海洋平台立管系统底部局部冲刷试验研究

姜 萌，张杰峰，陈 兵

（大连理工大学，辽宁 大连116024）

0 引言

随着世界经济迅速发展，人类开采海底石油与天然气、海洋矿产资源、海洋空间资源和生物资源的规模不断扩大，与之相适应的海洋工程已成为近60年来发展最迅速的工程之一。

海洋工程结构物处于复杂多变的海洋环境中，要承受风、波、流、冰、地震等环境荷载的强烈作用。在近海大陆架处，平台及海底管道周围海床受泥沙输移的影响会遭受波流的强烈冲刷，给平台结构的稳定和正常使用带来巨大隐患。因此，考虑各种水动力因素对平台结构基础冲刷的影响，便于在设计和施工中采取必要的工程防护措施，对保证结构在使用期间的安全有重要意义。

目前，各国学者对波流作用下的桥墩、防波堤、人工岛、大尺度圆柱结构物的局部冲刷都进行了详细的研究探讨，得出了一定的研究成果。对于单向水流作用下的圆柱周围的局部冲刷机理及冲刷的发展过程已经基本明了，对于波浪作用下小直径圆柱周围的局部冲刷只进行为数不多的试验，并没有可靠的估算冲刷深度的计算公式。

海洋平台的立管、水平管与导管架桩组成的立管系统，其周围的水流情况非常复杂，可以引起立管的局部冲刷和水平管暴露悬空，有时冲刷十分严重。在这种复杂的边界条件下不能用简单的估算方法和数值模拟来推算立管系统的冲刷程度，故解决此类问题最佳的手段是物理模型试验。因此基于平台立柱周围波流作用下的局部冲刷机理，采用试验方法对波流水槽中立管系统周围的局部冲刷进行了观测，了解其周围的冲刷形态和范围，估算立管和腿柱周围底部的平衡冲刷深度，以供设计作为参考依据。

图1 桩与立管结构图

1 试验设备与模型

1.1 试验设备和仪器

试验在大连理工大学土木水利学院港口航道与海岸工程实验室的波流水槽中进行。试验水槽的主要尺寸：长47m，宽1m，深1.3m。水槽一端为造波系统设备与水流口出流，造波系统为电机驱动方式造波机，另一端设出流口和消能设施，水流与波浪同向。在水槽中段设置3 m×1m×0.3m的试验沙盘，内置试验沙，在沙盘中央安放置模型（如图1所示）。用日本生产的淤厚仪测量冲淤地形，地形冲淤值是试验开始前某测点的高程读数与测定时在该测点上的高程读数值之差，正值表示淤积，负值表示冲刷。

1.2 模型

按照试验结构原型尺寸、试验水槽的大小与造波造流能力，确定正态模型几何比尺为20。模型立管、立管桩及水平管道由表面光滑的有机玻璃管制成，模型立管直径为25mm，立管桩直径为80mm，立管桩下端固定，并用管夹将立管固定在立管桩上。

1.3 试验水文要素

表1 水文要素原型值

表2 水文要素模型值

2 试验步骤与测点布置

2.1 试验步骤

（1）在沙盘模型区安放桩与立管模型，并且固定好。

（2）将泥沙放置在模型区内并且整平，整平的精度控制在初试沙面高程误差不超过±5mm。（3）放水至规定水深。按图2的测点布置用淤厚仪测量各点初始高程。

（4）按要求调好造波系统和造流系统，开动机器，造波生流，使波高、周期和流速符合表2要求。

（5）在试验过程中，不断从上游加入试验沙，以补充在试验中不断地向下游输出的沙。要求试验段的上边界处沙面高程不明显降低。

（6）每隔半个小时用淤厚仪测量桩与立管模型周边4个冲深监测点的冲淤高程。（7）当冲刷坑内的高程不再降低或最大冲刷点上冲淤交替出现时，认为冲刷已达到极限，这时结束试验。（8）用淤厚仪测量地形测点标高。然后，将水槽内水放掉，用尺子测量模型周围冲刷坑最大值，测量冲刷范围，观察水平管悬空长度。

2.2 测点布置

（1）如图2所示，测区范围：800mm×1 000mm；基本测点间距为50mm。在立管桩附近点测点加密一倍，测点间距为25mm。全部共计580个冲刷地形测点。

（2）如图3所示，在桩与立管模型周围设置4个冲深监测点（1、2、3、4）。

图2 地形测点分布图

图3 冲深监测点布置图

3 试验结果及分析

3.1 立管周围冲淤形态的一般特征

冲刷开始后，在立管前后出现少量不规则沙纹，随着冲刷的发展，形成一条条近似平行、间距大致相同的沙纹。同时，立管系统周围由于漩涡的作用形成较浅的冲刷坑。随着波流作用，冲刷坑的规模不断增大，冲刷坑范围和冲刷深度也在增加。经过3个小时左右的波流共同作用，沙纹不再增高，随时间向前推移，冲刷坑深度随沙纹的推移深度产生周期性变化。

此时各组试验一般都达到稳定状态，测得最终冲淤地形图。根据这些冲淤地形图的观察，冲淤形态可以分为两类：第一类为纯波作用的情况，冲刷坑的范围和深度较小（如图4所示）；第二类为波流共同作用的情况，冲刷坑的范围和深度较前者大很多（如图5所示）。

试验结果显示，纯波单独作用时，立管系统周围并没有明显的冲刷坑，试验区域呈现不规则的沙波形态。在波浪作用下，一般圆柱周围存在尾涡，尾涡产生的形态接近于单向水流。波浪水流的往复运动，使尾涡在圆柱的迎波一侧及背波一侧反复出现。随着波浪非线性作用的增强，两侧的尾涡强度差别扩大，直至在迎波的一侧无明显的尾涡，泥沙的净输送造成立管系统周围的冲刷。

波流作用时，试验区域出现明显的沙纹，立管系统周围大部分发生局部冲刷，出现明显的冲刷坑，立管系统后方小部分为泥沙淤积。由于立管系统附近的局部地区的水流得到加强或产生漩涡，这种局部强化或高速旋转的水流形成冲刷坑。在冲刷过程中，冲刷坑开始时形成的过程较快，随着时间的推移，冲刷坑达到平衡，之后冲刷坑随时间周期性变化。试验结果显示，波流作用下，立管系统的冲刷坑深度和范围比纯波浪冲刷坑大的多（如图5所示）。

图4 纯波作用下立管周围的泥沙冲刷状态（N0.4）

图5 波流作用下立管周围的泥沙冲刷状态（N0.9）

3.2 平衡冲刷深度

在试验过程中，为了监测冲刷平衡状态的出现，在圆柱体模型周围4个冲刷监测特征点每隔半小时量测一次。当监测的冲刷坑深度达到稳定状态后，试验停止，表3为立管系统周围冲刷稳定后的最大冲刷深度测量值。为了更好地对4个监测点进行数据分析，根据表3画出了4个冲深监控点对比曲线（如图6所示）。

表3 立管周围监测点的最大冲刷深度

图6 冲深监控点对比曲线

3.3 各种因素对平衡冲刷深度的影响

试验结果表明，流速是决定最大冲刷坑深度的关键因素。从圆柱周围的最终冲淤地形图和冲深监测点历时曲线显示，NO.3组别的地形的最大冲刷深度为1.9m。因此，波流共存场中，在其他海洋环境因素相同的条件下，流速增大（最大达到1.5m／s）可以使最大冲刷深度急剧地增大。

在水深、流速相同的条件下，波高增大，导致水质点的运动更加强烈，使冲刷坑的范围变大，出现最大平衡深度时间变短。因此，冲刷深度一般随波高的增大而增大，但是随着相对波高加大，冲刷深度会达到最大值。

通过上述冲后地形图可以看出，在立管系统正前方2.5m范围内冲刷最严重，流速越大，冲刷越严重。在波流共存场中，立管系统后方出现淤积，且流速越小，淤积越严重。

图7 冲后地形图（NO.3）

图8 冲后地形图（NO.4）

图9 冲后地形图（NO.5）

图10 冲后地形图（NO.6）

4 结论

通过本试验模型的建立，在不同波况及不同流速大小状态下的试验研究分析，在波流共存场中，对小直径桩立管系统的冲刷比对单纯波浪作用下的严重的多。并且，在波流共存场中，流速成为引起立管系统周围冲刷的最重要的因素。在试验中，其他环境条件相同的条件下，随着流速的增大，冲刷急剧增大。

参考小直径桩冲刷机理可以看到，在波流共存场作用下，立管系统周围形成的马蹄形漩涡及其后方的剥蚀漩涡与单纯水流作用相比，发生变形，使其冲刷深度与冲刷范围都急剧增加。在水流和泥沙中值粒径一样的情况下，随着波高和周期的增大，立管系统前方最大冲刷深度减小，立管后方淤积增加。在外界环境条件相同的条件下，立管系统与来流方向角度从垂直变为倾斜，立管系统周围最大冲刷深度增加。在波况和水流一样的情况下，泥沙中值粒径的不同，立管系统周围最大冲刷深度基本上没有变化，但是小颗粒泥沙冲刷范围增加了近一倍。

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