冀东油田 4 号构造波浪动床物理模型试验

李顺利， 杨 娇

1.中国石油冀东油田公司,河北唐山 063004

2.中国石油天然气管道局五公司，河北任丘 062550

冀东油田 4 号构造波浪动床物理模型试验

李顺利1， 杨 娇2

1.中国石油冀东油田公司,河北唐山 063004

2.中国石油天然气管道局五公司，河北任丘 062550

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 50 ～ 60 m，人工岛南岸线东西两端防护范围适当增加。

物理模型；波浪；流速；流态

0 引 言

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 624 m × 487 m，4-2 人工岛平面尺寸为 737 m × 400 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2.67 km、堤顶宽 19 m。2号码头采用离岸圆沉箱墩式结构，码头平台总长 480 m，通过长 583 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[1-2]，由于容纳的范围较大，受试验水池尺度的限制，取水平比尺为 720，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[1-2]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。

图1 冀东油田4号构造波平面布置

1 波浪动床物理模型设计

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，特别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λl＝350。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λh= 100，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γs=1.35 g/cm3精制煤粉作为模型沙，其干容密度γo= 0.7 g/cm3。算得泥沙粒径比尺分别为 0.78 和 0.95，现场底沙中值粒径d50取0.182 mm，则模型沙中值粒径d50范围为 0.19 ～ 0.23 mm，模型中最后选用d50= 0.18 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 35 m×15 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 E 30°；生波机可以在 ±5°范围内调节，按照规范要求，生波机距工程区域 ＞ 10 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 1.77 m；平均高潮位 2.52 m；50年一遇高潮位 4.07 m。

模型主要考虑正向波浪作用，波向为 S 偏 E 30°，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，H13%= 2.05 m、T=7s；5 年一遇，H13%= 2.76 m、T= 7s；25 年一遇，H13%= 3.7 m、T= 8s；50 年一遇，H13%= 4.05 m，T= 9s。

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 -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。

2 验证试验

2.1 试验条件

根据试验要求，模拟的动床范围为 2.0 km×1.9 km，包含了人工岛和引堤，其中南侧动床长度近 1 km，并且保留了足够距离的过渡段，尽可能减少动床与定床衔接段对试验的影响，保证动床试验结果的可靠性。

试验前将动床范围内地形挖深，深度相当于原型 5 m，制作成平底。试验前模拟现状条件下的地形铺上模型沙（煤粉），根据相应的试验条件，在波浪等动力作用后再测量试验后的地形变化情况。试验前的模拟地形按照2006 年 3 月地形铺设，岛侧和引堤两侧护坡坡度为 1 :2.5，为满足反射相似，模型中按照正态比尺放置扭王块石护坡。

2.2 动床试验地形验证

泥沙动床试验成果是否可靠，除了相似理论的理论基础、多年试验的成功经验外，地形资料的验证是最可靠的依据之一。为此，泥沙试验前一般都需要进行地形验证。验证试验前预先在动床范围内按照2006年7月地形铺上模型沙，分别测量试验前、后的地形变化情况。测量断面布置见图2。

图2 4 号构造动床物理模型地形测量断面布置

图3为模型验证试验后2#、3#和 4#断面地形分布（按相似比放大）与实测断面地形（包括 2006 年 7 月和2007年现场测量数据）分布比较，大浪的持续时间为 1 d，折算的模型试验时间为 20 min。试验后模型断面也有冲刷形态出现，只是在位置上稍有差别，试验后地形分布与实测地形冲刷情况基本一致，模型冲淤地形验证试验说明，试验方法能够达到与现场实际情况相似的要求。

图3 模型验证试验结果与现场实际地形的比较

3 动床试验成果

4-1 人工岛前岸滩地形较高，涨落潮时水流流速较小，水流动力对人工岛的影响较小，波浪动力是主要动力，因而在波浪动床模型试验中一般情况下只考虑不同潮位的波浪作用，不考虑潮流作用，最后选择典型试验条件再做一次增加潮流动力的试验。

现场情况下，水深和波浪大小都对岸滩冲淤有直接影响。人工岛建成后，除了考虑波浪作用引起的冲刷外，还要考虑到人工岛反射波作用引起的冲刷，两方面的冲刷作用加在一起才是人工岛前岸滩的最终冲刷量。仅从人工岛前反射程度看，高水位、适当的波高（传至岛前未破碎的最大波高）引起的冲刷量相对较大。

3.1 不同水位、波浪作用对人工岛和引堤稳定性影响

一般情况下，水位越高，波浪对岸滩的冲刷作用越大，由于人工岛的存在，即使在 50 年一遇高潮位作用下，50 年一遇大浪对人工岛安全的影响程度也不及中等强度浪，从试验结果看，2年一遇波浪对人工岛前岸滩影响相对较大，最不利条件下人工岛前最大冲刷深度0.9～1.0 m，冲刷范围距离人工岛 40 ～ 45 m 以内。由于人工岛的掩护作用，在正向波浪作用下，人工岛北侧和东西两侧的岸滩相对比较稳定，可以在人工岛两侧靠近南部适当增加防护。同时，大浪条件下，引堤前冲刷程度较大，最大冲刷深度 0.8 ～0.9 m，冲刷范围距离引堤 35 ～ 40 m以内，应对措施是在引堤堤身采用护坡，另外在堤头区的底床加强防护。

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 70 m 和延长 70 m 几个方案的动床模型试验，试验条件为 50 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，人工岛前岸滩冲刷有所增加，人工岛前几个断面中最大冲刷深度 1.2 ～ 1.3 m，冲刷范围最远距离人工岛 40 ～ 45 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70 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 70 m 后，3#断面最大冲刷深度 0.8 ～ 0.9m，冲刷最大范围距离人工岛 45 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 70 m 后最大净冲刷深度为 0.9 ～ 1.0 m，引堤缩短70 m 时堤头附近最大冲刷深度 0.5 ～ 0.6 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 50 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－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。50 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 40 ～ 50 m，引堤前最大冲刷深度 1 m，冲刷区外围距引堤 50 m。

3.4 S 向浪作用下人工岛前冲刷情况

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 50 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，人工岛处冲刷范围不变，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。

4 结论

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 0.9 ～ 1.0 m，冲刷坑最大范围距离人工岛 40 ～ 50 m；引堤前岸滩最大冲刷深度 0.8 ～ 0.9 m，冲刷范围 40 ～ 45 m。

（3）50 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 40～ 50 m，引堤前最大冲刷深度 1 m，冲刷区外围距引堤50 m。

（4）引堤方案试验表明，引堤对人工岛有一定的掩护作用，随着引堤长度的增加，人工岛前岸滩冲刷量逐渐减小，引堤长度可根据设计需要进行比选，同时引堤延长后，引堤前岸滩的冲刷将有所增大，要注意加强防护。

（5）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浪作用，但是人工岛正对波浪方向的冲刷程度增加，应加强人工岛南侧岸线的东、西向端部的防护。

（6）考虑到长周期波浪作用，建议 4-1人工岛南侧、引堤前底床防护范围取 50～60 m。4-1 人工岛及防护工程的实施，对西坑坨岛起一定的固滩保滩作用，可以防止波浪长期作用对南侧岸滩的侵蚀。

[1]曹妃甸工业区曹妃甸港总体规划潮流数学模型试验报告 [R].南京：南京水利科学研究院，2006.

[2]崔峥，毛宁，佘小建.冀东油田4号构造14号、15号人工岛物理模型试验研究 [R].南京：南京水利科学研究院，2007.

[3]严恺.海岸工程 [M].北京：海洋出版社，2002.

[4]薛鸿超.海岸动力学 [M].北京：人民交通出版社，1980.

Physical Model Tests of Movable Seabed of No.4 Structure in Jidong Oilfield under Wave Actions

Li Shunli1，Yang Jiao2
1.PetroChina Jidong Oilfield Co.,Tangshan 063004,China
2.China Petroleum Pipeline Fifth Construction Co.,Renqu 062550，China

A physical model for movable seabed test under wave actions is established for No.4 structure in Jidong Oilfield.The model scaling relations satisfy both the tide similarity and wave similarity.The scour and deposition situations in the front beach of the artificial island under the action of waves (adequately considering tidal currents) as well as local scour problems in front of the artificial island after the completion of No.4 structure are studied.The test results show that the dynamic action of tidal force is relatively weak along the southern side of Xikengtuo Island where No.4 structure of Jidong Oilfield is located;the main factor affecting the stability of the beach of No.4 structure is the wave action.It is suggested that the protection range of the seabeds at the southern side of the artificial island No.4-1 and at the beach in front of the approaching embankment should be 50 ～ 60 m,and that the protection range for the eastern and western ends of the coastline along the southern side of the artificial island should be appropriately extended.

physical model;wave;current velocity;flow regime

10.3969/j.issn.1001-2206.2014.01.004

李顺利（1978-），男，河北唐山人，工程师，2008年毕业于河北理工大学，从事石油工程建设管理工作。

2013-08-12