册镇海底管线沿线海床冲刷原因及冲刷趋势研究

张 玮，金 新，汪 魁

（河海大学港口海岸与近海工程学院，南京 210098）

册镇海底管线沿线海床冲刷原因及冲刷趋势研究

张 玮，金 新，汪 魁

（河海大学港口海岸与近海工程学院，南京 210098）

海床冲刷可能导致海底输油管线裸露悬空，影响其运营安全。文章针对册镇海底输油管线沿线海床的冲刷现象，利用杭州湾大范围海域潮流数学模型和海床冲淤计算方法，分析了造成海床冲刷的原因，预测了冲刷的发展趋势。研究结果表明：册镇海底输油管线沿线海床冲刷主要与新泓口围垦的局部挑流及金塘大桥的阻水作用有关。随着规划围垦工程的实施，沿线部分海床还将进一步冲刷。

册镇海底输油管线；围垦工程；金塘大桥；海床冲刷

Biography：ZHANG Wei（1958-）,male,professor.

海底输油管道由于其输送连续、输送量大、管理方便等优点，在海洋工程中得到了广泛应用。作为海洋油气资源开发利用的生命线，其安全与否直接影响着海洋石油工业的发展和海洋环境的保护。裸露悬空是影响海底管道安全的一个最为常见的问题，而海床的普遍（整体）冲刷则是造成海底管道裸露悬空的一个主要原因［1－3］。位于杭州湾南岸灰鳖洋的册镇海底管线，近期因海床冲刷，出现局部裸露和悬空现象，引起有关方面的关注［4］。通常影响海床冲淤的主要因素包括：动力环境、泥沙条件、地形地貌等。杭州湾灰鳖洋海域水动力较强，涨落潮最大流速可达2.0 m/s以上；海床底质主要为粉砂，可动性强；当地经济发展迅速，大型工程较多，先后实施了金塘大桥、新泓口围垦等工程。上述诸多因素对于海床冲淤演变均有一定程度的影响，需要进行深入研究，以便探讨已有冲刷现象产生的原因，并对今后的发展趋势有所预测。

海床演变分析和预测的常用方法主要可归结为：现场资料分析、海床冲淤计算、物理模型试验、数值模拟计算等，近年来呈现出多种方法结合使用的趋势。黄世昌等［5］利用实测水文、地形及历史海图资料，分析了杭州湾灰鳖洋海域海床演变的基本规律，认为岸滩演变取决于潮滩的发育和岸线边界的变化以及上游杭州湾南岸围垦。熊绍隆等［6］利用定床与动床模型，分析了杭州湾大桥建成后杭州湾北岸深槽、乍浦码头前沿及南航道的冲淤变化。英晓明［7］运用实测资料分析了洋山港水沙特征和地形演变规律，并在此基础上用数模模拟了洋山港水沙输运特征和海床冲淤变化。曹祖德等［8］通过分析海床冲淤演变机理，提出了海床冲淤演变预测方法，并在洋山港海区得到了良好的应用。

本文拟针对册镇海底管道沿线海床冲刷问题，利用杭州湾大范围海域潮流数学模型和海床冲淤计算方法，研究海底管道所在海域周边大型工程实施前后潮流场变化及海床冲淤情况，探讨造成沿线海床冲刷原因，预测今后冲刷发展趋势，研究成果可为海底管道防护工作提供一定的技术支撑和依据。

1 册镇海底管线概况

1.1 册镇海底管线

册子岛至镇海海底管道（图1）位于杭州湾南部的灰鳖洋海域，是连接册子岛与镇海两地间的原油输送通道。管道直径762 mm，壁厚17.5 mm，全长36.5 km。管道所处海域的海况复杂，平均水深10 m，最深处水深25 m，于2005年6月完工。建成初期，海床稳定，未出现异常现象。但2 a后，管线的镇海登陆点段和弯顶段出现了裸露的状况，对管道的安全运行造成了影响。

1.2 管线沿线潮流及底质

册镇管线沿线海域水动力较强，涨、落潮方向大致与管线垂直，基本呈往复流。根据2012年1月份实测资料，管线沿线测流点涨潮最大流速为1.84 m/s，落潮最大流速为1.92 m/s。管线沿线海床底质泥沙中值粒径在0.007 9～0.014 2 mm，主要由砂、粉砂和粘土组成，其中粉砂占比介于63.4%～79.0%，床面可动性强。

1.3 近期海床冲淤变化

根据检测资料，近期册镇管线沿线海床共有2处发生明显冲刷，分别位于镇海登陆点段和弯顶段（图1）。2006～2011年，镇海登陆点处海床冲刷0.80～1.60 m；管线弯顶处海床冲刷0.30～0.60 m。

1.4 周边工程情况

册镇海底管线位于浙江省沿海发达地区，近年来经济发展较快，周边相关工程较多，主要包括滩涂围垦工程、跨海大桥等。册镇海底管线建成以后，所在海域周边新增的工程项目主要有新泓口围垦工程、金塘大桥、泥螺山北侧一期围垦工程，近期规划工程主要有金塘岛北部围垦工程、马目围垦工程、册子岛围垦工程以及杭州湾 2020年规划指导线［9］（图 1）。

图1 册镇海底输油管道、金塘大桥、围垦工程及测流点位置图Fig.1 Location of Cezi Island-Zhenhai Submarine pipeline,Jintang Bridge,reclamation projects and observation points

2 潮流数学模型及冲淤分析计算

杭州湾海域宽阔，水深相对较浅，水流在垂直方向上的速度和加速度相对于水平方向来说可以忽略不计，因此可以采用二维潮流数学模型模拟计算工程所在海域的水动力条件，在此基础上，利用海床冲淤原理分析海床的冲淤变化。

2.1 基本方程

连续方程

运动方程

式中：x、y为直角坐标系坐标；t为时间变量；h为平均水深；ζ为相对于平均海平面的潮位；Ux、Uy为x、y方向上的垂线平均速度；ρ为水流密度；g为重力加速度；Nx、Ny为x、y方向的水平紊动粘性系数；f为科氏参数（f=2ωsin（φ），ω为地球旋转角速度，φ为纬度）；τx、τy为波流共同作用下床面剪切应力在x、y方向的分量。

2.2 模型概况

数学模型计算区域（图2）东至嵊泗岛以东约12 km、南至象山附近，西至钱塘江马鞍山附近，北至南汇嘴附近，南北长约185 km，东西长约300 km，计算面积约21 000 km2（含岛屿）。利用三角形网格对于计算区域进行离散，最大计算网格2 500 m，最小计算网格4 m，网格总数为193 916。

边界条件分为闭边界条件与开边界条件，闭边界采用不可入条件，取法向流速为零，由于计算域的潮流场受东中国海潮波系统控制，本模型的开边界由东中国海潮波数学模型［10］提供；由于工程所在海域岛屿众多，岸线复杂，潮滩淹没和露滩频繁，为了准确模拟该海域潮流形态，模型闭边界采用了干湿判别的动边界处理技术。

利用有限体积法求解基本方程的数值解。计算时间步长Δt＝15 s；计算海域的糙率受多种因素综合影响，与水深、床面形态等因素有关，经调试，本海域糙率取值n=0.012～0.018；水平涡动黏性系数采用Smagorinsky公式计算。

采用2012年1月9～10日大潮的潮位过程和潮流速过程作为验证资料，对新泓口、镇海、沥港等9个潮位站及册镇管线沿线6个水文测点进行了验证。验证结果表明，计算值与实测值吻合良好，符合《海岸与河口潮流泥沙模拟技术规程》的要求，详见文献［4］。

2.3 桥墩桩基概化

在计算金塘大桥［11］桥墩阻水作用时，需要对于桥墩进行概化。桥墩承台由多个单桩组成，水流经过时，既有单桩阻水特性，又有桩群之间的相互影响。目前对桩墩的模拟主要采用2种模式：局部阻力修正法和直接模拟法。金塘大桥桥墩桩基众多，直接模拟法显然不切实际，故本文采用等效阻力法［12］对金塘大桥桥墩桩基进行概化，主通航孔处计算网格见图3，桥墩处最小计算网格4 m。

2.4 海床冲淤变化

采用曹祖德［8］提出的海床冲淤演变预测方法进行冲淤计算

式中：Δzong为海床总冲淤演变量，取“+”表示淤积，取“-”表示冲刷，m；h0为工程前的水深，m；αx为不同冲淤过程的系数，随泥沙沉降、起悬不同而取不同值，本次计算取αx/αp0=1；ue为原稳定海床上因某种原因而改变后的流速；u0为工程前流速。

图2 计算区域及网格Fig.2 Computational domain and grids

图3 金塘大桥主通航孔处网格Fig.3 Grids at the main navigable span of Jintang Bridge

3 海床冲刷原因分析研究

3.1 新泓口围垦工程

新泓口围垦工程于2006年2月28日开工，2008年4月围堤合拢，2009年9月30日完工。围区面积0.74万亩，形成一线海塘6 019 m，其中南直堤长1 205 m，东顺堤长3 164 m，北直堤长1 649 m。

图4 新泓口围垦工程前后涨潮最大流速变率Fig.4 Variation of maximum velocity of flood tide before and after Xin-Hongkou reclamation

图5 新泓口围垦工程前后落潮最大流速变率Fig.5 Variation of maximum velocity of ebb tide before and after Xin-Hongkou reclamation

根据工程前后潮流计算结果（图4、图5）：新泓口围垦工程实施后，围垦引起的流速变化主要集中于工程附近局部水域。涨潮时，围垦区外侧一定范围内流速明显增大，距东顺堤越近增加幅度越大，最大增幅20%～40%，向外海逐渐减小；落潮时，工程前后的流速变化规律与涨潮基本一致，落潮最大流速增幅超过20%。

根据海床冲淤结果（图6）：受新泓口围垦工程的局部挑流作用影响，镇海登陆点附近海床发生明显的冲刷现象。距新泓口围垦东顺堤1～3 km处海床冲刷0.6～1.5 m，与册镇海底管道沿线海床历年检测资料结果较为吻合。

综合以上结果，新泓口围垦工程是造成册镇海底管线镇海登陆点海底冲刷的主要原因。新泓口围垦实施以后，局部挑流作用使得堤外水流增强，海床出现冲刷。

图6 新泓口围垦工程实施后海床最终冲淤图Fig.6 Seabed erosion and siltation after Xin-Hongkou reclamation

3.2 新泓口围垦及金塘大桥工程

金塘大桥位于金塘岛与镇海间的灰鳖洋海域，大桥全长26.54 km，其海上部分长18.27 km。工程于2006年4月动工兴建，2007年8月钢管桩沉桩结束，2008年7月主通航孔贯通，2009年6月主体完工。

潮流计算结果表明（图7、图8）：金塘大桥实施以后，涨潮时，由于桥墩的阻水影响，金塘大桥一侧海域流速以减小为主，而西堠门水道一侧海域流速则有所增大，管道弯顶段海域涨潮最大流速增幅超过3%；落潮时的情况与涨潮基本相似。此外，受桥墩阻力对于水流局部调整作用的影响，金塘大桥一侧海域近岸浅水区流速有所增大，而深水区流速有所减少。海床冲淤计算结果（图9）表明：西堠门水道普遍发生冲刷，管道弯顶段局部冲刷深度超过0.3 m，与根据水下地形资料分析的海床冲淤结果基本一致。

图7 金塘大桥工程前后涨潮最大流速变率Fig.7 Variation of maximum velocity of flood tide before and after Jintang Bridge

图8 金塘大桥工程前后落潮最大流速变率Fig.8 Variation of maximum velocity of ebb tide before and after Jintang Bridge

由此可见，金塘大桥建成后，由于桥墩桩基的阻水作用，大桥一侧海域水流流速减小，西堠门水道一侧海域水流流速增大，使得管线弯顶段附近海床有所冲刷。

4 冲淤变化趋势预测

图9 金塘大桥工程实施后海床最终冲淤图Fig.9 Seabed erosion and siltation after Jintang Bridge

图10 近期围垦规划工程前后涨潮最大流速变率Fig.10 Variation of maximum velocity of flood tide before and after reclamation in recent stage

图11 近期围垦规划工程前后落潮最大流速变率Fig.11 Variation of maximum velocity of ebb tide before and after reclamation in recent stage

截止至2011年底，金塘大桥、新泓口围垦已建成，泥螺山北侧一期围垦工程也基本完工。近期的规划围垦工程主要包括金塘北部围垦、马目围垦、册子岛围垦以及杭州湾2020年规划治导线（图1）。其中，金塘北部围垦工程位于金塘岛北部，围垦面积约1.2万亩；马目围垦工程位于马目西北侧，拟围面积约1.2万亩，围垦区距册镇输油管线约4.5 km；册子岛围垦工程位于册子岛西北部，覆盖管道在册子岛的登陆点，围垦面积约0.5万亩；2020年杭州湾治导线实施后，杭州湾南岸岸线将整体向外海推移约2 km。

图10～图12是以2011年底为现状，规划围垦工程实施后的涨落潮最大流速变化百分比图和最终冲淤变化图。潮流计算结果表明（图10、图11）：规划围垦工程实施后，杭州湾岸线向外海推移，新泓口围垦工程的挑流作用消失，但是，岸线不平顺带来的局部挑流现象还存在，程度有所降低，镇海登陆点段海域涨潮最大流速增幅在5%左右，落潮最大流速增幅约为10%；册子岛围垦、马目围垦、金塘北部围垦等工程共同作用使得西堠门水道的水流更为集中，涨落潮流速增加较为明显，工程后管线转弯段海域涨、落潮最大流速增幅在10%～15%；册子岛围垦工程东北角点处及马目围垦工程西北角点处产生挑流现象，特别是册子岛围垦工程对于落潮流的挑流作用极为明显，工程后流速增幅超过30%。

海床冲淤计算结果（图12）表明：规划围垦工程的实施，镇海登陆点段海床将出现0～0.3 m的微弱冲刷，说明该处目前的冲刷势头将得到遏止；管线弯顶段海床冲刷基本在0.5 m以上，最大冲刷约0.9 m，说明管道弯顶段海床冲刷将处于发展之中；册子岛围垦工程的局部挑流作用将使得海床冲刷将近1.0 m，应该引起充分注意。

图12 近期规划工程实施后海床最终冲淤图Fig.12 Seabed erosion and siltation after reclamation in recent stage

5 结论与建议

（1）影响海床演变的主要因素包括：动力环境、泥沙条件、地形地貌等。册镇海底管线所在海域周边的围垦工程、金塘大桥等改变了原有的地形，调整了水流动力，引起了海床的冲淤变化。

（2）管线镇海登陆段的海床冲刷主要由新泓口围垦工程的局部挑流作用引起。根据计算新泓口围垦工程建成后，由于围垦工程突出于海岸，其挑流作用致使东顺堤以外水域流速增大，局部流速增幅超20%～40%，海床冲刷0.6～1.5 m。

（3）管线弯顶段的海床冲刷主要与金塘大桥的阻水作用有关。根据计算，新泓口围垦及金塘大桥实施后，管道弯顶段涨落潮最大流速增加超过3%，最大冲刷深度超过0.3 m。

（4）规划围垦工程的实施，镇海登陆段海床将出现0～0.3 m的微弱冲刷，说明该处目前的冲刷势头将得到遏止；管线弯顶处海床冲刷基本在0.5 m以上，最大冲刷约0.9 m，说明弯顶段的海床冲刷还将处于发展之中；册子岛围垦工程的局部挑流作用将使得海床冲刷将近1.0 m，应该引起充分注意。

（5）通常，造成海底管道裸露和悬空的冲刷主要包括海床的普遍冲刷与管道局部绕流冲刷。目前研究工作主要集中于海床整体冲刷方面，今后应充分利用现场观测的宝贵资料，及时开展局部绕流冲刷研究。

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Study on seabed erosion along submarine pipeline from Cezi Island to Zhenhai

ZHANG Wei,JIN Xin,WANG Kui
（College of Harbor,Coastal and Offshore Engineering,Hohai University,Nanjing210098,China）

Seabed erosion may lead to the phenomenon of pipeline hanging in the seawater and make troubles to the security operations of submarine pipeline.By using a tidal current numerical model for Hangzhou Bay and a method for the calculation of seabed erosion and siltation,the cause of the seabed erosion and the erosion trends along the submarine pipeline from Cezi Island to Zhenhai were studied.The research shows that the seabed erosion is mainly caused by the deflecting flow scour effect of Xin-Hongkou reclamation and the water-retardation effect of Jintang Bridge.With the implementation of the reclamation in the near future,part of the seabed along the submarine pipeline will be further eroded.

submarine pipeline from Cezi Island to Zhenhai;reclamation project;Jintang Bridge;seabed erosion

TV 142

A

1005-8443（2013）03-193-06

2012-10-23；

2012-12-13

国家高技术研究发展计划（863计划）（2012AA112509）；2011年度江苏省研究生培养创新（CXZZ11_0449）

张玮（1958-），男，山东省青岛人，教授，主要从事港口航道工程研究。