海底管道后挖溝整治效果分析

引用格式.海底管道后挖溝整治效果分析[J].水利水電快報(bào)，2025，46（7）：73－77，89.

0 引言

海底管道通常用于輸送油氣等能源，其狀態(tài)良好與否直接影響能源輸送的安全性和可靠性。根據(jù)管道與海床的關(guān)系，海底管道的狀態(tài)可以分為掩埋、裸露和懸空。一般來說，應(yīng)盡量消除或減小海底管道懸空長度，以避免管道產(chǎn)生疲勞損傷，確保其穩(wěn)定性和安全性[1]。根據(jù)海底管道的材料、直徑、壁厚、設(shè)計(jì)參數(shù)以及海底環(huán)境等因素，可以計(jì)算出海底管道的最大允許懸空長度[2-3]。懸空管道一旦超過最大允許懸空長度，會(huì)大大增加管道的應(yīng)力疲勞，可能會(huì)導(dǎo)致管道下沉、彎曲或斷裂，從而對管道的安全運(yùn)行造成不利影響，應(yīng)高度重視其預(yù)防和整治措施。為防止管道鋪設(shè)初期出現(xiàn)懸空，一般可以采用挖溝鋪設(shè)或安裝擾流板（Spoiler）裝置自埋，但前者施工難度大、經(jīng)濟(jì)花費(fèi)高，后者可能會(huì)受海域潮流流向及海床條件的限制而效果不佳[4-5]。在管道運(yùn)營過程中，可安裝管道防沖刷裝置預(yù)防管道懸空，如模袋浮板法[]。當(dāng)管道出現(xiàn)懸空后，應(yīng)適時(shí)采取一定的治理措施，目標(biāo)是消除或減小管道懸空長度。常用的措施包括吹泥沉降法、拋石法、重物壓載法、結(jié)構(gòu)支撐法、仿生草法、后挖溝法等。吹泥沉降法是利用水流的沖刷作用將跨肩土體削平，從而使海管沉降，以消除懸空[7]；拋石法是在懸空管道周圍拋填礫石等材料[8];重物壓載法是在管道周圍鋪設(shè)重物來穩(wěn)定和保護(hù)管道，重物可選擇水泥壓塊、混凝土聯(lián)鎖排等]；結(jié)構(gòu)支撐法是指通過在管道的底部或周圍設(shè)置支撐結(jié)構(gòu)，支撐結(jié)構(gòu)包括但不限于沙袋、錨桿、防滑墊、灰漿氣囊、水泥樁；仿生草法是通過仿生水草對海流的黏滯阻尼作用，降低波浪的沖擊力，減緩水流速度，使泥沙不斷沉積到仿生水草帶上，減少管道暴露在外部環(huán)境中的風(fēng)險(xiǎn)，防止機(jī)械破壞和生物腐蝕，但造價(jià)較高[10]；后挖溝法是指在海床上挖掘出一條溝槽，管道懸跨一定距離后在自重作用下沉至溝底；再利用水流作用，管道溝自動(dòng)回淤[]

以往關(guān)于后挖溝整治懸空海底管道的研究主要集中在施工方案優(yōu)化[12-14]、儀器設(shè)備對比[15]、管道應(yīng)力變化分析[16-17]等方面。然而，針對海床沖淤及其對海底管道狀態(tài)影響的持續(xù)性跟蹤和分析，以及從這一角度探討整治效果的文獻(xiàn)相對較少。因此，本文基于工程實(shí)例，分析和探討相關(guān)問題，旨在為海底管道的安全管理和維護(hù)提供參考。

1 工程概況與研究方法

研究區(qū)海底管道位于舟山海域，總長度超過30km。為及時(shí)了解管道狀態(tài)，每年均對管道進(jìn)行檢測，主要包括多波束水深測量、淺地層剖面儀測量和側(cè)掃聲吶檢測等[18]。在2017年10月的檢測中，在管道里程 KP10.5 附近沖刷坑內(nèi)發(fā)現(xiàn)一處管道超長懸空段，隨即填充沙袋支撐該懸空段，以保護(hù)管道的安全[19]為了確保海底管道的安全并實(shí)現(xiàn)長期治理的目標(biāo)，2018年5月對管道里程 KP6.8～KP15 段（總長約8.2km 采用后挖溝法進(jìn)行沉管施工整治（以下簡稱“后挖溝段”）。所用后挖溝法指在海底管道鋪設(shè)完成后，通過專門的挖溝設(shè)備和技術(shù)挖掘管道下方及周圍的海底，形成溝槽，將管道沉入挖溝內(nèi)。隨后，可以通過天然淤積或人工方法對溝槽進(jìn)行回填，以保護(hù)管道免受外部環(huán)境的影響，減少水流沖刷和船只拋錨等外力的破壞，從而提高管道的穩(wěn)定性，適應(yīng)復(fù)雜的海床條件。

為了研究后挖溝整治對管道狀態(tài)和海床沖淤的影響，收集了研究區(qū)內(nèi)共計(jì)10次的管道檢測結(jié)果進(jìn)行分析。檢測結(jié)果包括 2015～2022 年每年10月份左右的8次常規(guī)檢測，以及2018年4月（整治前末次檢測）和2018年6月（整治后首次檢測）2次加密檢測。

2 海床沖淤

海床的沖淤現(xiàn)象會(huì)直接影響海底管道的狀態(tài)，其中海床沖刷是引起海底管道懸空最主要的原因[20 -22]除海床天然沖淤外，人類活動(dòng)也會(huì)對海床的沖淤變化產(chǎn)生影響。后挖溝整治行為可能會(huì)導(dǎo)致海床短期內(nèi)發(fā)生沖刷；而整治完成后，管道溝內(nèi)的海床通常會(huì)出現(xiàn)回淤現(xiàn)象。這是因?yàn)闇蟽?nèi)水流速度減緩，導(dǎo)致懸浮物和沉積物逐漸在管道周圍的海床上沉積。回游現(xiàn)象有助于逐漸恢復(fù)管道周圍海床的原貌，并可能對管道的穩(wěn)定性和安全性產(chǎn)生積極影響。因此，在進(jìn)行后挖溝整治后，需要監(jiān)測和評估管道溝內(nèi)海床的回淤情況，以確保管道的正常運(yùn)行。

本文匯總了歷次檢測出的海底地形高程數(shù)據(jù)，將不同檢測時(shí)期的數(shù)據(jù)分組并進(jìn)行沖淤計(jì)算（表1）。表1中的海床整體平均沖淤是指沿管道方向KP6.8～KP15、平行于管道方向左右各 50m 的范圍內(nèi)，海底高程沖淤統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的平均值；管道溝內(nèi)海床平均沖淤是指沿管道方向 KP6.8～KP15 、后挖溝溝底（平均溝寬約 13m ）海床高程沖淤統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)平均值，該值代表了后挖溝溝底的回淤情況。

為了更加直觀展現(xiàn)出后挖溝段海床沖淤情況，利用歷次檢測出的海底地形高程數(shù)據(jù)進(jìn)行分組對比，生成海床沖淤圖，見圖1，圖中共展現(xiàn)出了7組海床沖淤對比。

對比2017年10月與2016年10月沖淤情況，后挖溝段海床整體沖刷 0.3m，KP10.5 附近局部存在較大沖刷，導(dǎo)致了超長懸空段的出現(xiàn)；對比2018年4月與2017年10月沖淤情況，后挖溝段海床整體沖淤平衡，但KP10.5附近顯現(xiàn)出局部較大回淤，這是采用拋填沙袋等方式進(jìn)行管道支撐和填充深坑應(yīng)急處理的原因。

注： ① 2017年10月對比2016年10月； ② 2018年10月對比2017年10月； ③ 2019年10月對比2018年10月； ④ 2019年10月對比2016年 ⑤ 2018年4月對比2017年10月； ⑥ 2018年6月對比2018年4月； ⑦ 2018年10月對比2018年6月。

整治時(shí)間在2018年5月，對 KP6.8～KP15 段進(jìn)行挖溝沉管施工整治。對比2018年6月與2018年4月的沖淤情況，因人工挖溝而形成的海床沖刷溝輪廓清晰可見，管道溝內(nèi)平均沖刷 2.4m 。對比2018年10月與2017年10月沖淤情況，整治期包含在該范圍內(nèi)，圖中顯示海床整體平均沖刷 0.2m ，受到后挖溝施工整治的影響，溝內(nèi)平均沖刷 1.2m 。

整治后，挖溝后需要一定的時(shí)間回游，對比2018年10月與2018年6月的沖淤情況，后挖溝段挖溝整治后整體平均淤積 0.2m ，溝內(nèi)平均淤積 1.2m 。對比2019年10月與2018年10月沖淤情況，海床整體平均淤積 0.1m ，溝內(nèi)平均淤積 1.0m 。

從更長的時(shí)間跨度來看，對比2016年10月與2019年10月后挖溝段海床沖淤量，海床整體平均沖刷 0.3m ，溝內(nèi)平均沖刷 0.4m ，二者較為接近。僅從沖刷量的角度來看，后挖溝整治后，管道溝尚未回淤平整，但已趨近于挖溝之前的狀態(tài)。見圖1的 ④ ，只有KP13.0～KP14.4 仍可看出較為明顯的沿管道方向的沖刷痕跡，其余部分海床沖淤基本上與周圍海床沖淤融為一體，并未顯現(xiàn)出沿管道方向的明顯特征性沖淤。

綜上，通過對歷次檢測的海底地形高程數(shù)據(jù)進(jìn)行沖淤計(jì)算和分組對比，可以看出后挖溝段海床在整治前、整治期及整治后均經(jīng)歷了不同程度的沖刷與淤積。整治前，海床沖淤呈現(xiàn)出整體性的變化，但也存在局部較大沖刷，整治期間由于人工挖溝，管道溝海床平均沖刷達(dá)到 2.4m ，整治后則逐漸回淤。

3 管道狀態(tài)

3.1 管頂高程變化

將后挖溝段2017年10月至2022年10月的8次常規(guī)檢測管頂高程標(biāo)注在同一圖內(nèi)，見圖2。受到后挖溝沉管施工整治的影響，圖中管頂高程可以明顯分為兩組： ① 2015年10月至2017年10月后挖溝整治前的3次常規(guī)檢測管頂高程， KP6.8～KP15 管頂平均高程均為 -11.7m ，最大高程 -9.3m ，最小高程-14.5m ② 2018年10月至2022年10月后挖溝整治后的5次常規(guī)檢測管頂高程， KP6.8～KP15 管頂平均高程均為 -14.8m ，最大高程 -9.3m ，最小高程-16.9m 。由 KP6.8～KP15 管頂平均高程從-11.7m 減小至 -14.8m 可知，后挖溝段平均沉管約 3.1m 。

管道管頂高程除因后挖溝施工整治產(chǎn)生的整體降低外，未見其他原因?qū)е碌拿黠@位移，整治后管頂高程比較穩(wěn)定。通過圖2還可以看出，后挖溝整治后，KP6.8～KP7.1 為管道平緩下降過渡區(qū)，管頂高程由約 -9.3m 下降至約 -13.0m;KP7. 1～KP14.6 為管道平緩沉管區(qū)，管道短距離內(nèi)相對平緩下降或拾升；KP14.6～KP15.0 為管道平緩抬升過渡區(qū)，管頂高程由約 -15.4m 抬升至約 -12.2m 。

3.2 管道狀態(tài)變化

海底管道的狀態(tài)可以分為掩埋、裸露和懸空，結(jié)合管道管頂高程變化及相對應(yīng)時(shí)期管道垂直向下方向海底高程的變化，即可知曉管道狀態(tài)的變化情況。管道管頂與其垂直向下到海底的距離即為管道埋深 M，m H_PP 為管道海底高程， m;H_HH 為管道管頂高程， m;D 為管道管徑， m;M_??，? 為管道裸露高度，mathbf { m } ; M _" 為管道懸空高度， m 。

由式 （1）～（3） 可知，管道狀態(tài)主要受到管頂高程和海底高程的影響，而海底高程主要受到海床沖淤的影響。2017年10月至2022年10月的8次常規(guī)檢測管道管頂與其垂直向下方向海底高程見圖3。2015年10月至2017年10月后挖溝整治前的3次檢測結(jié)果顯示，管道 KP6.8～KP15 段埋深較淺;2018年10月～2020年9月整治后的3次檢測結(jié)果顯示，該段埋深整體增大，但 KP12.9～KP15 段埋深相對較淺且變化較大；2021年10月至2022年10月的2次檢測結(jié)果顯示，后挖溝段埋深整體趨于穩(wěn)定，最小掩埋深度也在1m以上，相關(guān)埋深數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)信息見表2。

2017年10月檢測出KP10.5附近存在管道超長懸空段，經(jīng)后挖溝整治及回淤，2019年10月后已經(jīng)穩(wěn)定在掩埋狀態(tài)，掩埋深度約 6.5m ，見圖4。

綜上所述，2018年5月進(jìn)行海底管道后挖溝整治，隨即開始出現(xiàn)挖溝淤積；在接下來的1a內(nèi)，挖溝整體迅速淤積；2a后，僅有部分挖溝溝底仍未與溝邊淤平，被開挖破壞的海床整體基本上淤積恢復(fù)到了整治前的狀態(tài)；3a后，大部分挖溝基本消失，小部分僅存的挖溝內(nèi)海床沖淤已經(jīng)與周圍天然海床沖淤同步。

4 分析與討論

4.1 后挖溝整治效果分析

后挖溝整治的實(shí)施顯著改善了海底管道的狀態(tài)。通過對管道狀態(tài)的檢測數(shù)據(jù)分析，可以看出，在后挖溝整治后，管道整體埋深增加，特別是在曾經(jīng)存在超長懸空段的KP10.5附近，經(jīng)過整治和隨后的回淤，管道已經(jīng)恢復(fù)為掩埋狀態(tài)。這表明后挖溝法在短期可改善管道懸空、裸露的現(xiàn)象，提高管道的安全性；長期來看可增加抵抗外界海床沖淤變化對管道狀態(tài)影響的能力，進(jìn)一步增強(qiáng)了管道的長期穩(wěn)定性。

4.2海床沖淤變化的影響

海床沖淤變化對海底管道的狀態(tài)有著重要的影響。整治期間，由于人工挖溝導(dǎo)致的海床沖刷現(xiàn)象明顯，平均沖刷深度達(dá) 2.4m 。整治后，隨著海床的回淤，管道周圍的海床逐漸恢復(fù)，顯示出良好的自我修復(fù)能力。掌握這種沖淤規(guī)律可在一定程度上有助于維持管道的穩(wěn)定，減少潛在的風(fēng)險(xiǎn)。因此，定期檢測海床的沖淤變化對于管道的長效管理至關(guān)重要。

4.3管道狀態(tài)與海床高程的關(guān)系

通過對管頂高程與海床高程的對比分析，可以清晰地看到管道狀態(tài)的變化。隨著海床的沖淤變化，管道的埋深也發(fā)生了相應(yīng)的變化。當(dāng)管道的埋深增加，尤其是達(dá)到一定的掩埋深度時(shí)，管道狀態(tài)不容易受到天然海床沖刷的影響，管道的安全性和穩(wěn)定性顯著提高。此外，整治后的管道狀態(tài)趨于穩(wěn)定，表明后挖溝法可有效改善管道狀態(tài)。

4.4管道狀態(tài)變化趨勢分析

從時(shí)間上看，2017年10月檢測在夏季風(fēng)暴潮后，海床整體微沖，KP10.5附近由于海流沖刷，局部出現(xiàn)坑洞地形，造成超限管道懸空；2018年5月進(jìn)行海底管道后挖溝整治，整治后管道平均掩埋深度逐步增大，隨后趨于相對穩(wěn)定，整治后管道一直保持在掩埋狀態(tài)。一般而言，冬季潮差小，基本無風(fēng)暴潮影響，往往是海床回淤的有利時(shí)間段；夏季潮差大，加上風(fēng)暴潮影響，海流動(dòng)力相對較大，海床易受沖刷，是管道狀態(tài)變差的重要時(shí)間節(jié)點(diǎn)。在較長周期內(nèi)，海床微沖的概率相對較高，主要原因如下： ① 管道路由區(qū)域海床表層多為淤泥質(zhì)細(xì)砂組成的松散堆積物，抗沖性較差； ② 管道工程長期處于風(fēng)暴潮易發(fā)區(qū)域； ③ 受自然因素和圍墾造地、橋梁工程等人類活動(dòng)的影響，管道路由段海床除西部邊灘微淤外，整體處于微沖環(huán)境中[23]； ④ 管道路由段徑流和漲潮流速較大，海床表層泥沙頻繁交換； ⑤ 管道路由方向與徑流和潮流速度方向不完全垂直，加上區(qū)域內(nèi)流速較大，泥沙促淤條件受限制。因此，從更長期的角度來看，不排除將來管道會(huì)再次出現(xiàn)因海床沖刷導(dǎo)致的裸露甚至懸空。

5 結(jié)論與建議

海床沖淤現(xiàn)象對海底管道穩(wěn)定性具有直接影響，其中海床沖刷是導(dǎo)致管道懸空的關(guān)鍵因素。通過實(shí)施后挖溝整治并開展為期4a的效果跟蹤發(fā)現(xiàn)，管道溝內(nèi)海床呈現(xiàn)普遍自然回淤的特征，管道埋深經(jīng)整體提升后趨于穩(wěn)定。原超長懸空管段已經(jīng)穩(wěn)定，處于掩埋狀態(tài)，管頂高程整治期間變小后再無明顯改變。研究結(jié)果表明，后挖溝法作為一項(xiàng)針對長距離海底管道的工程措施，能夠?qū)崿F(xiàn)管道的穩(wěn)定埋設(shè)，顯著改善管道狀態(tài)、降低懸空風(fēng)險(xiǎn)，具有工程實(shí)效性突出、長效性特征明顯的綜合治理優(yōu)勢。

為進(jìn)一步提升海底管道運(yùn)行的安全性和后挖溝整治效果，提出以下建議： ① 在后挖溝施工整治后，建議在海洋環(huán)境變化較大的區(qū)域?qū)嵤┒ㄆ诒O(jiān)測，監(jiān)測內(nèi)容應(yīng)包括海床沖淤情況、管道狀態(tài)變化和潛在的環(huán)境影響等。 ② 挖溝深度應(yīng)合理，過淺可能導(dǎo)致整治效果不佳且容易發(fā)生沖刷，過深則會(huì)延長施工時(shí)間并增加成本，應(yīng)權(quán)衡選擇。 ③ 管道溝如果不易自然淤積平整且有進(jìn)一步?jīng)_刷的風(fēng)險(xiǎn)，可以考慮采取人工回填作業(yè)或安裝防沖刷裝置等措施。 ④ 在海底管道設(shè)計(jì)時(shí)，可考慮留出一定的流動(dòng)緩存長度，以防后續(xù)需要進(jìn)行后挖溝施工整治，并需注意管道應(yīng)力應(yīng)變情況。 ⑤ 針對管道周圍最新的水動(dòng)力條件變化，建議更新完善水動(dòng)力模型研究成果，以更精確地預(yù)測海床沖淤變化的趨勢。

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（編輯：張爽）