（海洋地质专业论文）粘性海床管道冲刷、自埋和安全评估.pdf

粘性海床管道冲刷、自埋和安全评估 摘要 使用双频侧扫声纳系统、浅地层剖面仪和相干声纳测深系统对东方1 1 海底 输气管道进行了综合调查，发现了百余个管下冲刷坑，这些冲坑己造成管道悬跨， 严重威胁管道的安全。 通过对东方1 - 1 海底管道的实测资料分析，结合物理模型试验和数值计算方 法，研究粘性海床管道周围冲刷机理，预测正常天气条件下平衡冲刷深度；研究 管道自埋机理，讨论管道周围海底冲刷与管道自埋的关系；探讨管道周围底形演 变过程对管道受力的影响；估算管道允许最大悬跨长度，评估管道的安全性；提 出管道维护措施。 依据实测管道周围海床的冲刷特征，将粘性海床管道周围冲刷分为管侧冲刷 和管下冲刷两种，这两种冲刷现象分别是在常态水动力条件和台风条件下形成 的。研究区潮流可导致管道两侧海底冲刷( 管侧冲刷) ，最大冲刷深度与前人提出 的砂质底床管道周围最大冲刷深度吻合。海底冲刷过程中泥沙运动形式主要为悬 移质，而较粗的颗粒滞留海底，从而使管道周围底质不断粗化。管道下方存在许 多大规模冲刷坑( 管下冲刷) ，台风是管下冲坑的主要动力机制。 虽然管道两侧冲刷与管下冲刷的机理不同，但二者之间是有联系的。管下冲 刷坑的发展过程可分为四个阶段：泥沙起动阶段、水流隧道发育阶段、快速掏空 阶段和掏空平衡阶段。管道两侧冲刷是管下冲刷的第一个阶段，为管下冲刷创造 了条件，但常态水动力作用下管道周围海底冲刷只能停留在该阶段，只有在台风 作用下，且管侧冲刷的累积作用达到管涌所需要的条件之后才会出现管下冲刷现 象。 d f l 1 深水区( 水深 3 7 m ) 管道自埋机理主要有重力下沉和冲刷自埋两种，管 道自埋深度为重力下沉深度和冲刷自埋深度之和，其中冲刷自埋深度与管侧冲刷 深度具有相同的规律。常态水动力造成的管侧冲刷可导致管道自埋，从而可减小 台风引起的管下冲坑长度和管道悬跨长度，可能对管道具有保护作用。 管侧冲刷既可导致管道自埋抑制管下冲刷，又可为管涌创造条件促进管下冲 刷，具体哪种作用占主导取决于管道自埋速率、台风发生频率及台风强度。在 d f l 1 管道铺设完成之后的早期阶段管侧冲刷以导致管道自埋抑制管下冲刷为 主，后期阶段管侧冲刷以促进管下冲刷为主。 物理模型试验结果表明，在不同水动力条件、底质条件和管道初始埋藏深 度条件下，管道周围海床演变过程表现出不同规律，主要分为四种类型：n ) 无冲 刷；( i i ) 无沙纹的冲刷；( i i i ) 不受沙纹影响的冲刷：( i v ) 受沙纹影响的冲刷。若沙 波规模相对管道暴露部分较小，管道周围水流足以破坏管道前方沙纹的结构被 破坏后的沙粒从管下通过，因此小沙纹或沙波的活动性对冲刷过程几乎无影响。 如果沙波规模相对管道暴露部分较大，管道周围水流不能够破坏管道前方沙纹的 结构，管道被活动沙纹周期性埋藏。 不同的海床演变过程对管道所受波浪力的影响不同。在相同水动力作用下， 类型i 中管道在冲刷过程中受力比较稳定；类型u 与i i i 中管道在冲刷启动( 管 涌) 阶段受力较大，然后逐渐减小，并很快达到稳定值；类型i v 中管道受力状态 受沙纹活动性的影响很大。 为减小管道所受波浪力，不同类型海床上的管道需要不同的埋设深度。粉砂 底床上半埋管道比裸置管道受力小很多，但砂质底床上二者相差不大，而对于第 四种冲刷类型来说，活动沙波对管道受力的影响很大，半埋管道所受波浪力甚至 比裸置管道受力大( 浮动性也大) ，故在砂质海床上铺设管道时应将管道埋至沙波 活动层之下。 分别从静态情况下管道弯曲变形和避免涡激共振的角度估算管道的极限悬 跨长度。计算结果表明，静态条件下管道极限悬跨长度为5 6 m ，跨长超过该值时 管道将会弯曲变形。为避免涡激振动，使用最高安全系数计算出常态水动力条件 下的管道极限悬跨长度为3 0 m ；百年重现期台风条件下极限悬跨长度为2 0 m ，为 保障管道安全建议消除长度大于2 0 m 的悬跨。小间距连续悬跨对管道的安全威 胁很大，共发现8 处连续悬跨点。安全隐患最大的管段主要集中在k p 4 2 k p 5 1 之间。建议在c e p k p 4 2 之间尝试“人工草 防护方法预防小间距连续悬跨的出 现；k p 4 2 k p 5 1 之间应该重新挖沟，将管道埋设，消除悬跨。 本文研究成果的创新性主要体现在： 1 ) 依据实测管道周围海床的冲刷特征结合物理模拟试验，研究粘性海床管道 周围冲刷机理和冲刷过程。研究表明，粘性海床管道周围冲刷分为管侧冲刷和管 下冲刷两种类型，常态水动力造成的管侧冲刷为台风造成的管下冲刷所需要的管 涌创造了条件，而台风对管侧冲刷又起到加强作用。将两种冲刷现象及其动力机 制区别而又联系起来，更符合实际现场情况。 2 ) 研究常态水动力的双重作用，一方面可导致管道自埋阻碍管下冲刷，另一 方面又可为管涌创造条件促进管下冲刷。管侧冲刷在d f l 1 管道 带设完成之后 的不同时期昕起的作用不同：早期阶段管侧冲昂4 以导致管道自埋赫制管下冲刷为 主，后期阶段管侧冲刷以促进管下冲刷为主。这对铺设于粘性海床上的管道维护 具有重要参考价值。 3 ) 将管道周围海床演变类型分为四种类型，研究不同海床演变类型在冲刷过 程中对管道受力的影响。管道周围海床演变类型有：( i ) 无冲刷；( i i ) 无沙波的冲 刷；( i i i ) 不受沙波影响的冲刷；( i v ) 受沙波影响的冲刷。类型i 中管道受力在冲 刷过程中比较稳定；类型u 与i l i 中管道受力在冲刷启动阶段较大，在冲刷初 始阶段逐渐减小，并很快达到稳定值；类型管道受力受沙波活动性的影响很 大。不同类型的冲刷过程及其对管道受力的影响不同，这对制定不同条件下的海 底管道的具体维护方案具有参考价值。 4 ) 用不同方法计算管道在不同水动力条件下的极限悬跨长度，评估管道在不 同重现期内的安全性，对海上油气资源丰富但经常遭受台风袭击的南海海域中的 管道维护具有普遍意义。 关键词：海底管道；冲刷；悬跨；自埋；波浪力；安全评估 l o c a ls c o u r , s e l f - b u r ya n ds a f e t ya s s e s s m e n t n - l 0 ias u d m a r i n ep i p e l i n ei nc o i i e s i v es o i l s a b s t r a c t d f l - 1s u b m a r i n ep i p e l i n ew a si n v e s t i g a t e du s i n ga ni n t e g r a t e ds u r v e y i n gs y s t e m ， i n c l u d i n gad u a l f r e q u e n c ys i d e s c a ns o n a r , ah i g hr e s o l u t i o ns u b - b o t t o mp r o f i l e r , a n d as w a t hs o u n d e rs y s t e m m o r et h a nah u n d r e do fs c o u rp i t su n d e rt h ep i p e l i n ew e r e f o u n dd u r i n gt h ep i p e l i n er o u t es u r v e y , m o s to fw h i c hh a v ec a u s e dt h es p a no ft h e p i p e l i n ea n d t h r e a t e nt h es a f e t yo ft h ep i p e l i n e u s i n gm e t h o d so f f i e l d i n v e s t i g a t i o n s ，p h y s i c a l s i m u l a t i o n sa n dn u m e r i c a l c a l c u l a t i o n s ，t h em e c h a n i s mo fl o c a ls c o u ra r o u n ds u b m a r i n ep i p e l i n e si nc o h e s i v e s o i l sw a ss t u d i e d ，a n dt h em a x i m u ms c o u rd e p t hu n d e ro r d i n a r yw e a t h e rc o n d i t i o n s w a se s t i m a t e d ；t h em e c h a n i s mo ft h es e l f - b u r yo ft h ep i p e l i n ew a ss t u d i e d ，a n dt h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h es e l f - b u r ya n dt h el o c a ls c o u rw a sd i s c u s s e d ；t h ei n f l u e n c e so f t h el o c a lb e d f o r me v o l u t i o no nt h eh y d r o d y n a m i cf o r c e se x p e r i e n c e db yt h ep i p e l i n e w e r ed i s c u s s e d ；t h em a x i m u ma l l o w a b l ef r e es p a nl e n g t h ( m a r s uo ft h ep i p e l i n e w a sc a l c u l a t e d ，a n dt h es a f e t yo ft h ep i p e l i n ew a se s t i m a t e d ；m e t h o d sf o rp r o t e c t i n g t h ep i p e l i n ew e r ep r o p o s e d b ya n a l y z i n gt h ep i p e l i n ef i e l di n v e s t i g a t i o nd a t a ，t h ec o n c e p t so f s i d es c o u r a n d d o w ns c o u r w e r ep r o p o s e df o rt h el o c a ls c o u r sa r o u n ds u b m a r i n ep i p e l i n e si n c o h e s i v eb e d s ，w h i c hp r o b a b l yr e s u l tf r o mt i d a lc u r r e n t sa n dh u r r i c a n e i n d u c e d c u r r e n t sr e s p e c t i v e l y t h et i d a lc u r r e n ti nt h es t u d ya r e ac a nc a u s et h es e a b e ds c o u r s o nb o t hs i d e so ft h ep i p e l i n e ( s i d es c o u r s ) ，t h em a x i m u ms c o u rd e p t h so fw h i c ha g r e e w e l lw i t ht h ec a l c u l a t e dr e s u l t sa c c o r d i n gt ot h ee q u a t i o n sp r o p o s e db yd i f f e r e n t r e s e a r c h e sb a s e do ne x p e r i m e n t a ls t u d i e sw i t hs a n do rs i l tb e d s t h ef i n e rs e d i m e n t s w e r et r a n s p o r t e dm a i n l yi nt h ef o r mo fs u s p e n d e dl o a di nt h es c o u rp r o c e s s ，w h i l et h e c o a r s e rs e d i m e n t sw e r ed e t a i n e do nt h es e a b e d ，w h i c hc a u s e dt h el o c a ls e d i m e n t s b e c o m i n gc o a r s e r t h e r ee x i s t sl o t so fs c o u rp i t su n d e rt h ep i p e l i n e ( d o w ns c o u r s ) ， w h i c hm a yb em a i n l yc a u s e db yh u r r i c a n e s t h es i d es c o u r sm a yb er e l a t e dt ot h ed o w ns c o u r s ，a l t h o u g ht h e ym a yb ec a u s e db y d i f f e r e n th y d r o d y n a m i cf o r c e s e x p e r i m e n t a ls t u d i e ss h o w e dt h a tt h ed o w ns c o u r p r o c e s sc a nb ed i v i d e di n t of o u rs t a g e s ：( i ) s e a b e ds c o u ro nb o t hs i d e so ft h ep i p e l i n e ； ( i i ) p i p i n g ；( i i i ) s e a b e ds c o u ru n d e rt h ep i p e l i n e ；( i v ) s c o u re q u i l i b r i u m t h es i d e s c o u ri st h ef i r s ts t a g eo ft h ed o w ns c o u rp r o c e s s t h es t u d yr e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h e t i d a lc u r r e n t si nt h es t u d ya r e ac a nn o tm a k et h es c o u r p r o c e s sr e a c ht h es e c o n ds t a g e ( p i p i n g ) ，w h i c ho c c u r so n l yw h e nt h ea c c u m u l a t i v ee f f e c t so ft h es i d es c o u rr e a c ht h e c r i t i c a lc o n d i t i o n sb yh u r r i c a n e s t h ed f l - 1s u b m a r i n ep i p e l i n ei nt h ed e e pw a t e rr e g i m e ( w i t hw a t e rd e p t h 3 7 m ) m a y b eb u r i e di t s e l fd u et oe f f e c t so ft h eg r a v i t ya n dt h es i d es c o u r s t h em a x i m u m b u r i a ld e p t ho ft h ep i p ew a st h et o t a le f f e c t so ft h a tc a u s e db yg r a v i t ya n dt h es i d e s c o u r sr e s p e c t i v e l y , w h i l et h eb u r i a ld e p t hc a u s e db ys c o u r sc o r r e s p o n d sw e l lw i t ht h e m a x i m u ms i d es c o u rd e p t h t h es e l f - b u r ym a yp r o t e c tt h ep i p e l i n eb yr e d u c i n gt h e d o w ns c o u r sa n d s p a nh e i g h tc a u s e db yh u r r i c a n e s t h es i d es c o u r sc a ne i t h e ri n h i b i tt h ed o w ns c o u r sb yi n d u c i n gt h es e l f - b u r yo ft h e p i p e l i n eo ra c c e l e r a t et h ed o w ns c o u r sb ym a k i n gc o n d i t i o n sf o rp i p i n g ，t h em a j o r i t y e f f e c t so fw h i c hd e p e n d0 1 1t h er a t eo fs e l f - b u r y , t h ef r e q u e n c ya n di n t e n s i t yo f h u r r i c a n e s t h es i d es c o u r si n h i b i t e dt h ed o w ns c o u r sa tt h ee a r l ys t a g ea f t e rt h e p i p e l i n ew a sl a i d ，w h i l ea c c e l e r a t i n gt h ed o w ns c o u r sn o w e x p e r i m e n t a ls i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w e dt h a t ，d e p e n d i n go nw a v ec o n d i t i o n s ，s o i l g r a i ns i z ea n di n i t i a lb u r i a ld e p t ho ft h ep i p e l i n e ，d i f f e r e n tn e a r - f i e l db e de v o l u t i o n b e h a v i o rw e r er e c o r d e d t h eo b s e r v e db e h a v i o r sw e r ec l a s s i f i e di n t of o u rd i f f e r e n t b a s i cr e g i m e s ，n a m e l y ：( i ) n os c o u r , ( i i ) s c o u rw i t h o u ts a n dr i p p l e s ，( i i i ) s c o u rw i t h s m a l ls a n dr i p p l e s ，( i v ) s c o u rw i t hl a r g es a n dr i p p l e s a sl o n ga st h e h e i g h t so fr i p p l e s a r es m a l l e rt h a nt h a to ft h eu n b u r i e ds e c t i o no ft h ep i p e l i n e ，t h ef l o wn e a r b yt h e p i p e l i n ei sa b l et od e s t r o yt h er i p p l e sa n dt r a n s p o r tt h es a n dt h r o u g ht h eg a pb e t w e e n t h ep i p ea n dt h es e a b e d ，s ot h em o v i n gs m a l ls a n dr i p p l e sh a v ev e r yl i m i t e de f f e c t so n t h es c o u rp r o c e s s h o w e v e r , i ft h eh e i g h t so fr i p p l e sa r ec o m p a r a b l et oo rl a r g e rt h a n t h ep i p e l i n e su n b u r i e ds e c t i o n ，t h ef l o wn e a r b yt h ep i p e l i n ei sn o ts t r o n ge n o u g ht o d e s t r o yt h er i p p l e s a sar e s u l t ，t h es c o u rp r o c e s si ss i g n i f i c a n t l ya f f e c t e db yt h e p r e s e n c eo ft h er i p p l e sw i t ht h ep i p e l i n eb e i n gp e r i o d i c a l l yb u r i e de i t h e rp a r t l yo r c o m p l e t e l yb yt h em o v i n gr i p p l e s t h ei n f l u e n c eo fs c o u r i n gp r o g r e s so nw a v ef o r c e sw a sf o u n dt ov a r ys i g n i f i c a n t l y i nd i f f e r e n ta f o r e m e n t i o n e dr e g i m e s i nr e g i m ei ，t h ew a v ef o r c e sw e r eq u i t es t a b l e ；i n r e g i m e i ia n di i i ，t h e 、a x ef o r c e sg e n e r a l l yu n d e r w e n tag r a d u a lr e d u c t i o na n d r e a c h e dt h e i re q u i l i b r i u mf o r c ev a l u e sa tr a t h e re a r l ys t a g e so ft h es c o u rp r o c e s s ；i n r e g i m ei v , t h ew a v ef o r c e sw e r es i g n i f i c a n t l y a f f e c t e db yt h er i p p l e sa c t i v i t ya n d u s u a l l yh i g h e rt h a nt h a tw i t h o u tt h ei n f l u e n c eo fr i p p l e s p i p e l i n e ss h o u l db eb u r i e dt od i f f e r e n td e p t h st or e d u c et h ew a v ef o r c e sd e p e n d i n g o nd i f f e r e n ts o i lg r a i ns i z eo ft h es e a b e d i ns i l ts o i l ，t h ew a v ef o r c e so ni n i t i a l l yh a l f b u r i e dp i p e l i n e sw e r em u c hs m a l l e rt h a nt h a to ni n i t i a l l yf u l l ye x p o s e dp i p e l i n e s ，b u t t h a tw e r en o tn e c e s s a r i l yt r u ei ns a n d yb e d i ns c o u r r e g i m ei vo fs a n db e d ，w h e r et h e r i p p l e sa c t i v i t yc a ns i g n i f i c a n t l yi n f l u e n c et h es c o u rp r o c e s s ，w a v ef o r c e s ( w i t hh i g h f l u c t u a t i o n ) o ni n i t i a l l yh a l fb u r i e dp i p e l i n e sa r ee v e nh i g h e rt h a nt h o s eo ni n i t i a l l y u n b u r i e dp i p e l i n e s t h e s er e s u l t ss t r o n g l ys u g g e s tt h a tt h es u b m a r i n ep i p e l i n en e e d st o b eb u r i e db e l o wt h ea c t i v el a y e ro fs a n dr i p p l e si no r d e rt or e d u c ew a v ef o r c e s b o t hs t a t i ca n dd y n a m i ca n a l y s e sw e r eu s e dt os t u d yt h em a x i m u ma l l o w a b l ef r e e s p a nl e n g t h ( m a f s l ) o ft h ep i p e l i n e t h es t u d yr e s u l t ss h o wt h a t ，t h em a f s l u n d e r s t a t i cc o n d i t i o n si s5 6 m h o w e v e r , t h em a f s li s3 0 ma n d2 0 mu n d e ro r d i n a r y w e a t h e rc o n d i t i o n sa n dh u r r i c a n e - i n d u c e dc u r r e n t si n 1 0 0 - y e a r r e t u r n p e r i o d r e s p e c t i v e l yt oa v o i dv o r t e xi n d u c e dv i b r a t i o n ( v ie ) c a l c u l a t e du s i n gt h eh i g h e s t s a f e t yc l a s sf a c t o r i ti ss u g g e s t e dt h a tt h es p a n sl o n g e rt h a n2 0 ms h o u l db ed i s p o s e d a d d i t i o n a l l ye i g h ts u c c e s s i v es p a n sw h i c hm a ya l s ot h r e a t e nt h ep i p e l i n ew e r e p r o p o s e di nt h es t u d y t h em o s th a z a r d o u ss c o u rp i t sa r ei nt h ep i p e l i n es e c t i o nf r o m k p 4 2t 0k p 5 1 m e t h o d sf o rp r o t e c t i n gf r e es p a n n i n gp i p e l i n e sw e r ea n a l y z e da n dc o m p a r e d as o c a l l e d “a r t i f i c i a lg r a s s ”t e c h n i q u ei ss u g g e s t e df o rp r o t e c t i n gt h ep i p e l i n es e c t i o nf r o m c e pt ok p 4 2 ，w h i l et h er e - t r e n c h i n gm e t h o di ss u g g e s t e df o r t h es e c t i o nf r o mk p 4 2 t 01 0 5 1 k e y w o r d s ：s u b m a r i n ep i p e l i n e ；s c o u r ；f r e es p a n ；s e l fb u r y ；w a v ef o r c e s ；s a f e t y a s s e s s m e n t 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果：掘我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得 ( 洼；塑送直墓丝壶蔓挂型直盟的：奎拦卫窒2 或其他教育机构的学位或证书使 用过的材料：与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 一姥镅一：卅咖s 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人 授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权中国科学技术信息 研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公 众提供信息服务。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名 签字隅川年月8 日 跏签字力洚 签字日期：2 q 年乡月日 袖件海床管道冲刷，白埋和安伞评估 0 引言 0 1 选题依据 海底管道是指最高水位时，位于海面以下的那部分管道。海底管道是海上油 气开发中油气输送的主要方式，是海洋油气生产系统中一个不可缺少的组成部 分。正是有了海底油气管线，海洋油田的整个油气集输、贮运系统才有机地联系 起来。 海洋管道运输有其自身的优点( 姚铁，2 0 0 4 ) 。首先是运输的连续性，一经投 入运转后，运输可连续不断地进行，减少了中间装卸、转运过程的时间耽搁，其 运输能力远远大于陆运和水运；其次，管道运输是密闭的，可以大大减少运输过 程产生的损失。如果管道建成，它几乎可以不受水深、地形、海况等条件限制， 能高效、安全地完成油气的输送。 正是因为海底管道具有以上优点，半个世纪来海底管道发展很快。自1 9 5 4 年美国b r o w n & r o o t 公司在墨西哥湾铺设世界上第一条海底管道以来，世界各 国已在北海、墨西哥湾、地中海等各海域累计铺设了十几万公里的海底管道( 金 伟良等，2 0 0 4 ) ，其最大直径达5 6 英寸( 1 4 2 2 4 m ) ，最大铺设水深达5 6 0 m 。我国 第一条海底管道是中日合作开发的黄河三角洲埕北油田海底管道，1 9 8 5 年建成 投产，至今仍在生产运行。2 0 多年来，我国已先后在渤海、东海及南海累计铺 设了约2 万公里的海底管道。可以说，国内外海底油气管线正处于己建管线的维 护和新建管线铺设的发展期。 虽然海底管道具有输送连续、效率高、输送量大、成本低等诸多优点，但是 直接铺设于海底的管道会导致管道周围局部流场发生变化，使得局部范围内的水 流具有较高的冲刷( 挟带泥沙) 能力，从而在局部范围内引起海床的变化，形成冲 刷坑，导致铺设的海底管道悬跨架空，使管道失去有效的支撑作用，严重情况下 可致管道疲劳破坏。一旦管道出了事故，不但会给海洋油气生产造成直接的经济 损失，还会使大量的油气泄露，造成海洋环境严重污染，甚至引发其它海洋产业 的连锁灾难性损失。 2 0 世纪5 0 年代以来，世界上关于海底管线因冲蚀悬空而造成破坏的报道就 糨性海床管道冲删、白埋和：；：伞计估 一直层出不穷。a r n o l d ( 1 9 6 7 ，据k p c l a n d a c s l ，1 9 8 6 ) 对美国密西西比河三角 洲1 9 5 8 1 9 6 5 年间海底管道失效事故进行了统计，发现造成海底管道失效的主要 原因是海床运动和波流冲刷。d e m a r 等( 1 9 7 7 ，据k i c la n da c s l ，1 9 8 6 ) 对 u s g s ( u s g e o l o g i c a ls u r v e y ) 记录的1 9 6 7 1 9 7 5 年间墨西哥湾海底管道事鼓进厅 了统计分析，报告显示，腐蚀、波流冲刷、第三方活动和海床运动是引起溽袁管 道失效的主要原因。我国也曾经对渤海埕北油f ；开已铺设的海底管道进行过调查 ( 桑运水等，2 0 0 4 ；肖文功，2 0 0 4 ：潘学光，2 0 0 5 ；孟凡生等，2 0 0 6 ) ，在被调查 的6 1 根管道中，仅5 根未被冲刷悬空，可见冲刷现象非常普遍。因此，海底管 道周围的局部冲刷及防护，早己引起国内外工程界的高度重视。 使用双频侧扫声纳系统、浅地层剖面仪和相干声纳测深系统于2 0 0 6 年1 2 月至2 0 0 7 年2 月对东方1 1 海底输气管道进行综合调查时，发现了百余个管道 下方冲刷坑，大多数冲坑已造成管道悬跨，且冲坑的规模还在不断扩大，造成管 线悬跨长度和悬跨高度也与日俱增，严重威胁该管道的安全运营，而且这种威胁 越来越严重。 因此，为了解决日益增长的工程需要，弄清管道周围海底冲刷机理，查明管 道冲刷对管道受力及管道安全性的影响，预测管道周围海底冲刷极限，计算管道 允许悬跨长度，评估管道的安全性，提出管道保护措旄显得十分必要。对此问题 的研究不仅具有很高的学术价值，还会为海底管线的生产安全运营提供可靠的技 术参考，甚至可以对整个海洋经济的发展起到巨大的推动作用。 0 2 研究现状 海底管道周围海床的冲刷是波浪及海流、管道和海床之间的动力耦合作用问 题，现象十分复杂。由于这个问题的交叉性复杂性，目前多是在合理简化的条件 下进行一些冲刷机理研究和一般规律性的研究。由于现场实测资料很难获得，同 时也因为现场水动力环境和底质环境的复杂性，目前对这方面研究的手段多为室 内物理试验方法或数值模拟方法。 o 2 1 管道周围底床冲刷机理研究 从8 0 年代以后，许多学者对管道周围底床冲刷机理做了大量研究，m a o ( 1 9 8 8 ) 2 粘性海床管道冲刷、白埋和安伞评估 提出管道前后的压力差产生的管道下方渗流( s e e p a g ef l o w ) 是冲刷的主要原因， 虽然这种渗流不足以冲走泥沙，但它能给沉积物一个向上的升力，导致沉积物失 稳，致使沉积物很容易被冲走。同时，m a o ( 1 9 8 8 ) 认为定向流作用下管道周围会 产生三个涡流( 图0 。1 ) ，涡流a 位于营i 订，涡流b 和c 位于管后；y i j k s e l 等( 1 9 9 5 ) 则 认为会产生五个涡流，其中两个定于管前，三个位于管后。c h i e w ( 1 9 9 0 ) 肯定了 渗流对冲刷的作用，但认为管涌1 ( p i p i n g ) 和图0 - 1 所示的管前涡流是冲刷的主要 机理，管涌也是靠管道前后的压力差驱动。q ：e v i ka n dy i i k s e l ( 1 9 9 9 ) 认为在图o 2 a 所示的涡流作用下，管道周围越来越多的沙被冲走，最后在管道下方形成冲刷隧 道，该过程为冲刷开始的过程。在冲刷隧道形成之后，涡流a 消失，水流从管道 下方隧道通过( 图0 2 b ) ，管涌在冲刷过程中起重要作用。s u m e r 等( 2 0 0 1 ) 也认为管 道前后压力差导致的管涌是冲刷开始的主要机理，同时管道前后的涡流对冲刷启 动也可能有所贡献，并提出了波浪和潮流作用下冲刷启动所需要的临界条件，讨 论了管道初始埋藏深度对冲刷启动条件的影响。s u m e r 等( 2 0 0 1 ) 还提出管道下方 冲坑所需要的条件管涌现象的发生是个冲刷积累过程，每个波浪周期都能松 动管道周围的部分泥沙，当达到管涌所需要的条件之后才会出现管涌。一旦出现 管涌现象，冲坑会快速发展( g a o 等，2 0 0 6 ；j e n s e n 等，1 9 9 0 ；s u m e r 等，2 0 0 1 ； v o r o p a y e v 等2 0 0 3 ) 。 图0 - 1 管道盾 m - - 个涡流示意图( m a o ，1 9 8 8 ) 图0 - 2 管涌现象发生前后管道前后涡流示意图( e e v i ka n dy i i k s e l ，1 9 9 9 ) 。本文所指的管涌指管道前后的压力差超过管下土体所能承受的压力时而产生的管下土体被 水流快速冲走的过程或现象，详见本文3 4 节。 3 祀件海床管道冲刷、白埋和：c ：伞计估 国内在这方面开展的工作相对较晚，对管道周围底床冲刷机理与冲刷过程的 研究比较少。马良( 1 9 8 7 ) 总结了海洋土不发生冲刷的最大允许流速，一旦超过该 流速，大量沙粒投入运动，海床将失去稳定性，埋设的海底管道可能由于上部海 床冲刷而暴露出来。秦崇仁和彭亚( 1 9 9 5 ) 利用波浪水槽试验模拟了不同水深、不 同波要素、不同管径和泥沙粒径等条件对管道附近冲刷的影响，初步得到了冲刷 发生的临界波浪条件及冲刷达到平衡后冲刷坑的深度和范围。吴钰骅等( 2 0 0 6 ) 用 水槽冲刷试验模型，研究了海底管道与砂质底床处于不同相对位置情况下床砂启 动流速的变化，并讨论了管道底砂启动机理，将冲刷过程分为5 个阶段：管道暴 露、管道下方形成微孔、孑l 道冲刷扩大、管道悬跨长度增加、管道下垂破坏。李 广雪等( 2 0 0 7 ) 、刘贞飞( 2 0 0 7 ) 、李俊杰( 2 0 0 8 ) 通过水槽试验研究了管道下方海底冲 刷坑的形成过程，认为管道附近海床在冲刷掏空过程中主要经历了4 个演变阶 段：泥沙起动阶段、水流隧道发育阶段、快速掏空阶段和掏空平衡阶段，管涌是 冲刷掏空开始阶段的主要机理。 这些研究主要针对砂质或粉砂质海床管道周围冲刷启动问题，但国内外对于 粘性海床管道周围冲刷机理研究相对较少。粘性与非粘性海床的冲刷机理具有本 质区别：( 1 ) 在泥沙运动形式方面，无粘性颗粒的运动形式主要为推移质和跃移质， 而粘性土的运动形式主要为悬移质( m i t c h e n e ra n dt o f f s1 9 9 6 ) ；( 2 ) 在冲刷临界条件 方面，非粘性颗粒的抗剪力主要是水下重度和重力( r a m b a b u 等，2 0 0 3 ) ，而粘性 土的抗剪能力受多种因素的制约，包括物理( l u n d k v i s t ，2 0 0 7 ；a b e f l e 等，2 0 0 4 ； t a n 等，2 0 0 7 ：m i t c h e n e ra n dt o f f s ，1 9 9 5 ) 、化学( b l a c k ，1 9 9 7 ；h a y t e ra n dm e h t a ， 1 9 8 6 ) 、生物( l u n d k v i s t ，2 0 0 7 ；a u s t e n1 9 9 9 ；a n d e r s e n ，2 0 0 1 ) 作用等因素，目前 对粘土海床管道周围冲刷研究较少的主要原因就是粘性土的抗侵蚀能力( 粘结力) 受诸多因素的影响( r a m b a b u 等，2 0 0 3 ) 。因此，需要进行粘性海床管道周围冲刷 机理方面的研究，以填补这方面的研究不足。 o 2 2 管道周围底床冲刷极限研究 在管涌现象形成以后，由于管道下方冲刷隧道的流速非常大( s u m e ra n d f r e d s o e ，1 9 9 0 ；t r u e l s e n 等，2 0 0 5 ；h a n s e n 等，1 9 9 1 ；d e m i r 等，2 0 0 7 ) ，管道 下方冲刷坑在初始阶段会迅速发展，导致冲刷深度越来越大，但随着冲刷的进行 4 袖忡海床管道冲刷、白埋和安伞评估 冲刷速率会越来越。i 曼( o a o 等，2 0 0 6 ；j e n s e n 等，1 9 9 0 ；s u m e r 等，2 0 0 1 ；v o r o p a y e v 等，2 0 0 3 ) ，若冲刷的时间比较长，当通过冲刷坑内的流体剪应力减小到底床冲 刷临界时，冲刷达到平衡(