勝利油田近岸海域土體孔隙壓力對海底管道安全影響分析

徐帥陵 龍東 張璐

1中石化石油工程設計有限公司

2新疆油田公司風城油田作業區

3新疆油田公司基本建設工程處

海底管道是海上石油開采不可或缺的一部分，然而近岸海域工程地質條件和氣象條件復雜多變，二者常常相互影響，對管道安全產生嚴重威脅，因此，海底管道的所處環境得到廣大技術人員的重視。波土動力相互作用因其在海洋石油平臺、海底管道和防波堤的穩定性、海底滑坡的地貌改變以及風浪消散機理等方面的廣泛應用成為海洋工程領域最為關注的問題之一[1]。極端天氣下，強烈的風暴潮會引發油氣設施附近土體液化，導致海底油氣管道的破壞[2]。黃河口三角洲因其特殊地理位置及工程性質，對我國海上石油開采具有重要價值（勝利油田就坐落在黃河口三角洲）。然而，惡劣天氣引發的大型海浪對黃河口淺海區域海床產生的循環動力荷載會導致海底沉積物發生液化，極大削弱土體強度，甚至引發海床中小型表層滑坡及塌陷凹坑等[3-4]，這些不良地質作用都對近海區域海底管道的安全運營產生極大威脅。

根據以往勘察資料，黃河三角洲水下邊坡主要由粉土組成，在風浪和風暴潮動力荷載作用下，誘發了許多不良地質作用。近幾年來，近海區域災害頻發，國內外學者針對風浪導致海床動力作用機制進行了大量研究工作：PUTNAM、SLEATH 使用Laplace's equation 對其進行了分析[5-6]；MOSHAGEN和Torum 則通過熱擴散方程進行研究[7]；YAMAOTO等使用Biot 固結理論進行大量分析工作[8]。其中，BIOT 提出的三維固結理論得到廣大研究人員認可，成為研究海床動力響應的基礎理論[9]。THOMAS、JENG 等、ZHANG 等、LIAO 等、LIU 等均針對風浪作用下海底土孔隙水壓力累積進行了數值分析，并得出解析解[10-14]。YE 等通過構建FSSI 模型進行風浪、暗流作用對海床穩定性影響分析，并進行一系列液化過程模擬[15-18]。通過原位測試可探究孔隙水壓力變化與風浪、潮位、沉積物的物理力學性質等各種影響因素的關系[19]。在海洋工程中，土體孔隙水壓力變化是造成土體液化的根本原因，而海底管道直接坐落在海底土體上，因此對海底土體液化的研究迫在眉睫。

勝利油田多個海堤在2019 年“利奇馬”臺風期間遭受重創，造成了巨大的經濟損失。本文首先分析了土體液化的機理及液化土體對海底管道的影響，通過自行研發的孔隙水壓力監測設備在東營勝利油田樁104 海堤近岸位置布放孔隙水壓力監測裝置，對該區域孔隙水壓力進行實時觀測，基于大量高精度監測數據分析孔隙水壓力與潮位變化之間的關系，確定研究區近岸段是否存在液化風險，并總結孔隙水壓力變化規律，分析液化土體對海底管道安全的具體影響。

1 研究區概況

研究位置位于勝利油田樁104 海堤近岸處（圖1）。參照《土工試驗方法標準》對海床土體試樣進行常規土工試驗，試驗結果表明該區域土體含水率自上而下不斷減小。根據鉆探資料可知該處底床表層沉積物類型主要為粉土，厚度在6 m 左右，下臥粉質黏土層。在海床下6 m，因為土中黏粒含量逐漸增大，使得下臥土層滲透系數不斷減小。整體而言，自上而下，海床下6 m呈穩定粉質黏土層，沉積環境相對穩定，通常情況下不會發生液化。因此，研究區土體液化情況主要發生在上覆6 m 的粉土層中。

圖1 研究區位置Fig.1 Location of the study area

研究區受渤海風場變化制約，常時主要以風浪為主。該海域全年大于6 級風以上日數為137.5天，發生頻率為7.11%；全年大于8 級風以上的大風日數為15.7 天，發生頻率為0.36%。大風天多見于秋季和冬季。

孔隙水壓力監測時間為2021 年9 月15 日至9 月23 日，其中9 月20 日至21 日凌晨風力達到6～7級，其余時間風力在2～4 級之間。因此，本次監測選擇的時間和位置有利于獲取較大風浪條件下的孔隙水壓力響應數據，可以借此推斷該處在非極端天氣下是否存在液化風險。

2 海床土體液化對海底管道影響

2.1 土體液化原理

根據有效應力原理：

式中：σ為土體總應力，受外部荷載和土體自身狀態影響，kPa；σ′為土體有效應力，作用在土顆粒骨架上，kPa；μ為孔隙水壓力，作用在孔隙水上，kPa。

土體中的應力由孔隙水壓力和土顆粒間的有效應力組成。當孔隙水壓力不斷增大時，有效應力不斷減小；當土體中的有效應力為0 時，土體應力完全由孔隙水壓力組成，此時土體抗剪強度達到最小值，這種現象稱為土體液化現象。

2.2 液化土體對管道穩定條件的影響

當海底土體在波浪力作用下產生孔隙水壓力變化時，土體極易發生液化。通常認為液化土體內摩擦角為0，土的黏聚力則趨于無窮小。此時管道的穩定狀態主要受管道質量（包含管內流體質量）、土的密度以及土的強度確定[20]。當管道密度為Q時，管道穩定條件為

式中：ρ為土體密度，kg/m3；ρ0為管道內流體密度，kg/m3；c為土體黏聚力，kPa；D0為管道直徑，mm。

由上式可知，當土體發生液化時，c趨向于無窮小，此時Q所在的穩定區間長度減小，即管道穩定范圍縮小，管道發生危險可能性增大。

2.3 液化土體對管道地基承載力的影響

根據太沙基地基承載力公式：

上述各式代入式（3）后得：

式中：γ為土體容重，kN/m3；b為管道與地基土接觸長度，m；Kp1、Kp2、Kp3分別為土體質量、土體黏聚力及管道荷載所產生的土壓力系數，無量綱。

當土體發生液化，φ=0，此時由上式可知：

綜上所述，式（3）得值大于式（6），即土體發生液化后，其承載力急劇減小，管道地基土承載力降低，管道易發生不均勻沉降（圖2）。

圖2 土體液化管道狀態Fig.2 Pipeline condition in liquefied soil

綜上所述，土體液化不僅會破壞管道自身穩定，還會導致管道地基發生不均勻沉降，嚴重威脅管道安全。

3 土體孔隙壓力監測試驗

3.1 監測設備

根據勘察資料和試驗數據可知，研究區域內海床起伏較大，上覆6 m 粉土層。海床起伏較大時，不僅會增加設備的布放回收風險[21]，還對孔隙水壓力監測設備采集結果產生影響。為了保障安全，提高試驗精度，本次試驗選擇研究區中某起伏較小區域作為觀測區，適合孔隙水壓力探桿現場布放及回收。

孔隙水壓力監測設備由中國海洋大學賈永剛團隊自行研發，主要由孔隙水壓力監測探桿、電池及數據存儲器組成（圖3），包括孔隙水壓力監測探桿、電源、數據儲備3 部分。其中，壓力傳感器按一定間距均勻安裝在監測探桿上，數據存儲設備則布設在探桿頂部。使用時，探桿依托配重及自身質量自由下落貫入海床中。試驗采用的孔隙水壓力監測探桿直徑為4 cm，內置3 個孔隙水壓力探頭，間距1 m，孔隙水壓力數據采集頻率為1 Hz。

圖3 孔隙水壓力監測設備Fig.3 Pore water pressure monitoring equipment

3.2 試驗方案

孔隙水壓力設備布設位置標高約為0.6 m。為了準確獲得較大風浪環境下的監測數據，更好推斷該處在常時是否存在液化風險，孔隙水壓力監測時間為9 月15 日至9 月23 日，其中9 月20 日至21 日凌晨風力達到6 級，其余時間風力在2 至4 級之間（圖4）。

圖4 大風期間波高和有效波高的時間分布Fig.4 Time distribution of wave height and significant wave height during gale

選擇監測期間內的一個大風過程（2021 年9 月19 日12 時至21 日12 時）進行具體分析。監測時長約為32 h，風浪變化過程為：平緩迅速增大至某一高度，穩定后逐漸減小。擬從孔隙水壓力、無潮位孔隙水壓力和超孔隙水壓力3 方面進行孔隙水壓力規律研究。具體操作方案如下：

（1）進行傳感器標定，以保障監測數據的質量。

（2）根據研究區海域大風時間，確定監測時間。

（3）確定監測位置。

（4）于低潮時用手持鉆機鉆孔，并布放探桿（圖5、圖6）。

圖5 孔隙水壓力傳感器組成結構Fig.5 Structure of pore water pressure sensor

圖6 孔壓監測試驗現場Fig.6 Pore pressure monitoring test site

（5）回收探桿，導出監測數據。

（6）數據處理，分析大風浪過程中總孔隙水壓力變化情況及風浪作用下孔隙水壓力及超孔隙水壓力變化情況。

（7）總結該過程中孔隙壓力變化規律及影響因素，推測研究區在常時是否存在液化隱患。

4 觀測結果

4.1 總孔隙水壓力

大風期間海浪高度及有效高度時間分布見圖7。大風過程總孔隙水壓力、潮位隨時間的變化情況見圖7。由圖7 可知：不同深度孔隙水壓力整體趨勢一致；孔隙水壓力大小與深度呈正相關。

由圖7 可知不同深度的孔隙水壓力變化趨勢與潮位基本一致，這表明該風浪環境對監測位置土體孔隙水壓力有較大影響，具體變現為：孔隙水壓力發生振蕩，3.5 m 處孔隙水壓力最大值為50.76 kPa，最小值為39.85 kPa，振蕩幅度高達10 kPa，1.5 m和2.5 m 處孔隙水壓力變化趨勢與3.5 m 基本一致，變化幅度在10 kPa 左右。

圖7 總孔隙水壓力及潮位隨時間的變化Fig.7 Variation of total pore water pressure and tide level with time

4.2 無潮位孔隙水壓力

無潮位影響的孔隙水壓力值見圖8。探桿布放時水深約為0.1 m。根據無潮位孔隙水壓力變化情況，可以發現3 個位置的孔隙水壓力變化較總孔隙水壓力變化幅度有所減小，3.5 m 處最大孔隙水壓力達到46.43 kPa，最小為35.65 kPa；2.5 m 處最大孔隙水壓力為35.97 kPa，最小為25.03 kPa；1.5 m處最大孔隙水壓力為24.93 kPa，最小為15.43 kPa。變化幅度較大的時段均出現在20 日左右，與20 日的大風天氣相重合，說明大風天氣對孔隙水壓力變化有一定影響，該區域在大風天氣應加強海底管道監測，掌握管道在大風天氣的穩定狀態。

圖8 無潮位孔隙水壓力Fig.8 Pore water pressure at no tide level

4.3 超孔隙水壓力

當土體受到外部荷載影響時，土體內部的水來不及流出，被瞬間堵塞在土體內部，由于水不可壓縮，所以此時土體中的有效應力為0，外部荷載全部由水承擔。此時，超出孔隙水壓力的力稱為超孔隙水壓力。

本次監測因波浪高度變化劇烈使得孔隙水壓力發生振蕩并產生超孔隙水壓力，超孔隙水壓力監測數據如圖9 所示。由監測數據可知，2.5 m 處的超孔隙水壓力監測數據大于另外兩處，說明該大風天氣對不同深度超孔隙水壓力影響呈拋物線狀，本次大風天氣對2.5 m 處的孔隙水壓力影響最大。

圖9 超孔隙水壓力隨時間變化Fig.9 Variation of excess pore water pressure with time

另外，在大風影響下，超孔隙水壓力值呈線性變化，沒有累積過程，表現為持續增加和持續減小。文獻[20]研究結果表明：當水深波長一致時，大風浪會引起海底土體孔隙水壓力的累積變化，小風浪則會引起孔隙水壓力瞬時變化。這與本次觀測結果是一致的。

風浪引起的海床表面壓力衰減和相位變化是海床土體中超孔隙水壓力產生的主要原因。在19 日16:00 至21 日6:00 時間段的大風浪環境中，超孔隙水壓力變化尤為明顯，其三次峰值分別是：20 日凌晨2:00 達到9.83 kPa，在20 日下午15:00 達到最大值11.36 kPa；21 日凌晨3:00 再次達到第三峰值9.38 kPa。三次極小值分別為：19 日20:00 超孔隙水壓力為0.73 kPa；20 日12:00 左右降低至1.54 kPa；23:00 減小至2.37 kPa。造成這種持續波動的主要原因為該大風浪環境強度不足以使得土體發生明顯的塑性變形，即本次大風產生的超孔隙水壓力對管道無影響。

5 結果分析

本次監測數據表明：風浪環境對海底土體孔隙壓力有一定影響，使得孔隙水壓力發生振蕩，振蕩幅度約為10 kPa，不同深度孔隙水壓力變化趨勢一致；淺海地區海床土體孔隙水壓力受水位影響，隨著水位增大，孔隙水壓力也隨之增大。孔壓變化易引發海底土體液化，海底管道在海床液化后可能發生滑移造成破壞。因此，近岸海域敷設的管道在大風天氣應加強管道本體監測以實時掌握管道狀態，防止發生事故。

超孔隙水壓力受風浪環境影響較大，在大風浪環境中發生多次劇烈振蕩，超孔隙水壓力極大值與極小值相差4～9 倍，導致這種現象的主要原因是風浪強度并沒有使得土體發生塑性變形，孔隙水壓力、超孔隙水壓力難以累積，說明本次監測的風浪強度并未導致觀測區內土體發生液化。因此，本次大風天氣對監測區域海底管道無較大影響。

風浪對海底土體的影響主要表現為瞬時變化和累積變化兩方面。瞬時變化完全取決于風浪的瞬時波動，可以在短時間內引起孔隙水壓力強烈變化，且產生快、消散快。而累積變化只有當孔隙水壓力受風浪影響增大的量大于消散的量時才會產生累積效果。累積效果產生條件較為苛刻，需要海底土體抗液化能力和風浪強度同時滿足條件才可發生。海底土體在發生液化后，經過再次固結，其強度大幅提高，抗液化能力增強，只有海況條件遠大于之前發生液化的海況條件時，才會再次破壞土體強度發生液化現象。

6 結論

本文研究孔隙水壓力變化引起土體液化的機理及液化土體對管道的具體影響，并采用自行研發孔隙水壓力監測設備，對較大風浪條件下勝利油田樁104 海堤近岸海域粉土孔隙水壓力、超孔隙水壓力進行實時監測。通過分析、處理監測數據對風浪作用下海底土體的響應過程進行研究，得到結論如下：

（1）孔隙水壓力變化是導致土體液化的主要因素，液化土體一方面會削弱管道穩定狀態，另一方面會導致管道發生不均勻沉降。

（2）風浪環境對孔隙水壓力、超孔隙水壓力均有影響。本次監測風浪環境導致孔隙水壓力發生幅度約為10 kPa 的振蕩現象。超孔隙水壓力受風浪影響較大，發生多次劇烈振蕩，極大值與極小值相差4～9 倍，導致這種現象的主要原因是風浪強度并沒有使得土體發生塑性變形，即本次大風天氣對監測區域海底管道無較大影響。

（3）淺海地區不同深度孔隙水壓力變化趨勢與潮位變化趨勢基本一致，海底土體液化后再固結會增強土體抗液化能力，只有發生強度更大風浪才會再次導致液化。