度 1 m，沖刷區外圍距引堤 50 m。

3.4 S 向浪作用下人工島前沖刷情況

為了全面認識不同方向波浪對岸灘的影響，模型中還進行了常浪向（S 向波浪）作用下動床試驗，試驗水位選取了 50 年一遇水位和平均高潮位兩種情況，而正向波作用下的動床試驗選用 2 年一遇波浪條件。

試驗結果表明，在 S 向波浪作用下，人工島和引堤前岸灘的沖刷強度和沖刷范圍均小于正向波的作用，但是人工島正對波浪方向的沖刷程度增加，基于以上分析，人工島南側岸線的東、西向端部均需要加強防護，以抵御來自 S 向和 E 向的波浪作用。

3.5 潮流作用對試驗結果的影響

為了說明潮流可能對模型試驗成果產生的影響，選擇的一組試驗方案中增加了潮流的影響，試驗條件取平均高潮位、2 年一遇波高，加之流速為 1 m/s 的恒定單向流。

實驗結果表明，人工島處沖刷范圍不變，引堤前的沖刷范圍稍有增加。由于模型試驗中選取的潮流是最大流速并持續作用，試驗的結果是偏安全的，沖刷增加量并不大。由此可知，模型試驗中只考慮波浪、水位作用時，其沖刷試驗成果是可以作為人工島設計依據的。

4 結論

通過冀東油田 4 號構造地區波浪動床物理模型試驗，研究了波浪作用（適當考慮潮流作用）下人工島前岸灘的沖淤情況，以及波浪作用下人工島前的局部沖刷問題，為工程規劃和設計提供了科學依據。

（1）南堡油田 4 號構造地區的西坑坨島南側岸灘潮流動力相對較弱，波浪作用是影響 4-1 人工島前岸灘穩定的主要動力。

（2）不同水位、波浪要素作用后，人工島南岸線前海床最大沖刷深度 0.9 ～ 1.0 m，沖刷坑最大范圍距離人工島 40 ～ 50 m；引堤前岸灘最大沖刷深度 0.8 ～ 0.9 m，沖刷范圍 40 ～ 45 m。

（3）50 年一遇高潮位、2 年一遇波浪條件下人工島前最大累積沖刷深度為 1.2 m，沖刷范圍距人工島岸線 40～ 50 m，引堤前最大沖刷深度 1 m，沖刷區外圍距引堤50 m。

（4）引堤方案試驗表明，引堤對人工島有一定的掩護作用，隨著引堤長度的增加，人工島前岸灘沖刷量逐漸減小，引堤長度可根據設計需要進行比選，同時引堤延長后，引堤前岸灘的沖刷將有所增大，要注意加強防護。

（5）S 向波浪作用下，人工島和引堤前岸灘的沖刷強度和沖刷范圍均小于正向波浪作用，但是人工島正對波浪方向的沖刷程度增加，應加強人工島南側岸線的東、西向端部的防護。

（6）考慮到長周期波浪作用，建議 4-1人工島南側、引堤前底床防護范圍取 50～60 m。4-1 人工島及防護工程的實施，對西坑坨島起一定的固灘保灘作用，可以防止波浪長期作用對南側岸灘的侵蝕。

[1]曹妃甸工業區曹妃甸港總體規劃潮流數學模型試驗報告 [R].南京：南京水利科學研究院，2006.

[2]崔崢，毛寧，佘小建.冀東油田4號構造14號、15號人工島物理模型試驗研究 [R].南京：南京水利科學研究院，2007.

[3]嚴愷.海岸工程 [M].北京：海洋出版社，2002.

[4]薛鴻超.海岸動力學 [M].北京：人民交通出版社，1980.

Physical Model Tests of Movable Seabed of No.4 Structure in Jidong Oilfield under Wave Actions

Li Shunli1，Yang Jiao2
1.PetroChina Jidong Oilfield Co.,Tangshan 063004,China
2.China Petroleum Pipeline Fifth Construction Co.,Renqu 062550，China

A physical model for movable seabed test under wave actions is established for No.4 structure in Jidong Oilfield.The model scaling relations satisfy both the tide similarity and wave similarity.The scour and deposition situations in the front beach of the artificial island under the action of waves (adequately considering tidal currents) as well as local scour problems in front of the artificial island after the completion of No.4 structure are studied.The test results show that the dynamic action of tidal force is relatively weak along the southern side of Xikengtuo Island where No.4 structure of Jidong Oilfield is located;the main factor affecting the stability of the beach of No.4 structure is the wave action.It is suggested that the protection range of the seabeds at the southern side of the artificial island No.4-1 and at the beach in front of the approaching embankment should be 50 ～ 60 m,and that the protection range for the eastern and western ends of the coastline along the southern side of the artificial island should be appropriately extended.

physical model;wave;current velocity;flow regime

10.3969/j.issn.1001-2206.2014.01.004

李順利（1978-），男，河北唐山人，工程師，2008年畢業于河北理工大學，從事石油工程建設管理工作。

2013-08-12