水流作用下灘海工程仿生草防護技術研究

焦志斌，牟永春，沙 秋

(1.南京水利科學研究院水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，江蘇南京 210029;2.中國石油天然氣股份有限公司規劃總院油氣田所，北京 100083;3.中國石油天然氣股份有限公司勘探與生產分公司，北京 100083)

灘海區域海底管線一般埋置于海床土壤3倍管徑深度以內，屬于淺埋管線，由于受到波浪、潮流、風暴潮、河口泄洪以及人工干預等影響，海床很不穩定，極易產生管線沿程的整體沖刷，造成管線裸露懸空。Arnold對美國密西西比河三角洲1958～1965年間海底管道失效事故進行了統計，發現海床運動和波、流沖刷是海底管道失效的主要原因［1］。2000年10月，我國東海平湖油氣田海底輸油管道因拋石壩被海流沖毀，管線懸空斷裂，油氣田被迫停產，造成巨大經濟損失，并產生嚴重環境污染和不良社會影響［2］。2004年我國對渤海埕北油田已鋪設的61根海底管道進行調研發現，56根管道沖刷懸空，占92%;管道平均懸空高度1.3 m，最大 2.5 m;平均懸空長度15.1 m，最大60 m［3］。

裸露懸空的海底管纜不僅導致輸油熱損失增大，而且會在重力作用下發生下沉，甚至在海流及海浪的作用下產生渦激共振造成管纜斷裂，引發原油外漏等海上重大安全事故，造成海上油田停產、海洋環境遭到重大污染等嚴重后果。多年來，海底管線周圍的局部沖刷及其沖刷防護與控制技術一直是各國海洋工程領域亟需研究的重要課題之一。

Chiew等［4-5］給出了單向流作用下平衡沖刷深度的迭代公式，該法計算得到的結果與實驗結果吻合良好。Sumer等［6-7］研究了波流作用下管線周圍海床沖刷問題，對管線沖刷的起動、發展影響因素以及沖刷后管道的自埋等方面進行了分析研究，為該領域的進一步研究提供了許多有價值的幫助。Gao fu-ping等［8］研究了管線的局部沖刷平衡深度以及渦激振動，得出了許多有益的成果。這些成果集中于管道的局部沖刷，可應用于較穩定海域海床管線的設計與工程防護。

吉紅香等［9］采用剛性樹干和帶有柔性枝葉的模型樹模擬堤外灘地防浪林，開展了植物消波消浪研究 ，分析了波浪在有植物的灘地上傳播變形規律，以及植物的枝葉、樹干和灘地寬度、灘地上水深、來波要素等對波浪傳播變形的影響以及植物的消浪效果。陳德春等［10］采用聚乙烯發泡塑料制成人工水草，開展了人工水草室內水槽緩流試驗和波浪槽消波試驗，探討了人工水草的緩流效果和消波效果，研究了人工水草草屏在不同疏密度、相對草高、排距以及草場長度情況下，對水流或波浪的影響。王琮等［11］開展了“人工草”室內水槽波浪試驗，得出在水深50 cm時，布設“人工草”不僅不能促淤防沖，反而會加劇管道附近的沖刷。

本文開展了水流作用下灘海區域海底管線仿生草防護效果試驗，首次在國內采用仿生草原型材料，研究了水流作用下仿生草的緩流效果和防沖刷效果，得出了灘海工程海底管線仿生草防護技術的一般性結論。

1 仿生草防護技術研究現狀

仿生草防沖刷仿生技術在河床防沖刷和海底結構物防沖刷領域已經發揮出顯著作用，沿海各國都有應用。尤其在海洋石油開采領域，有著不凡的業績。殼牌、英國石油、伍德石油、雪佛龍等世界知名石油公司都有使用。我國勝利油田從2006年開始對海底管線鋪設仿生草，至今已鋪設12 000多平方米，在使用效果上基本解決了二次沖刷、重復治理等難題。

圖1 仿生草的防護作用機理Fig.1 Protection mechanism of artificial grass

仿生草是基于海洋仿生學原理而開發研制的一種海底防沖刷的高新技術產品，由以下幾部分組成:仿生草安全保護網，新型高分子材料加工而成的仿生草葉片，仿生草安裝基墊，特殊材料制成的高強度錨帶，以及特殊設計的海底錨固裝置。

仿生草的防護作用機理如圖1所示。仿生草葉片在浮力作用下飄浮，海水受到仿生草的柔性粘滯阻尼作用，流速降低，減緩了水流對海床的沖刷;由于流速的降低和仿生草葉片的阻礙，使水流中夾雜的泥沙不斷地沉積到仿生草基墊上;經過一段時間的沉積，形成沙丘從而有效控制對海床的沖刷，保護了海底結構物。

英國SSCS通過實驗給出了仿生草的應用數據:1)水深:適應于0.5～340 m海域;2)地質:粉砂、泥沙及淤泥等地質;3)流速:1 m/s＜v＜5 m/s;4)含沙量:適應含沙量較高的海域;5)仿生草設計迎水面坡度小于30°。

實際工程中，仿生草適應的水深一般在40 m以內，最深處可達到80 m。我國主要應用在勝利油田和東海平湖油氣田，水深分布在7～22 m。但在水深小于5 m的灘海區域，工程應用還是空白。由于專利和知識產權的限制，國內學者無法獲得仿生草樣品，只進行了一些相似材料的水槽試驗，得出了灘淺海“人工草”應用局限性的結論，但還無法通過試驗進行定量分析研究。

2 試驗方案設計

本項目經相關單位授權后得到仿生草工程樣品，試驗材料由材料商按照試驗比尺加工，在國內首次開展了水流作用下灘海區域仿生草防護效果試驗，但需說明的是，本試驗未能進行仿生草柔性模擬。

2.1 試驗設備

物理模型試驗在波浪水槽中進行，該水槽可同時產生波浪、水流和風。水槽的一端配有消浪緩坡，另一端配有推板式不規則波造波機，由計算機控制產生所要求模擬的波浪要素。該系統可根據需要產生規則波和不同譜型的不規則波。為消除水槽試驗中波浪的多次反射，造波板上安裝二次反射吸收裝置(ARC)。水槽兩端設有出流口，安裝有兩臺雙向泵，可產生不同流速的水流。水槽頂部裝有吸風裝置，調節吸風裝置的轉速產生不同風速的風。

2.2 模型設計

對于水流作用下結構物周圍局部沖刷，由于其動力條件在結構物周圍呈現三維特點，特別是在沖刷發生后，因此應采用正態模型進行試驗。遵循JTJ/T234-2001波浪模型試驗規程相關規定，按照Froude數相似律設計，模型幾何比尺采用1∶10。水流采用恒定流，模型中的流速按重力相似準則確定。

2.3 沖淤試驗模型沙選取

試驗選用中石油遼河油田海南8海底管道海域水流及海岸泥沙資料，采用煤粉作為模型沙，中值粒徑d50=0.45 mm，γs=1.38 t/m3，模擬原型起動摩阻流速0.03 m/s的海床。不同水深時水流作用下泥沙起動相似比尺見表1。可見水流作用下各水深原型沙和模型沙起動流速相似比尺基本接近流速比尺值。

表1 水流作用下泥沙起動流速及其比尺Tab.1 Incipient velocity of sediment under water currents and its scales

2.4 仿生草模擬

仿生草采用英國公司的T25型工程樣品:尺寸5.0 m×5.0 m，地錨16個，重140 kg，仿生浮草標準長度為1.25 m。

仿生草間距、長度和密度按模型幾何比尺(1∶10)縮小，仿生草模型材質與原型相同，模型長度為12.5 cm。

2.5 試驗方法

試驗分為定床和動床模型兩部分。在定床模型試驗中進行水流作用試驗，研究仿生草的緩流效果;在動床模型試驗中研究水流作用下仿生草周圍泥沙沖淤變化。

2.5.1 定床物理模型

根據研究內容，沿水槽鋪設1 m長(原型10 m)的仿生草段，在仿生草段內及前后布置6個流速測點，測量仿生草內、外流速變化(見圖2)。

圖2 流速測點布置Fig.2 Layout of measuring points for velocity

2.5.2 動床物理模型

沿水槽鋪設長3.5 m(原型35 m)，厚10 cm(原型1 m)的動床段，模型沙采用d50=0.45 mm，γs=1.38 t/m3的煤粉。仿生草段固定在動床中部，前、后動床段分別為1.5 m和1.0 m(模型長度)(見圖3)。試驗中測量不同時段的沖淤地形，觀測地形變化情況。

圖3 動床模型試驗布置Fig.3 Layout of mobile bed model tests

3 定床模型試驗成果

水流作用下，仿生草順水流方向倒伏，倒伏程度隨水流流速增大而增大。在水深6 m、流速1.5 m/s條件下，長度1.25 m的仿生草倒伏后的高度約為0.7 m;在水深2 m、流速1.5 m/s條件下，長度1.25 m的仿生草倒伏后的高度僅為0.6 m。倒伏后的仿生草葉片覆蓋在海床上，形成一個覆蓋層。

3.1 仿生草前后流速垂線分布

仿生草的存在使仿生草內流速減小，同時增大了草外流速，改變流速沿水深的分布。圖4為水深6 m時仿生草段內與段外流速垂線分布的比較。由圖可見，在水流作用下，仿生草倒伏后使草內流速減小，與此同時，也使草上部水體流速增大，增幅最大約20%。

圖4 水深6 m時仿生草段內與段外流速垂線分布Fig.4 Vertical distribution of flow velocities of test reaches with and without artificial grass

3.2 仿生草前后流速沿程分布

仿生草的緩流作用主要體現在減小水流對仿生草下局部海床的作用，以達到保護海底管線的目的。因此，試驗測量了不同工況水流作用下仿生草下距海床面高度0.4 m和0.6 m處的流速。圖5為水深6 m時仿生草段前后水流流速沿程變化，圖6為水深4 m時仿生草段前后水流流速沿程變化，圖7為水深2 m時仿生草段前后水流流速沿程變化。

圖5 水深6 m時仿生草段前后水流流速沿程變化Fig.5 Variation of flow velocities before and after test reach with artificial grass under water depth of 6 m

圖6 水深4 m時仿生草段前后水流流速沿程變化Fig.6 Variation of flow velocities before and after test reach with artificial grass under water depth of 4 m

圖7 水深2 m時仿生草段前后水流流速沿程變化Fig.7 Variation of flow velocities before and after test reach with artificial grass under water depth of 2 m

由圖可見:

1)鋪設仿生草對減小作用于鋪設段海床的水流動力有較好的效果;

2)水深較大(4～6 m)時，仿生草鋪設段內近底流速明顯減小;

3)水深較小(2 m)時，與水深較大情況有所不同，仿生草鋪設段內近底流速只有中間點有所減小，大部分區域變化不大，有些位置的草內流速還略大于草外。這主要是由于水深較小時，仿生草的鋪設減小了過水斷面面積，并且占過水斷面面積的比例較大，使得斷面流速增大較多，草內的流速也相應增大。

4 動床模型試驗成果

分別進行了水深6 m和2 m、流速2.0 m/s和1.5 m/s的水流作用下，仿生草(鋪設段長10m)附近海床沖淤變化試驗。試驗結果表明，水流作用下，由于水流流速超過海床粉土起動流速，海床普遍出現沖刷，挾沙水流經過仿生草鋪設段時，由于草內近底流速減小，大量泥沙落淤下來。隨著水流作用時間的延長，海床沖刷深度增加，鋪草段淤積也不斷增加。水流沖淤試驗結果見圖8。

水深6 m，水流流速1.5 m/s條件下，仿生草鋪設段前海床出現沖刷，鋪設段內發生淤積，在水流作用3.2 h(原型)后，鋪草段最大淤積厚度為0.8 m(原型)。

水深2 m，水流流速1.5 m/s條件下，可以明顯發現沖淤形態與6 m水深時不同，仿生草鋪設段前海床的普遍沖刷并不大，而鋪設段前部首先發生沖刷，后部出現淤積。隨著水流作用時間的延長，鋪設段前部沖刷深度增大，后部淤積體逐漸后移并增高，在水流作用6 h(原型)后，鋪草段最大沖刷深度達到1.0 m，后部淤積體也逐漸推移到鋪草段后。

水深2 m，水流流速2.0 m/s條件下，由于水位較低、流速較大，仿生草鋪設段前海床及鋪設段前部都出現了較大沖刷，鋪設段前部沖刷更為嚴重，在水流作用1.6 h(原型)后，鋪草段最大沖刷深度達到1.0 m，幾乎沒有淤積。

不同水深及流速下仿生草周圍沖淤試驗結果表明，在水位較高(4～6 m)時，本次試驗的仿生草有較好的緩流促淤效果，但在在水位較低(2 m)時，不僅不能緩流促淤，還可能因鋪設密度較大的仿生草阻流，而產生較大的局部沖刷。

圖8 不同水流條件下仿生草周邊沖淤變化Fig.8 Variation of scour and deposition around artificial grass under different water currents

5 結語

1)水流作用下，海底仿生草順水流方向倒伏，倒伏程度隨水流流速增大而增大;仿生草倒伏后使草內流速減小，同時也使草外流速增大。

2)鋪設仿生草對減小作用于鋪設段海床的水流動力有較好的效果;在水深較大(4～6 m)時，仿生草鋪設段內近底流速明顯減小;在水深較小(2 m)時，與水深較大情況有所不同，仿生草鋪設段內近底流速只有中間點有所減小，大部分區域變化不大，有些位置的草內流速還略大于草外。

3)水位較高時，仿生草有較好的緩流促淤效果，但在水位較低、流速較大時，仿生草不僅不能緩流促淤，還可能因鋪設密度較大的仿生草阻流，而產生較大的局部沖刷。

4)仿生草是一種有效的海底防沖刷技術，由于仿生草長度、間距、密度以及鋪設寬度等影響到其周圍的水動力參數及沖淤地形變化，特別是在灘海區域水深較小、流速較大時，水深小于2 m的灘海區域要慎重選用。

5)本次試驗獲得仿生草授權，進行了一種規格仿生草試驗，試驗組次有限，試驗條件為海南8工況，后續試驗將加強與海床泥沙條件、水流波浪動力相適應的仿生草布置、仿生草高度及密度等系列研究，探索灘海區域仿生草防護技術機理。

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