基于實測資料的杭州灣海底管道裸露懸空歷年變化趨勢及風險區分析

沙紅良，趙春霞，李樹明，朱堂勇，宋世柱

（長江水利委員會水文局 長江下游水文水資源勘測局，江蘇 南京 210011）

隨著對海洋能源的不斷開發和利用，海底油氣管道憑著較好的生產運輸效益，在石油、天然氣等重要資源的運輸中起到越來越重要的作用。20世紀50年代美國墨西哥灣鋪設了世界上第一條海底管道，從此海底管道工程得到迅速發展。1985 年渤海埕北油田鋪設了中國第一條海底輸油管道，至今，中國累積鋪設的海底管道長度已達數千公里［1-2］。海底管道鋪設之后，隨著服役時間的增加，其安全問題也隨之產生：一方面管道變形、腐蝕、疲勞等使得自身結構性能衰退［3-4］；另一方面海床常年遭受波浪、海流沖刷使得管道裸露甚至懸空，易產生疲勞振動，嚴重威脅管道運行安全［5-6］。國內外學者在海底管道安全運營方面做了大量工作：Mao［7］、Jensen等［8］、Smith和Foster［9］通過試驗研究了管道和沖刷面之間的相互作用及沖刷過程的5個特征階段；曲孟祥等［10］、陳兵和張樺［11］、吳鈺驊等［12］、文君峰等［13］在海底管道附近沖刷地形數值分析及數值模擬方面做了相關研究，利用數學模型方法計算分析管道周圍水動力特征；張宗峰等［14］、汪求順等［15］、楊立鵬等［16］在海底管線沖刷防護方面做了相關試驗研究。近海（淺水）的海床面，波浪和水流的作用會使管道附近的泥沙出現不同程度的沖刷，導致管道出現懸空，隨著沖刷的加劇，懸空長度逐漸增加，當超過管道極限懸空長度時，管道的安全性會受到影響［17］。管道鋪設之后，服役時間越長所面臨的風險也會越大，需要定期對管道進行檢測［18-19］。通過聲學探測方法可以獲取管道掩埋、裸露、懸空等在位狀態以及管道所處的海床環境，及時掌握管道的海底在位狀態，能夠對懸空管道進行重點關注。目前，國內外已有許多學者對海底管道聲學檢測方法［20-26］及管道懸空裸露成因［27-28］進行了研究。其中：Tian［20］、熊春寶等［21］、陶常飛等［25］針對聲學探測技術（多波束系統、側掃聲吶系統、淺地層剖面儀等）在管道檢測方面的應用及改進方法上進行了研究；Guo等［27］、Sumer等［28］在管道沖刷成因方面做了相關研究。海底管道檢測技術的不斷探索和完善，為精準獲取海底管道在位狀態提供了技術和方法支持。姜小俊等［29］、王恒波等［30］以杭州灣海域為例探討了強潮環境下管道狀態檢測方法及海床沖刷對管線安全性的影響。掌握強潮環境下管道在位狀態變化趨勢尤為重要，尤其是長距離海底輸油管道懸空頻現的風險區域變化趨勢。

以東海杭州灣海域內長距離輸油管道為例，利用2008—2021年路由檢測成果，統計歷年管道懸空、裸露狀態游移變化，分析管道狀態變化規律，重點分析管道風險區的變化趨勢及特征。杭州灣海底管道是中國第一條在強潮流地區鋪設的大口徑海底管道，基于多年實測數據分析其管道狀態的變化趨勢和風險區特征，能夠為海底管道安全運行管理及懸空段治理決策提供數據支撐。

1 研究區域

2002 年9 月開始建設連接寧波—上海—南京煉化企業的進口原油管道，其中杭州灣穿越工程是整個管道建設的關鍵控制點和難點。杭州灣穿越工程中穿越海底輸油管道共3條，管道平行鋪設，全長約53.5 km，管道從北岸至南岸里程逐漸增加。西側管道管徑為273 mm（Φ273），中間管道管徑為762 mm（Φ762），東側管道管徑為711 mm（Φ711），管道之間平均間隔約50 m。南岸淺灘區KP48.5 附近間隔距離縮小至30 m，KP48.5 以南區域至登陸處距離逐漸縮小至3 m。管道鋪設工程于2003 年10 月開始施工，2005 年10 月整體投入運行。地理位置見圖1。杭州灣海底管道北岸位于上海市與浙江省交界處金絲娘橋（白沙灣），南岸位于浙江省慈溪市半掘浦十一塘閘，杭州灣喇叭口中部水域為王盤洋，水面寬約50 km。整個橫斷面的深槽緊靠北岸，最深處海底高程為-18 m 左右；中間水域較為平坦，一般在-11.0～-9.0 m 之間；近南岸水下比較平緩，主要為泥質灘涂，長度約8 km。

圖1 海底管道位置示意Fig.1 The schematic diagram of submarine pipeline location

3條管道狀態整體分布情況類似，以其中一條管道（Φ762管道）為例說明杭州灣海底管道整體裸露懸空變化趨勢及風險區變化趨勢。管道在杭州灣北岸深槽（輸油管道設計里程編號KP0+548 到KP2+242）段采用定向鉆施工方法埋設在海床下；其余段采用了國際先進的擾流板（spoiler）自埋鰭技術，即在管頂安裝擾流板，利用海流的作用使管道自然下沉，從而達到回填的目的。

2 數據獲取

杭州灣海底管道自2005年鋪設，至2021年已運行16年。自管道運行以來，連續多年利用聲學探測方法對其進行檢測，根據檢測范圍分為全線檢測（KP2～KP49路由段）和加密檢測（北岸KP2～KP4路由段和南岸KP39～KP49路由段）。每年進行1次全線檢測和2次加密檢測。

綜合采用多波束測深系統、側掃聲吶系統和淺地層剖面儀等多種儀器設備，著重檢測海底管道附近的海床面狀況，管道的平面位置、掩埋深度、懸空高度、懸空長度等。檢測布置如圖2所示。多波束測深系統的用途是測量海底管道附近的地形地貌，地形測量范圍基本為管道上下游50 m，多波束主測線平行于管道路由方向，輔助測線及檢查線垂直于主測線方向均勻布設。淺地層剖面儀的用途是確定管道的平面位置和埋設深度，淺地層剖面儀測線垂直于管道路由方向，按50 m的間隔均勻布設，每條測線的長度分別向上下游外推80 m，在管道疑似懸空段適當加密測線。側掃聲吶系統的用途主要是獲取管道掩埋、裸露、懸空的總體分布信息，并與淺地層剖面儀及多波束測深系統獲得的管道掩埋、裸露、懸空狀態進行檢校，確定整個海底管道掩埋、裸露段的起點和終點，裸露段的沖刷狀態，懸空段的懸空跨度、懸空高度、沖刷狀態等。側掃聲吶系統測線以管道路由為基準，每根管道各向上下游按20 m 間隔布設主測線，共布設4 條主測線進行側掃聲吶檢測，并根據現場情況適當加密測線。

圖2 聲學探測測線布置示意Fig.2 The schematic diagram of the acoustic detection line layout

檢測過程中多種檢測設備互相檢校，互相驗證。檢測時重點關注懸空段及裸露段，側掃、淺剖或多波束任一檢測手段發現疑似懸空段、裸露段時，其他儀器均展開交叉檢測，對已獲得的數據與資料及時進行整理分析，做到檢測與分析同步；對儀器交叉檢測確定的懸空段安排潛水員下水摸探，測量人員在船上及時記錄摸探結果，潛水員上岸后對結果進行核對，然后將摸探結果與儀器測定的結果進行比對，從而確定管道懸空段的高度及長度。

3 研究結果

采用由宏觀到微觀，由整體趨勢分析到局部風險區分析的方法，重點針對南岸灘涂區管道裸露和懸空頻現區域進行分析。宏觀上以圖表的形式表述從2005—2021年歷次檢測中管道掩埋、裸露及懸空段的沿程分布情況，分析管道的整體趨勢變化，同時分析管道歷年連續掩埋段分布及埋深情況。微觀上詳細分析掩埋、裸露及懸空管道的變化趨勢，統計歷年檢測管道懸空、裸露占比變化情況；重點分析杭州灣南岸區域管道掩埋、裸露、懸空之間的游移變化情況，同時分析管道附近海床的沖淤變化。

3.1 整體趨勢分析

歷次檢測的管道沿程狀態分布如圖3所示。以一條管道為例進行說明。

圖3 歷年檢測管道狀態沿程分布示意Fig.3 The sketch of distribution of pipeline status tested over the years

杭州灣海域水流呈明顯的往復流，管道從北岸穿越至南岸，KP2～KP39 段管道與水流方向夾角大于50°，KP39～KP47段管道與水流方向小于15°，管道所在水域水流流向與管道軸線夾角越大，spoiler自埋效果越明顯［31］。如圖3所示：隨著時間的增加，spoiler自埋設計發揮作用，中間段管道完全掩埋；北岸深槽管道大部分掩埋，但是受海床沖刷影響，管道存在局部裸露和懸空，2019年對杭州灣北岸懸空段進行拋石施工整治后，管道不再懸空，2020年北岸深槽海床整體淤積，淤積厚度約2 m，管道完全掩埋；而在南岸淺灘區，管道與水流方向夾角較小，spoiler自埋鰭技術無法充分發揮作用，管道長期處于裸露狀態，受水流沖刷影響，該段管道懸空頻現，2020 年對南岸部分懸空段進行拋沙袋墊護施工之后，施工段管道狀態好轉，2 年內檢測管道基本處于掩埋狀態，但由于杭州灣南岸淺灘區管道埋深較淺，受局部海床沖刷影響，未施工段管道裸露及懸空現象依然存在。

3.2 掩埋段變化分析

由圖3可知，處于掩埋狀態的管道相對穩定，尤其是連續掩埋段。在2005年運行之初，管道掩埋長度所占比例不足50%，而隨著運行時間增加，spoiler自埋鰭技術發揮作用，掩埋長度逐漸增加，連續掩埋長度及位置逐漸穩定。

最大連續掩埋段長度是管道穩定運行的安全要素之一，由圖3 可知：管道自運行以來，歷次全線檢測的最大連續掩埋長度呈增長趨勢，2008—2009年管道最大連續掩埋長度較短，且位置分布不集中；從2011年開始，管道掩埋長度增加，杭州灣中間段管道均處于掩埋狀態，至2021年管道最大連續掩埋段長達43.245 km，占海底管道全長（53.500 km）的81%。

為了直觀展示管道埋深分布情況，將管道埋深進行分層設色標注在柱狀圖中，圖4 為管道2018—2021年4次全線檢測管道埋深分布柱狀圖。由圖4可知：管道埋深較淺區域主要出現在杭州灣南北兩端，中間區域埋深較大；管道在KP4～KP40路由段掩埋深度超過2 m，且管道掩埋較深的區域主要分布在KP27～KP29、KP35～KP40路由段。

圖4 管道埋深分布柱狀圖Fig.4 Distribution histogram of buried depth of pineline

由圖4 還可知：由于2021 年杭州灣北岸深槽區域海床淤積，北岸KP2.5～KP3.5 路由段2 根管道的埋深增加，2021年全線檢測該段平均掩埋深度已在2 m以上；杭州灣南岸區域KP40往岸邊方向，管道埋深逐漸減小，局部管道埋深較大；KP42～KP49路由段，管道歷次檢測均存在裸露及懸空段，且掩埋段管道掩埋深度較淺，掩埋段管道大部分掩埋深度不足1 m。

3.3 裸露懸空段變化分析

通過前文分析可知：2018—2021 年管道懸空及超限懸空段數和長度均有所增加，且重點出現在南岸近岸灘涂區域，南岸灘涂區管道平均埋深不足1 m，海床在順著管道方向上的不均勻沖刷，導致管道在管道溝內局部裸露甚至懸空，管道懸空頻現的風險區域主要是在南岸近岸登陸段。下文將首先分析2018—2021年近南岸區域管道裸露和懸空變化情況以及懸空段分布區域變化情況，然后分析杭州灣近南岸風險區域懸空段的特點，為管道安全防護和后續長效治理提供參考。

3.3.1 管道懸空分布

2018—2021 年期間，對管道進行了11 次檢測。11 次檢測成果分析中根據懸空特征確定的風險區均位于管道KP42～KP49路由段，該段管道裸露及懸空統計情況見表1。

表1 2018—2021年近南岸KP42～KP49段管道狀態統計Tab.1 Pipeline status of KP42～KP49 section near the south bank (2018—2021）

2018年6月至2019年12月的5次檢測數據顯示：管道非掩埋區域主要出現在KP43.3～KP49之間，懸空區域主要出現在拐彎段至登陸段的KP46.4～KP48.3區間，且存在超限懸空段，管道在KP48附近持續出現懸空。固定位置的持續懸空存在斷裂、海水腐蝕等風險，對管道安全運行非常不利，因此2019 年底至2020 年初，針對超限懸空段及懸空段集中分布的管道路由段，進行拋沙袋墊護治理，根據管道附近海床地形及沖刷溝的大小確定沙袋數量，將這些沙袋遞送到管道懸空位置，由潛水員下水將沙袋鋪墊到管道下方，以支撐管道。2020年6月檢測時，已施工的懸空段轉為裸露或掩埋狀態。

2020 年8 月至2021 年11 月的5 次檢測數據顯示，管道非掩埋區域主要出現在KP45～KP47 和KP48.2～KP49兩段。其中，裸露區域主要出現在KP45～KP47段，懸空區域具體分布在登陸段KP48.2～KP48.7區間。

2021 年對南岸登陸段超限懸空段進行了沙袋局部墊護施工。2021 年11 月管道雖未發現超限懸空段，但懸空總長度依然較長，管道總懸空長度121 m（13 段）。圖5 中標注出了管道裸露及懸空段空間分布的地理位置，杭州灣南岸管道裸露和懸空段主要分布在KP45～KP47區間段和南岸登陸段（KP47.9～KP49）。

圖5 2021年11月檢測管道裸露及懸空段空間分布Fig.5 The spatial distribution of exposed and suspended sections of inspected pipeline in November 2021

3.3.2 風險區特征

杭州灣南岸近岸掩埋段管道埋深整體較淺，易受海床沖刷影響，管道在管道沖刷溝內易發生裸露甚至懸空。南岸灘涂區懸空段特點：懸空段呈區域性集中分布，懸空段之間的間距較小，管道均在溝內懸空，連續懸空段附近存在沖刷坑，懸空裸露區域內的掩埋段管道埋深較淺。

掌握管道懸空、裸露頻現的風險區管道埋深情況可以為后續懸空管道防護措施的實施提供數據支撐。根據管道埋深分布情況，繪制了杭州灣南岸灘涂區KP39～KP49 路由段縱剖面圖及不同埋深層的柱狀分布圖，見圖6和圖7。

圖6 杭州灣近南岸段管道埋深縱剖面Fig.6 The longitudinal profile of buried depth of pipeline in Hangzhou Bay near the south bank

圖7 杭州灣近南岸段管道埋深分布柱狀圖Fig.7 The distribution histogram of buried depth of pipelines in Hangzhou Bay near the south bank

縱剖面圖6 中繪制了近3 年檢測的管道埋深情況，同時繪制了裸露及懸空的界線（裸露：埋深小于0 m；懸空：裸露高度超過管道外直徑0.96 m。）。柱狀圖7 中繪制了近4 年全線檢測及2021 年6 月、2021 年8 月加密檢測的管道埋深分布情況。掩埋段管道埋深分布情況為：在KP42～KP49 路由段，管道埋深大部分在1 m以內；原管道裸露段轉變為掩埋狀態之后，管道埋深均在0.5 m 以內，尤其在KP45～KP46.5 及KP48～KP49路由段；靠近管道懸空及裸露段的掩埋段埋深均小于0.5 m，且局部管道處于平露狀態（掩埋深度為0 m）。

2020 年8 月在風險區內出現一沖刷坑，其演變情況見圖8 和圖9，圖8 中標出了懸空段的長度。沖刷坑位于Φ762 管道和Φ711 管道之間（KP48.395 附近下游區域），2020 年6 月加密檢測時未見沖刷坑，管道呈現裸露狀態；2020年8月全線檢測時已出現沖刷坑，經一年時間的沖刷發展，2021年8月加密檢測，沖刷坑上邊緣已在管道上游約3 m 位置，Φ762 懸空段懸空長度增加至23 m，沖刷坑下邊緣已到Φ711 管道附近，并引起Φ711 管道的局部沖刷；2021 年11 月全線檢測，沖刷坑面積依然較大，坑深較深，直接影響該沖刷坑處Φ762管道及下游Φ711管道的安全運行，需密切關注。

圖8 灘涂區管道懸空段海底地形渲染圖Fig.8 Rendering of submarine terrain: pipeline suspended section in beach area

圖9 兩條管道之間的沖刷坑演變Fig.9 Scour pit evolution between two pipelines

分析2020 年8 月到2021 年11 月的檢測數據，Φ762 管道近南岸區域雖然管道附近海床整體有沖有淤，但順著管道方向的管道溝局部存在沖刷，如圖9 所示，受海流的影響，順著Φ762 管道的管道溝逐漸沖刷成型，導致管道在管道溝內呈懸空狀態，且懸空段數和總懸空長度有所增加（見表1）。

3.3.3 風險區域管道附近海床沖淤變化

管道附近海底地形的變化直接影響管道的埋深狀態，進而影響管道的安全運行。表2統計了2015年10月至2021年11月杭州灣南岸KP39～KP49路由段管道附近（管道上下游50 m 范圍）16次檢測的地形沖淤變化情況，每個測次均與前一個測次的地形做沖淤計算。

表2 2015—2021年杭州灣近南岸管道附近海床沖淤變化統計Tab.2 Seabed erosion and deposition changes near the south bank pipeline of Hangzhou Bay (2015 —2021）

從歷次檢測的地形沖淤變化可以看出，杭州灣南岸海底管道附近地形在冬、春季淤積概率較大，夏、秋季沖刷概率較大。隨著管道運行時間延長，在spoiler 自埋鰭技術的作用下，絕大部分管道段處于掩埋穩定狀態，管道出露總長度有所減少；由于杭州灣海域流速大，管道溝內存在不均勻沖刷，導致管道在管道溝內局部裸露甚至懸空（圖8、圖9中的管道溝）。

南岸灘涂區順岸段管道spoiler 自埋鰭技術無法充分發揮作用，管道掩埋速度較慢，管道長期處于裸露狀態，而海床的沖淤直接影響管道的在位狀態。下面分析2015年和2021年杭州灣南岸管道附近地形的沖淤變化對管道狀態的影響。圖10 為杭州灣南岸管道附近海床沖淤分布特征。整體上來說，杭州灣南岸海床沖淤分布不均，整體呈淤積狀態，平均淤積0.6 m。根據地形沖淤變化情況，杭州灣南岸具體分成3 段，分別為順直段（KP39.7～KP47）、拐彎段（KP47～KP47.9）、登陸段（KP47.9～KP49）。

圖10 杭州灣南岸管道附近海床沖淤分布Fig.10 Seabed erosion and deposition near the pipeline on the south bank of Hangzhou Bay

杭州灣南岸順直段（KP39.7～KP47）管道整體走向與岸線及潮流方向平行，spoiler 自埋鰭技術無法充分發揮作用，管道長期處于裸露狀態［31］，2015—2021年該段海床整體淤積，平均淤積0.8 m，管道掩埋長度增加，裸露段逐漸縮進至KP45～KP47段。

杭州灣南岸拐彎段（KP47～KP47.9）管道整體走向與岸線及潮流方向呈一定夾角［31］。該段海床整體呈沖淤相間狀態，最大淤積1.1 m，最大沖刷0.8 m，整體沖淤平衡。針對存在連續懸空段的管道溝進行拋沙袋墊護施工后，管道附近沖刷坑填埋，管道狀態好轉，掩埋率增加。

杭州灣南岸登陸段（KP47.9～KP49）管道整體走向基本與岸線及潮流方向垂直［31］。該段管道海床整體呈沖刷狀態，最大沖刷2.2 m，平均沖刷0.5 m。杭州灣南岸近岸登陸段的管道懸空現象與該處海底地形的不均勻沖刷直接相關。

根據收集到的地質資料及北岸深槽區、南岸灘涂底質柱狀樣分析結果：管道路由區域中間段海床表層為砂質粉土和淤泥質粉砂，為低凝聚松散堆積物；兩端為流塑性低液限黏土，固結度低、含水率高、抗沖性較差。另外，潛水員多次摸探結果顯示，管道懸空類型基本都屬于溝內懸空，大部分懸空管道被硬實土墩擱置在沖刷溝內，呈現連續間隔懸空狀態。杭州灣南岸登陸段附近海底底質以泥質居多，特別是硬度不均勻的泥質分布，易在管道附近產生不均勻沖刷，加上南岸登陸段管道平均埋深在0.5 m 以內，且局部管道處于平露狀態（掩埋深度為0 m），管道極易出現裸露和懸空。

4 結 語

自2005年管道鋪設以來，在管道與水流方向夾角較大的路由段，spoiler自埋鰭技術能夠充分發揮作用，KP4～KP39 路由段管道全部掩埋，處于長期穩定狀態。北岸深槽管道大部分處于掩埋狀態，但受海床沖刷影響，局部管道有懸空裸露現象，對其進行拋石墊護施工后管道掩埋，2020年海床淤積管道完全掩埋且埋深增加。而南岸灘涂區順岸段管道spoiler 自埋鰭技術無法充分發揮作用，管道長期處于裸露狀態，2015 年至2021 年順直段（KP39.7～KP47）管道附近海床整體淤積，管道掩埋率增加，裸露段主要集中在KP45～KP47區間段；拐彎段（KP47～KP47.9）管道原長期存在裸露及連續懸空段，經過拋沙袋墊護施工后管道附近沖刷坑填埋，管道掩埋率增加，埋深在1 m 以內；登陸段（KP47.9～KP49）海床整體沖刷，管道溝內局部沖刷，長期處于裸露狀態的管道局部轉為懸空，處于掩埋狀態的管道掩埋深度不足0.5 m。

近南岸區域海床沖淤頻繁，局部掩埋段管道埋深較淺，懸空裸露管道多位于管道溝內，且呈現集中分布特點，因此建議保持南岸區域管道檢測頻率，沙袋墊護治理的懸空段兩年來管道狀態穩定，未出現懸空。因此，針對溝內懸空且呈區域性集中分布的懸空段，可采取沙袋墊護作為管道短期治理方式。