冀东油田4号构造波浪动床物理模型试验.pdf

_海洋工程 石油工 轾 建设 冀东油田 4号构造波浪动床物理模型试验 李顺利 ， 杨娇z 1 中国石油冀东油田公司，河北唐山 0 6 3 0 0 4 2 中国石油天然气管道局五公司 ，河北任丘 0 6 2 5 5 0 d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 1 2 2 0 6 2 0 1 4 0 1 0 0 4 摘要 ： 建立了冀东油田 4号构造波浪动床物理模型 ，模型比尺关系同时满足潮流相似和波浪相似要求；研究了 4号构造建 成后波浪作用 ( 适当考虑潮流作用 )下人工岛前岸滩的冲淤情况 ，以及波浪作用下人工岛前的局部冲刷问题。试验结 果表明，冀东油田4号构造所在的西坑坨岛南侧岸滩潮流动力作用相对较弱，波浪作用是影响 4号构造岸滩稳定的主要 动力。建议 4 - 1人工岛南侧和引堤前岸滩的底床防护范围为 5 06 0 m， 人工岛南岸线东西两端防护范围适当增加。 关键词 ： 物理模型；波浪；流速；流 ) l b 态 Ph y s i c al M o de l Te s t s o f Mo v a bl e 0i l fi el d u n de r W a v e Act i o n s Seab e d o f No 4 St r u c t u r e i n J i d on g L i Sh u n l i ，Ya n g J i a o 1 Pe t r oCh i n a J i d o n g Oi l fiel d Co ， T an g s h an 0 6 30 0 4， Ch i n a 2 Ch i n a Pe t r ol eu m Pi p e l i n e Fi f t h Co n s t r u c t i o n Co ， Ren qu 0 6 2 5 50，Ch i n a Ab s t r a ct A p h y s i ca1 mo d el f o r mo v a b l e s e a b e d t es t u n d e r wa v e a ct i on s i S e s t a b l i s h e d f or NO 4 s t r u ct u r e l n J i d o n g Oi l f i e l dTh e mo d el s c a l i n g r e l a t i o n s s a t i s f y b o t h t h e t i d e s i mi l a r i t y an d wa v e s i mi l a r i t yTh e S cou r a n d d e p o s i t i on s i t u a t i on s i n t h e f r o n t b e a ch o f t h e ar t i f i c i a l i s l a n d u n d e r t h e a ct i on o f wa v e s f a d e qu a t e l y con s i d er i n g t i d a 1 cu r r en t s a s wel 1 a s l o c a l S C O U r p r o b l ems in f r o n t o f t h e ar t i f i c i a s l a n d a f c er t h e co mp l e t i on O f NO 4 s t r u ct u r e a r e s t u d i e d Th e t e s t r e s u l t s s h o w t h a t t h e d y n a mi c a ct i o n o f t i da I f o r c e i s r el a t i v e l y we a k a l o n t h e s o u t h er n s i d e o f i k en g t u o Is l a n d wh e r e NO 4 s t r u ct u r e o f J i d on g Oi l fiel d i S l o ca t e d ： t h e ma i n f a c t o r a f f e ct i n g t h e s t a b i l i t y o f t h e b ea ch o f NO 4 s t r u c t u r e i S t h e wa v e a c t i o n 1 t i S s u g g e s t e d t h a t t h e p r o t e ct i on r an g e o f t h e s e ab e d s a t t h e s ou t h e r n s i d e o f t h e a r t i f i c i a l i s l a n d No 4 1 a n d a t t h e b e a c h i n f r o n t o f t h e a p p r o a c h i n g e mb a n k me n t s h ou l d b e 5 0 6 0 m a n d t h a t t h e p r o t e ct i on r a n g e f o r t h e e a s t er n a n d we s t e r n en d s o f t h e co a s t l i n e a l o n g t h e s ou t h e r n s i d e o f t h e ar t i f i c i al i s l a n d s h ou l d b e a p pr o p r i a t e l y e x t e n d e d Ke y wor d s： p h y s i c a l mo d e l ； wa v e； c u r r e n t v e l o c i t y ； f l o w r e g i me 冀东油田位于唐山曹妃甸工业区附近 ，部分油田位 于近岸浅水区。为满足 4号构造油藏开发需要 ，在西坑 坨及其北侧高滩分别布置 4 1 、4 - 2人工岛及进岛通道。 4 - 1人工 岛平面尺 寸为 6 2 4 m X 4 8 7 m ，4 2人工 岛 平面尺寸为 7 3 7 m X 4 0 0 m。人工岛整体上呈近似椭 圆形布置 ，其长轴线尽可能与水流流向平行 ，以尽量减 小与潮流流向的夹角 。连接两人工岛的路堤设计长度 2 6 7 k m、堤顶宽 1 9 m。2号码头采用离岸圆沉箱墩式 结构 ，码头平台总长 4 8 0 m，通过长 5 8 3 m 的钢引桥 与陆上罐区相连 ，为防止钢引桥受到船舶的意外撞击 ， 在引桥港池侧外围设有系泊浮筒式防撞设施 ，总体布置 见图 1 。 在已完成的潮流整体物理模型试验中 卜 2 ，由于容纳的 范围较大，受试验 也 尺度的限制，取水平比尺为 7 2 0 ，变 率为 6，在这样的模型尺度下难以对人工岛局部地形变 化进行研究 。从现场水文 、泥沙等资料分析以及潮流整 体物理模型试验结果 - 2 可知 ，由于 4号构造 4 1 、4 2 人工岛前岸滩水深较浅 ，涨落潮流速相对较小，潮流不是 影响岸滩稳定的主要动力因素 。4 1 人工岛靠近外海 ，来 自外海的风浪和涌浪都可能影响人工岛前岸滩 。为了研 究 4号构造建成后在波浪作用 ( 适当考虑潮流作用 ) 下 人工岛前岸滩的冲淤情况 ，以及波浪作用下人工岛前的 局部冲刷问题，开展了冀东油田 4号构造波浪动床物理 模型试验 ，研究人工岛在波浪作用下的稳定性 ，为冀东 油田 4 号构造开发提供科学依据。在考虑模型比尺关系 时 ，应同时满足潮流相似和波浪相似 ( 包括波浪近岸传 播变形相似、破碎波相似和波浪输沙相似 ) 要求。 李顺利等 ：冀东油田4 号构造波浪动床物理模型试验 、 、 三港池 蕾 、 、 一 婚 围 垦 区 海洋工程_ 图 1 冀东油田4 号构造波平 面布置 1 1波浪动床模型相似要求 ( 1) 波浪运动相似。为了满足波浪相似条件 ，模型 应做成正态模型；然而 ，在很多情况下 ，尤其是整体物 理模型中，由于模型场地的限制以及选沙的需要 ，模型 往往需要做成变态模型。通常的方法是波高比尺及波长 比尺均取水深比尺 ，这样原型 、模型的波陡不变，但模型 试验波长相对于原型变长 ，因而模型绕射系数偏大 3 - 4 。 ( 2) 波浪条件下泥沙运动相似 。虽然波浪和水流条 件下输沙连续方程和床面变形方程是一致的 ，由此所得 的回淤时间相似关系和沉降部位相似关系形式上相同 ， 但两者存在水动力学机制和能量损耗过程的差别 ，特 _- b_ 力Q 是破波区波浪动力特征与一般水流情况的差别较大 ，必 导致泥沙运动规律上的差异 ，进而影响比尺关系3 _ 4 。本 项 目重点研究近岸区，特别是破波区岸滩的冲淤变化 ， 因此需要保证波浪条件下岸滩破波区附近水域泥沙运动 相似要 求 。 1 2 模型比尺及模型沙选择 根据场地条件 、模型相似要求及前期工作成果 ，经 过综合考虑各方面因素，确定模型水平比尺 =3 5 0 。另 外 ，从水流角度考虑 ，为满足模型与原型流态相似 ，需 要做成变态模型 ，但是垂直比尺如果太大 ，而模型中水 深相对较浅 ，水流阻力和波浪阻力都会很大 ，难以满足 试验相似性要求 ，因此 ，根据垂直比尺的要求及以往试 验工作的经验 ，为了满足波浪相似要求 ，选择模型垂直 比尺 =1 0 0 ，变率为 3 5 。 根据现场底沙特性 ，通过水槽试验和参考以往类似试 验研究经验 ，选择颗粒容密度 y = 1 3 5 g cm 精制煤 粉作为模型沙 ，其干容密度 =0 7 g cm 。算得泥沙 粒径比尺分别为 0 7 8和 0 9 5 ，现场底沙中值粒径 取 0 1 8 2 m m， 则模型沙中值 I 范围为 0 _1 90 2 3 mm， 模型中最后选用 =0 1 8 mm 的煤粉 ，能够满足起动 相似并兼顾悬浮相似。 1 3 模型布置及潮、波控制系统 物理模型试验场地范围为 3 5 m X1 5 m，潮、波控制 系统主要分生波系统 、潮汐系统及量测系统 。根据冀东 油田海域潮流特点和试验厅设备情况 ，生潮系统一端采 用变频双向可逆泵 、另一端采用变频潜水泵进行调节 ， 分别应用微机对潮位和流量过程进行控制。 由于物理模型同时考虑波浪和潮流作用 ，生波机的方 向要受到水流方向的限制 ，最后确定模型中生波机波浪 方向与水流方向基本一致 ，波浪方向与 4 1人工岛及西 坑坨迎浪面基本垂直 ，为正 向波浪 ，对 4 - 1 人工岛稳定 性影响最大，波向为 S偏 E3 0 。；生波l 丰 门 可以在 5 。范围 内调节，按照规范要求，生波机距工程区域 1 0倍波长。 1 4 物理模型试验条件 波浪动床模型中研究对象为4号构造地区，人工岛平 面布置形式采用上海航道勘察设计研究院提供的 4 号构 造地区布置方案一 ，人工岛南侧设置一定长度的引堤和 引桥与登陆点码头相连。 经过认真分析 ，采用的试验水位相应于如下的现场实 际水位 ：平均海平面 1 7 7 m；平均高潮位 2 5 2 m；5 0 年 一遇 高潮位 4 0 7 m。 模型主要考虑正向波浪作用 ，波向为 S偏 E3 0 。，根 据国家海洋环境预报中心分析推算，选取的试验用 SE向 深水波浪要素相应 于如下实际现场数据 ：2 年一遇 ， H1 =2 0 5 m、T= 7 s ；5年一遇 ， 3 =2 7 6 m、 T=7 s ；2 5年-遇， 3 =3 7 m、T=8 S ；5 0年一遇 3 =4 0 5 m ， 9 S。 根据实测资料及潮流整体物理模型试验成果 ，4号构 造地区 一 5 m处水域最大流速约为 1 m s ，在考虑波浪潮 流共同作用时，模型试验中潮流最大流速相应的现场实 际数据为 1 m s 。 第4 0 卷第1 期1 3_ 咖 一 一 海洋工程 石 曲 工 程 建 1 ! - 7 I r 臣 。 臻 l 证I e 9 童 毒 ， 现 譬 。 、 j 班 ， ， 1 女 。 托 疆 李顺利等：冀东油田4 号构造波浪动床物理模型试验 3 - 2 引堤长度的影响 为了说明引堤对人工岛的影响 ，又分别进行了无引 堤、引堤缩短 7 0 m和延长 7 0 m几个方案的动床模型试 验 ，试验条件为 5 0年一遇高潮位 、2年一遇波浪。 3 2 1不 设置引堤 无引堤情况下 ，人工岛前岸滩 中 刷有所增加 ，人工岛 前几个断面中最大冲刷深度 1 _ 21 3 m，冲刷范围最远 距离人工岛 4 0 4 5 m，与有引堤条件比较 ，冲刷深度 有所加大 ，冲刷范围基本上没有变化。这是由于设置引 堤后 ，一方面减弱了引堤附近的波浪作用 ，另一方面 ， 引堤能够阻挡人工岛前的沿岸输沙 ，使得引堤两侧出现 弧状淤积体 ，减少了人工岛前沿的冲刷。 3 _ 2 2 引堤长度影响比较 在原有引堤长度基础上，分别对引堤长度缩短和延长 7 0 m进行了试验。由于其他试验条件没有变化 ，波浪作 用后人工岛附近地形冲淤形态没有变化 ，但引堤长度不 同，人工岛前冲淤幅度也有所不 同。 引堤缩短 7 0m后， 断面最大冲刷深度0 80 9 m， 冲刷最大范围距离人工岛 4 5 m 左右，引堤加长后 ，可以 看出，人工岛前冲刷明显减小 ，引堤西侧 3 断面最大冲 刷深度 0 4 0 5 m。引堤前的冲刷情况则相反 ，引堤 越长 ，引堤前的冲刷越严重 ，去除淤积带的影响 ，引堤 延长 7 0 m后最大净冲刷深度为 0 91 0 m，引堤缩短 7 0 m 时堤头附近最大冲刷深度 0 50 6 m。 不同引堤长度试验结果表明，设置引堤可以减少人工 岛南侧岸线前的冲刷作用 ，随引堤长度的增加 ，人工岛前 的冲刷也有所减小 ，但引堤前岸滩的冲刷程度有所增加。 3 3 波浪持续作用下累积冲刷深度 在试验条件不变的情况下 ，波浪连续作用足够时间 后 ，人工岛前的岸滩会达到平衡状态 ，即使波浪继续作 用 ，岸滩的冲刷深度也不会继续增加 ，这是比较理想的 情形 ，可以不用考虑模型的冲淤时间比尺 。试验过程 中，每隔一段时间对波浪持续作用下人工岛前的累积冲 刷深度进行了测量 ，直至地形不发生变化 ( 主要的冲刷 深度不变 )为止。 选取 5 0年一遇高潮位 、 2年一遇波浪，此条件下人工 岛前波浪发射作用相对较大 ，冲刷区明显。从试验结果 可以看出 ，试验后人工岛附近岸滩冲淤形态基本不变 ， 从不同角度的照片看 ，围绕岛身的冲刷 一淤积带清晰可 见 。在波浪持续作用下，随冲刷 、淤积的不断发展 ，最 后达到平衡状态。5 0年一遇高潮位、2年一遇波浪条件下 海洋工程1 人工岛前最大累积冲刷深度为 1 _ 2 m，冲刷范围距人工岛岸 线 4 05 0 m，引堤前最大冲刷深度 1 m，冲刷区外围 距引堤 5 0 m。 3 4 S向浪作用下人工 岛前； 中 刷情况 为了全面认识不同方向波浪对岸滩的影响，模型中还 进行了常浪向 ( S向波浪 ) 作用下动床试验 ，试验水位选 取了 5 0 年一遇水位和平均高潮位两种情况 ，而正向波 作用下的动床试验选用 2年一遇波浪条件 。 试验结果表明，在 S向波浪作用下 ，人工岛和引堤 前岸滩的冲刷强度和冲刷范围均小于正向波的作用 ，但 是人工岛正对波浪方 向的冲刷程度增加 基于以上分 析 ，人工岛南侧岸线的东 、西向端部均需要加强防护 ， 以抵御来自 S向和 E向的波浪作用 。 3 5 潮流作用对试验结果 的影 响 为了说明潮流可能对模型试验成果产生的影响，选择 的一组试验方案中增加了潮流的影响，试验条件取平均高 潮位、2年一遇波高，加之流速为 1 m s的恒定单向流。 实验结果表明，人工岛处 中 刷范围不变 ，引堤前的冲 刷范围稍有增加 。由于模型试验中选取的潮流是最大流速 并持续作用，试验的结果是偏安全的， 冲刷增加量并不大。 由此可知 ，模型试验中只考虑波浪、水位作用时，其冲刷 试验成果是可以作为人工岛设计依据的。 通过冀东油田 4号构造地区波浪动床物理模型试验， 研究了波浪作用 ( 适当考虑潮流作用 ) 下人工岛前岸滩 的冲淤情况 ，以及波浪作用下人工岛前的局部冲刷问题， 为工程规划和设计提供了科学依据。 ( 1) 南堡油田 4号构造地区的西坑坨岛南侧岸滩潮流 动力相对较弱，波浪作用是影响 4 - 1 人工岛前岸滩稳定的 主要动力。 ( 2) 不同水位 、波浪要素作用后，人工岛南岸线前海 床最大冲刷深度 0 91 0 m，冲刷坑最大范围距离人工 岛4 05 0 m；弓 I 岸汉 睦 目 大冲 吊 深度 0 _ 80 9 m， 冲 刷范围 4 04 5 m。 ( 3) 5 0年一遇高潮位、2年一遇波浪条件下人工岛前 最大累积冲刷深度为 1 _ 2 m，冲刷范围距人工岛岸线 4 0 5 0 m，引堤前最大冲刷深度 1 m，冲刷区外围距引堤 5 0 m 。 ( 4)引堤方案试验表明，引堤对人工岛有一定的掩护 第4 0 卷第1 期1 5 l海洋工程 石油工 往 建设 海洋工程大直径长桩自由入泥深度计算研究 董怀州 ，张孝卫 ，刘玉玺1 ，贾沼霖2 ，闫i ,J l t t 2 1 海洋石油工程股份有限公司 ，天津 3 0 0 4 5 1 2 天津大学建工学院 ，天津 3 0 0 0 7 2 d o i ： 1 0 s 9 6 9 j i s s n 1 0 0 1 2 2 0 6 2 0 1 4 0 1 0 0 5 摘要 海洋工程大直径长桩在就位后置锤的瞬间会发生自沉 ，校核土面以上部分的桩段在锤和桩的自重作用下发生屈曲失稳 的可能性是桩可打入性分析的一个重要步骤。文章根据土力学的极限承载力理论，在分别介绍了桩自由入泥深度计算 方法、桩端阻力计算方法、桩自由入泥深度判断方法的基础上 ，提出了计算桩自由下沉深度的评估方法。工程实例计 算表明，该评估方法与实测数据吻合较好 ，可用于指导工程设计。 关键词 J h e l a r oe d i a me t er an d l o n g p i l e u s e d i n o f f s b o r e en gi n e e r i n g wi l J p e n e t t e i n t o t h e s 0_ l f 0 a c e r t a i n d ep t h a f t er It IS l o c a t e d wi t h t h e h a mme r on t h e t o p Th e s t a b i l i t y o f t h e p i l e s e ct i on r e ma in i n g i n t h e a ir h a s t o b e ch e ck e d i n t h e d e s i g n s t a g e ， wh i ch i s s u e ct t o t h e we i g h t o f t h e h a mme r a n d t h e s e l f - we i g h t o f t h e p i l e a n d h a s b u c k l in g p o s s i b i l i t y1 h er e f o r e ，i t I S i mp o rt an t t 0 e s t i ma t e t h e p i l e p en e t r a t i on d e p t h a c c u r a t el y I n t h i s p ap