混凝土聯鎖排應用于海底管線沖刷防護試驗研究

張宗峰，丁紅巖，劉錦昆

(天津大學 建筑工程學院，天津 300072;2.中石化石油工程設計有限公司，山東 東營257026)

海底管道的懸空防護是海底管道研究的熱點之一［1-3］，尤其是淺海(近海)管道的裸露、懸空或局部大位移使管線處于安全隱患狀態，一旦遭遇惡劣天氣或意外沖擊，可能導致管線的泄漏或斷裂，由此帶來嚴重后果。目前海底管道的懸空防護措施主要有:拋填砂石、撓性軟管跨接(立管段)、水下支撐樁和柔性覆蓋層(如仿生水草、FS 漿墊覆蓋層)等［3，5］。然而，對于不同形式的安全隱患類型，防護措施各有利弊。水下支撐樁控制長度有限;仿生水草雖然能有效促淤，但防護范圍較小且造價昂貴;混凝土聯鎖排防護在海底管線的應用也僅限于對平臺附近局部管段的穩定和抗落物沖擊保護。在內河及河口地區、灘海陸岸油田人工島的保灘護底工程中由于混凝土聯鎖排具有整體性好、適應床面變形能力強、易于機械化施工等優點，混凝土聯鎖排保灘護底技術得到成功應用［6-7］，而海底管線所處海域與內河河口水流載荷為主的情況不同，需要考慮水流與波浪的共同作用，國內外對混凝土聯鎖排在海底管道懸空防護中的應用研究鮮見報道。本文選取4～10 m 水深易受意外荷載作用的近海沖刷區域，針對裸露或懸空海底管線的防護探討混凝土聯鎖排的防護機理，并開展室內試驗，研究“混凝土聯鎖排+土工布”防護型式的適用性。

1 海底管線懸空原因分析

通常來說，海底管線產生懸空的原因多種多樣，調研分析發現主要因素有:①河口的大面積沖刷(如埕島油田);②沖刷次生的海床臺地、凹坑等;③風暴潮作用下的表層土液化、滑塌;④施工過程可能造成海底管道局部較大的起伏;⑤構筑物形成的局部沖刷，沖刷范圍與深度與構筑物物尺度有直接關系;⑥裸露水平管道下的沖刷，因管道前后存在一定壓差導致管涌而形成水流隧道，當水流隧道形成后，管道底部水流加速從而引起管道下的沖刷。

2 混凝土聯鎖排防護機理研究

土工布是水工上常用的防止水土流失的覆蓋物，可以有效阻止土中砂粒流失，混凝土聯鎖排是由混凝土預制塊串接而成的網狀結構，不僅可以固定土工布還對管線具有保護功能。故“混凝土聯鎖排+土工布”可以在管道不停產的情況下實施防護施工，施工工藝及取材簡單，造價低，且能夠在一定程度上有效保護管道免受意外載荷的沖擊，如落物、船錨等。

2.1 聯鎖排塊體穩定厚度計算

在波浪的作用下，混凝土聯鎖排塊體上的作用力主要包括波浪動水壓力差、混凝土塊體的水下重力、捆綁塊體的繩索拉力等。張瑋［7］等從混凝土聯鎖排失穩的動力學機理出發，根據排體內部和邊緣的失穩模式及受力特點，結合水槽試驗推導出水流作用下不同部位排體的穩定厚度計算公式:

式中:δm為混凝土聯鎖排厚度(m)，r'r為排體相對浮容重，H 為波高(m)，α 為波高修正系數:

式中:λ 取0.78，為試驗修正系數;β 為理論系數:

式中:L 為波長(m)，T 為周期(s)，F(k) 為第一類完全橢圓積分，E(k) 為第二類完全橢圓積分，為模數k 的雅可比橢圓函數。

2.2 數值模擬計算

利用GMBIT 進行混凝土聯鎖排數值模型的建立和網格劃分，為簡化取3 ×3 排體計算，單個混凝土塊體0.4 m×0.4 m×0.2 m，塊體之間間距(連接繩長度)為0.1 m，模型計算區域6.4 m×6.4 m×1.0 m，將輸出文件導入FLUENT 中進行求解，X 負向為水流方向。

圖1 為聯鎖排表面處的流場分布，從圖中可以看出，排首位置的聯鎖塊由于迎流面對水流的阻擋作用，導致水流向上流動，并在排首聯鎖塊的上表面速度降低，形成局部的回流渦旋;在聯鎖塊之間的縱向間隙中，局部水流加速但受到聯接繩阻擋，聯鎖塊橫向間隙中水流減速，速度僅為聯鎖塊上表面水流速度的40%左右。

圖2 為混凝土聯鎖排底面流場的分布，從圖中可以看出，排首位置由于混凝土聯鎖塊的阻擋作用，水流向外擴散;聯鎖塊之間的縱向(即水流方向)間隙形成水流通道，并在排首位置形成局部水流加速區，水流速度增加約42%;聯鎖排排首兩端也會形成局部水流加速區;而水流在混凝土聯鎖塊的橫向(與水流方向成90°角)間隙中，由于聯鎖塊對水流的阻擋作用，水流流速減小，僅為原水流速度的30%左右，發生局部尾流渦旋;混凝土聯鎖排排尾處，水流速度有所降低，但形成局部較強尾流渦旋。

圖1 聯鎖排表面水流速度矢量Fig.1 Water flow velocity vector on mattress surface

圖2 聯鎖排底面水流速度矢量Fig.2 Water flow velocity vector on mattress bottom

3 模型試驗

3.1 模型試驗設計

(1)試驗在波浪雙向流渾水水槽中進行，水槽長50 m，寬1.0 m，深1.5 m，水槽的一段配有伺服電機不規則波造波機(1.0 m×0.7 m)，可模擬生成周期在0.5 ～5 s 之間的規則波、不規則波等多種波浪。水槽尾部安裝架空斜坡碎石消能設備，以避免波浪的反射。水槽內還裝有可產生循環水流的造流系統，由大功率的軸流泵和控制閥門兩部分組成，模擬各種流動所需的試驗工況。通過物理模型試驗研究在不同水深(4 m，7 m，10 m)條件下，波流共同作用時混凝土聯鎖排的穩定性和防沖刷效果，深入分析“混凝土聯鎖排+土工布”對于海底水平管線防護的適用性。

(2)模型制作:在水流和波浪運動中，慣性力和重力起主導作用，故試驗模型應遵循弗勞德相似或重力相似準則，模型與原型波浪的弗勞德數相同。試驗的模型幾何比尺設計為1∶ 10 和1∶ 15，聯鎖排排體和海底管道模型如圖3 和圖4 所示。

圖3 聯鎖排模型Fig.3 Test model of interlocking mattress

圖4 海底管道模型Fig.4 Test model of subsea pipeline

(3)波流條件:試驗波浪采用不規則波JONSWAP 譜型，試驗流速控制在預定的目標值，在無構筑物影響時沿試驗段內的橫斷面上均勻分布。表1 中給出了三種工況下的試驗參數。

表1 試驗環境參數Tab.1 Test environmental parameter

3.2 土樣選取與制備

選取埕島油田海域的典型地貌試驗土樣，滿足泥沙顆粒加速度相似條件的要求，采用天然原型粉砂土樣制作海床模型，該粘土質粉砂是埕島海域淺海區的主要沉積物［3，8］，分布在水深15 m 以內的淺海區，其粉砂粒徑的百分含量約占60%，粘土粒徑含量約占30%。

3.3 試驗結果分析

3.3.1 不同水深條件下聯鎖排防護沖刷效果對比

(1)在4 m、7 m 和10 m 水深條件，采用圖5 所示的防護斷面型式。

圖5 混凝土聯鎖排防護斷面型式Fig.5 Protection section of mattress

圖6 混凝土聯鎖排防護試驗Fig.6 Protection test of mattress

在工況一、二、三波流共同作用時，聯鎖排整體穩定，邊緣塊體與內部塊體在波流拖曳力及上舉力共同作用下沒有發生晃動及失穩現象(圖6 所示)，防護斷面穩定，排體厚度(200 mm)滿足穩定要求。

(2)引入無量綱參數沖深比η，即沖刷深度與管線外徑的比值其中:d 為沖刷深度，D 為管道外徑。圖7 為工況一(4 m 水深)原始地形和沖刷后(聯鎖排防護)的地形變化對比。從圖中可以看出，聯鎖排的上、下游排腳位置各出現沖刷坑，說明混凝土聯鎖排上游排腳(排首)由于局部水流加速，導致沖刷，此處水流環境也最為復雜，逆水面水流動態壓力也最大;下游排腳(排尾)由于局部水流速度加速產生渦旋導致沖刷，這與2.2 節數值模擬結果一致。

(3)圖8 為不同水深三種工況下排腳處的沖刷對比，由圖可以看出，7 ～8 m 水深的地形沖刷深度略大，這與現場調查結果基本一致［10］，由于埕島海域的典型粉土具有傾向于的砂土基本特性，易液化，但不同于砂土成單粒結構、在動荷載作用下具有顆粒易于移動的特點，粉砂顆粒更細，且具有某些團粒結構的特征，同時，由于粘膠顆粒的物理化學作用，孔隙中薄膜水的聯結，具有比砂土高的結構強度，在結構上呈現出由砂性土的散粒接觸聯結向粘性土的水膠聯結逐漸過渡的結構形式，盡管7 ～8 m 水深時波高比10 m 水深時略小，但波浪作用在海床土的循環振動荷載效應更顯著，同時由于此水深區間更強的海流作用，導致海床土的失穩流失加速，從而使得在波流作用下7 ～8 m 水深比10 m 水深最終的地形沖刷深度略大。

圖7 4 m 水深原始地形和沖刷后的地形變化Fig.7 Comparison of initial and scoured terrains (4 m)

圖8 不同水深沖刷對比Fig.8 Scour depth for different water depths

3.3.2 典型水深(4 m)不同防護方式沖刷對比

(1)裸管無防護沖刷:圖9 為工況一條件下裸管無防護時斷面沖刷深度歷程圖，其中原點左側為波流的來向，海底管道周圍床面在波流作用下，海床面的泥沙呈明顯的往復運動為主，塑造沙波，同時水流輸運波浪掀起的泥沙。在管道兩側，床面泥沙顆粒大量啟動，形成一層混水層。在波流作用一段時間后，管道底部出現一個小的間隙，形成微小通道。隨著微小通道的形成，水體大量涌入，從而產生了較大的瞬時速度，并導致管道底床上的剪切應力迅速增大，造成管道底部局部輸沙率快速增大。泥沙顆粒從管道底部迅速起動輸運，隨著間隙迅速擴大，管道下面的沖刷坑越來越大，在波流作用下造成管道下游側沖刷強度較大，沖刷深度加大。圖10 為裸管無防護沖刷穩定時的試驗現場圖片。

圖9 裸管無防護時沖深歷程Fig.9 Scouring time-history curve for unprotected pipe

圖10 裸管無防護沖刷穩定后現場照片Fig.10 Test photo after scouring for unprotected pipe

(2)混凝土聯鎖排+土工布防護

選用與裸管無防護試驗時相同的波流條件，對混凝土聯鎖排和“混凝土聯鎖排+土工布”覆蓋下的海底管道周圍泥沙沖淤情況進行研究，分析這兩種情況下的防護效果。

圖11 和圖12 分別為聯鎖排防護地形沖刷圖和“混凝土聯鎖排+土工布”防護地形沖刷圖，采用工況一的水深及波流條件，進行了管道上面覆蓋土工布再進行聯鎖排防護覆蓋的對比試驗。試驗表明，土工布顯著減小聯鎖排塊體縫隙之間水流沖刷作用，對排腳沖刷也起到進一步防護作用，減小混凝土聯鎖塊之間由于局部渦旋導致的底面沖刷，且滿足聯鎖排的反濾要求。

圖13 和圖14 可以看出隨著時間推移沖刷趨于穩定，迎水面上游排腳的沖刷深度大于下游排腳，鋪設土工布后，上下游排腳沖刷深度均有明顯降低，沖刷穩定深度減小約50%。

圖11 聯鎖排防護地形沖刷(移走聯鎖排)Fig.11 Test photo after scouring with mattress protection

圖14 下游排腳沖刷對比Fig.14 Comparison of scour depth of downstream block

4 成果應用實例

KD34B－墾東陸地終端海底管線位于渤海灣，全長4.4 km，管徑457 mm，探摸發現管線裸露或懸空長度達3.5 km，最大懸空高度1.0 m。根據探摸情況制定了相應治理方案，采用“聯鎖排+土工布防護”方式進行隱患治理。斷面如圖15 所示，先拋填沙袋，在管線底部形成臨時支撐，構成穩定的斷面再鋪設帶有土工布的混凝土聯鎖排，管線兩側各10 m，縱向超出懸空長度各5 m，滿足穩定要求。

圖15 防護斷面Fig.15 Section of pipeline protection

圖16 混凝土聯鎖排預制Fig.16 Prefabrication of concrete mattress

圖17 混凝土聯鎖排+土工布海上施工Fig.17 Offshore construction of concrete mattress ＆ geotextile

“混凝土聯鎖排+土工布”現場加工和施工如圖16 和圖17 所示，這也是國內“混凝土聯鎖排+土工布”首次大型應用于海底管線懸空治理。在項目實施一年后進行了四次探摸，發現防護效果良好，且有輕微促淤效果。

5 結 語

1)海底管道所處的海洋環境既不同于內河及河口地區(水流為主)，也不同于以波浪為主的岸灘。本文依據半理論半經驗公式，計算聯鎖排排體穩定厚度，通過試驗發現聯鎖排在波流共同作用下整體穩定，厚度滿足要求。

2)通過混凝土聯鎖排數值模擬，發現混凝土聯鎖排排首處塊體的水流環境最為復雜，排首混凝土塊逆水面水流動態壓力最大，試驗表明聯鎖排的上、下游排腳位置沖刷最劇烈。隨著水深的增加，波浪對海床土影響減弱，波浪對沖刷的貢獻降低。

3)水槽試驗表明，土工布顯著減小聯鎖排塊體縫隙之間水流沖刷作用，對排腳沖刷也起到一定防護作用，并降低了混凝土聯鎖塊之間由于局部渦旋導致的底面沖刷，滿足聯鎖排的反濾要求，“混凝土聯鎖排+土工布”型式適用于海底管線的防護。

4)本文是根據波浪水槽試驗得出的初步研究成果，由于海洋環境情況較為復雜，混凝土聯鎖排的防護涉及地基承載力、地基沉降分析等，需要進一步結合工程實際開展相關研究。

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