粉沙海床管道在联锁排防护下的冲刷试验研究

汪求顺，康海贵，孙英伟，莫仁杰

(大连理工大学 海岸和近海工程国家重点实验室，辽宁 大连 116024)

在波流作用下，海底管道附近泥沙极易发生侵蚀，致使管道底部掏空从而处于悬空状态。悬空的管道在涡激振动和自重作用下容易发生断裂，造成油气泄漏等安全事故并引发海洋环境污染。因此，海底管道局部冲刷问题一直受到了很多人员的关注，近来学者对海底管道在稳定流中的冲刷进行了试验研究［1］和数值模型分析［2］。在近岸海域中海底管道受到以波浪为主的作用，对于波浪作用下的管道冲刷也得到了试验研究［3］，同时有学者对波浪引起的管道冲刷深度进行了预测［4］。

海底管道的冲刷防护是海底管道研究的热点之一，有学者对带有柔性阻流器的管道冲刷防护进行试验研究［5］。对位于黄河入海口滩海交界地带的埕岛油田，水下支撑桩和仿生水草防护技术在管道悬空治理上得到应用［6-7］。然而，水下支撑桩控制长度有限，仿生水草虽然能有效促淤，但防护范围较小、造价昂贵，不适用于治理大面积海底管道的冲刷。混凝土联锁排在保滩护底工程中具有整体性好、适应床面变形能力强、易于机械化施工等优点，在长江口工程中得到成功应用［8］。为研究混凝土联锁排在粉沙海床管道的防护效果，考虑到波浪和水流的共同作用，需研究在粉沙海床中该防护的有效性。国内外对于粉沙质海床泥沙运动研究成果较少，学者们主要针对粉沙在波流作用下运动和含沙量进行研究［9-10］。因此，对于海底管道在粉沙海床的冲刷及联锁排对管道防护下引起周围海床的冲刷深度对防护稳定性的影响研究就显得必要。同时，海底管道常受到波浪和海流的影响，有学者对波流作用下管道的泥沙起动进行了数值模型研究［11］。但是，波流作用下海底管道局部冲刷是波流、管道和海床之间复杂的耦合作用问题，特别是对于粉沙海床，其泥沙特性更为复杂，因此，对于近岸海底管道受到波流的作用，开展海底管道在粉沙海床联锁排防护下的应用研究非常必要。因物理模型试验是探索机理的最可靠研究手段，本研究将通过物理模型试验，研究波流作用下海底管道在粉沙海床中的局部冲刷和联锁排防护下周围海床的冲刷变化，对具有初始嵌入深度的管道在粉沙海床发生局部冲刷的物理过程进行分析，并分析在不同水深中联锁排防护效果和稳定性。

1 模型试验

1.1 试验建立

试验在大连理工大学港口与近海工程研究所波流浑水槽中进行。水槽尺寸为50 m×1 m×1.5 m(长×宽×深)，水槽中的沙盘尺寸为3 m×l m×0.3 m(长×宽×深)。管道的试验在该水槽沙盘中进行，在盘内填满试验用的沙样作为试验海床模型。

采用研究海域当地海床的天然原型粉沙进行试验，在试验区域沙盘里面填满原型粉沙后，加入一定深度的水淹没沙盘中粉沙使沙样固结1 天后，将由有机玻璃制成的海底管道模型安装在水槽沙盘中，再静置12小时，待沙样恢复到正常床面状态即完成海床的制备。

1.2 试验方法及条件

1.2.1 试验流程

试验中波浪采用不规则波中的JONSWAP 谱，水流通过造流系统控制在预定值。在波流浑水槽中，考虑数据测量的需要，在波流作用1 小时后停止造波、造流，待水面稳定之后，测量管道两侧的冲刷深度，然后继续加载波流，每1 小时间歇一次(管道无防护时第30 分钟后测量一次)。试验中还应注意控制起始出流的速度，以减小起始水流对地形的冲刷影响。

冲刷深度的测量采用泥沙冲淤测量仪，在管道轴线中点位置，沿垂直管道轴线方向布置测点，管道附近测点间距l cm。应用泥沙冲淤测量仪获得测点高程数据，通过冲刷前后各测点的高程差值，即可得到试验前后的地形变化。当前后两次试验冲刷深度的测量值相差1 mm 时，认为冲刷已达到平衡状态，此时一组试验结束，缓慢放低水槽中的水，取出管道，并测量管道底部的冲刷深度。对同一工况进行三组重复试验。

1.2.2 试验步骤

1)在试验区域沙盘里将原型粉沙填满，静置1 天，待沙样自然密实后安放好模型再静置12 小时;

2)调整水深至试验水深，通过泥沙测量仪对初始床面进行测量;

3)将造波机和循环造流系统打开，同时进行造波、造流;

4)在波流作用1 小时后，停止波流设备，待水面稳定后，测量管道两侧的冲刷深度;

5)重复第2)、3)、4)步，直到前后两次测得的冲刷深度相差1 mm 即认为达到稳定冲刷深度;

6)一组试验结束后，缓慢放低水槽中的水，取出管道，并测量管道底部冲刷深度;

7)重新将冲刷区域用粉沙进行补充填好，恢复初始床面状态，并根据下一组的试验安置管道，静置12小时后进行下次试验。

1.2.3 试验条件

试验参数根据研究海域当地水深下的最危险波流条件，其中波浪是根据研究海域水深下破碎前的极限波浪给出，流速是按最大海流给出。根据试验水槽的大小，以及造波、造流的能力，试验的模型几何比尺设计为1∶10 和1∶15。按相似准则确定设计比尺关系:

式中:λ为模型几何比尺;λv为速度比尺;λh为水深比尺;λH为波高比尺;λT为波周期比尺。

因此，试验中的参数见表1 所示。

表1 试验参数Tab.1 The experimental parameters

为研究极限波浪和最大水流作用时混凝土联锁排对海底管道的防护效果和防护下床面的冲刷，在0.4 m水深海底管道无防护时的管道底部冲刷进行研究，并分析不同水深下0.4、0.47、0.67 m 混凝土联锁排对海底管道防护的适用性。

2 试验结果分析

2.1 管道无防护

在0.4 m 水深管道无防护(初始埋深5 mm)波流作用下，由管道断面冲刷历程可知，在前1 小时内，床面的冲刷深度较大。在第1 小时和第3 小时后，管道周围地形无明显的变化，管道底部冲刷深度变化在1 mm，认为在试验3 小时后达到冲刷平衡状态，管道底部最终稳定后冲刷的平衡深度为2.1 cm。图1 给出海底管道无防护时局部冲刷坑的发展变化，图中原点左侧为波流的来向。经过3 小时冲刷稳定后，管道中点处沿垂直管道轴线方向前后10 cm 范围的冲刷断面历程如图1 所示。

图1 管道无防护时断面冲刷历程Fig.1 The scour process of the unprotected pipeline at the profile

通过试验过程观察可知，在管道无防护初始时刻，随着大的波浪到达沙盘区域，波浪使床面的粉沙迅速进入悬浮状态，悬浮起来的泥沙随着水流运动;同时在管道两侧出现较浓的泥沙浓度层。在一些大波作用后，管道底部出现小的间隙，间隙周围有着高浓度泥沙。随着水体涌入间隙中，造成管道底部冲刷快速增大并向周围扩大。这类似沙质海床中管道两侧的压力差引起的冲刷［12］，但管道下侧的粉沙没有像沙质海床那样在下游堆积，而是细小的泥沙颗粒从管道下游迅速起动进入悬浮状态，随着水流离开。在管道和底床的间隙迅速扩大下，管道下面的冲刷坑也变大。另外，粉沙床面管道上、下游冲刷强度均较大，冲刷深度基本相等。在第1 小时后管道下的水体流速变小，冲刷坑变化已不明显但向两侧延伸，第3 小时后管道底部冲刷不再发生变化，此时认为冲刷已经稳定，随着侵蚀的粉沙减少，床面处于动态平衡中。由管道无防护时床面冲刷试验过程可知，在极限波浪与最大水流作用3 小时后，管道底部形成了稳定的冲刷坑，其最终的稳定深度为2.1 cm。

因此，选用与管道无防护试验时相同的波流条件，对0.4 m 水深混凝土联锁排覆盖下的海底管道防护效果和周围床面冲刷进行研究，并分析该防护下在水深为0.47 m、0.67 m 极限波浪与最大水流中的防护效果和周围床面的冲刷，同时在各个水深中波流作用下观测联锁排块体的稳定性。

2.2 联锁排块体稳定性

混凝土联锁排的边缘排体在波浪拖曳力及上举力共同作用下会发生滚动失稳，内部排体在波浪上举力作用下会发生漂浮失稳。目前，国内主要根据水利部规范公式(1)来确定混凝土联锁排在波浪作用下的稳定厚度，而由张玮等通过半经验半理论公式得到混凝土联锁排稳定厚度的简化公式(2)能减少稳定厚度的设计，得出的结果偏于安全，但其中的参数需要试验确定［13］。试验中，对混凝土联锁排块体设计后的稳定性进行试验的验证并对简化公式中的试验参数给出评估范围。

式中:δm1为水利部规范公式的混凝土联锁排厚度(m);δm2为简化公式的混凝土联锁排厚度(m);γ为排体相对浮容重，γ=(γh－γ0)/γ0，γh为混凝土容重(kN/m3)，γ0为水容重(kN/m3);H 为波高(m);混凝土联锁排符合排体抗飘浮稳定要求时压重稳定系数SN＜5.7;λ 为试验修正系数。计算中排体相对浮容重γ为1.35，临界压重稳定系数SN取5.7。

在0.4 m 水深，波高H1/3为0.14 m 波浪条件下，试验中单个联锁排为4 cm×4 cm×3 cm(长×宽×厚)，其厚度δ 为3 cm，由水利部规范公式(1)计算得到最小的联锁排厚度δm1为1.8 cm，该水深波浪条件下δ ＞min(δm1)，满足稳定性的要求。在该水深试验过程中，联锁排整个排面是稳定的。从计算公式和试验过程中均满足稳定性的要求。在0.47 m、0.67 m 水深中波高H1/3为0.16 m、0.23 m 波浪条件下，两种水深试验中单个联锁排均为2.67 cm×2.67 cm×2 cm，其厚度δ 为2 cm。在水深0.47 m、波高H1/3为0.16 m 波浪条件中，由水利部规范公式(1)计算得到最小的联锁排厚度δm1为2.1 cm;在水深0.67 m、波高H1/3为0.23 m 波浪条件中，由公式(1)计算得到最小的联锁排厚度δm1为3.0 cm;可以看出两种水深中的联锁排厚度均为δ ＜min(δm1)，按规范不满足稳定性要求。但是，在试验过程中对厚度为2 cm 的联锁排进行模型试验可以发现:在0.47 m、0.67 m 水深极限波浪条件下，通过在3 小时中联锁排的排面观察和断面测量可知，观察期间边缘排体没有发生滚动失稳，内部排体也没有发生漂浮失稳;测量期间该联锁排排面高程几乎没有变化，只在最上、下游排面块体有因底部冲刷引起的下陷，试验过程中联锁排整个排面是稳定的。而此时δ ＜min(δm1)，显然该规范法计算得出的联锁排稳定厚度偏大，而张玮等通过简化的半经验半理论公式能给出比规范小的联锁排稳定厚度，为便于将来的设计应用，根据本试验中联锁排稳定厚度给出该简化公式中试验参数的修正范围。

对于试验修正系数λ，在波高H1/3为0.16 m 时，λ≤0.4，满足混凝土联锁排稳定性要求;在波高H1/3为0.23 m 时，λ≤0.6，满足联锁排稳定性要求。

由上面分析可知，按简化公式设计出的联锁排厚度能满足稳定性的要求，小于规范公式推荐的厚度，结果偏于安全，有利于工程设计应用。

为研究管道在联锁排防护下效果和联锁排铺设引起的床面变化，对不同水深下周围的床面进行量测。

2.3 联锁排防护下管道周围冲刷

2.3.1 水深0.4 m 下防护效果

该水深条件下采用厚度为3 cm 的联锁排沿管道周围－60 ～60 cm 范围进行铺设研究。

图2 给出在管道轴线中点(0 cm)初始地形以及3 小时波流作用后揭开联锁排在管道前后70 cm 范围内床面冲刷变化。

通过联锁排防护下初始地形和3 小时波流作用后揭开联锁排的床面变化可知，在距离管道－60 cm 和60 cm 即联锁排上、下游的排脚位置出现冲刷坑，上游排脚(－60 cm)的最大冲刷深度达到2 cm，下游排脚(60 cm)的最大冲刷深度达到1.1 cm，其余的联锁排覆盖位置床面略有变化，主要因为混凝土联锁排自身重力对床面的粉沙密实作用而引起的自然沉降，此处床面几乎没明显的冲刷。管道(0 cm)在联锁排防护下效果良好，管道周围没有冲刷。

在联锁排防护的同时，工程中经常使用具有一定强度和耐久性的土工织物作为护底结构联合使用［8］，试验中在联锁排下面铺设土工布，土工布长宽为120 cm ×99 cm，为无纺土工布，主要是以涤纶短纤维为主，土工布铺设区域和联锁排区域一致。在波流作用3 小时后，初始地形在揭开联锁排和土工布的床面变化如图3 所示。

图2 初始地形在3 小时后揭开联锁排的床面变化Fig.2 The bed change of the original topography with the protection of concrete bottom mattresses after 3 hours

图3 联锁排和土工布防护下3 小时后床面变化Fig.3 The bed change with the protection of concrete bottom mattresses and geotextiles after 3 hours

通过联锁排和土工布防护下初始地形在波流作用3 小时后揭开联锁排和土工布的床面变化可知，在距离管道－60 cm 即联锁排上游的排脚出现冲刷坑，该最大冲刷深度为1 cm;下游排脚(60 cm)的最大冲刷坑不是很明显，冲刷深度为0.5 cm;其余的联锁排覆盖位置因自身重力引起地形略有变化，但床面几乎没明显的冲刷。管道(0 cm)在联锁排和土工布防护下周围没有冲刷。在联锁排和土工布防护下，排脚位置最大的冲刷坑深度减小，更有利于联锁排整体的稳定。

2.3.2 水深0.47 m 和0.67 m 下防护效果

对0.47 m 和0.67 m 这两种水深条件下采用厚度为2 cm 的联锁排沿管道周围－40 ～40 cm 范围进行铺设研究。

图4、图5 分别给出在水深0.47 m、0.67 m 时初始地形在3 小时波流作用后揭开联锁排的床面变化。

图4 水深0.47 m 时3 小时后揭开联锁排的床面变化Fig.4 The bed change with the protection of concrete bottom mattresses at the depth of 0.47 m after 3 hours

图5 水深0.67 m 时3 小时后揭开联锁排的床面变化Fig.5 The bed change with the protection of concrete bottom mattresses at the depth of 0.67 m after 3 hours

通过在0.47 m 和0.67 m 水深中联锁排防护下初始地形在3 小时波流作用后揭开联锁排的床面变化可知，在距离管道－40 cm 和40 cm 即联锁排上、下游的排脚均出现冲刷坑，在0.47 m 水深时上游排脚(－40 cm)的最大冲刷深度达到1.1 cm，下游排脚(40 cm)的最大冲刷深度达到0.7 cm;水深0.67 m 时上游排脚最大冲刷深度为0.9 cm;下游排脚最大冲刷深度为0.6 cm。两种水深下其余的联锁排覆盖位置地形均略有变化，这些均主要由联锁排本身对粉沙海床密实作用引起的，床面没明显的冲刷。管道(0 cm)在联锁排防护下周围没有冲刷。

联锁排上、下游的排脚冲刷主要由于联锁排块体周围的粉沙在极限波浪和最大水流作用时，细小的粉沙颗粒在排脚迅速起动进入悬浮状态，随着水流输移。经过一段时间随着侵蚀的泥沙减少，冲刷减弱，床面基本处于动态平衡中。

3 结 语

通过物理模型试验，研究了在水深0.4 m 时海底管道在粉沙床面波流作用下无防护时冲刷过程和不同的联锁排块体在0.4、0.47、0.67 m 水深中极限波浪和最大水流下的稳定性，并对混凝土联锁排对于海底管道的防护效果及其引起的粉沙床面的冲刷进行研究，得出如下结论:

1)根据水利部规范和半经验半理论的简化公式对混凝土联锁排的稳定厚度进行分析，可以得出水利部规范公式得到的稳定厚度偏大，通过试验修正系数按半经验半理论的简化公式得出的联锁排厚度偏于安全也较经济。两种联锁排块体在0.4、0.47、0.67 m 水深波流条件下均是稳定的。

2)在0.4 m 水深中极限波浪与最大水流下，管道无防护时3 小时后床面冲刷达到平衡状态，冲刷的稳定深度为管下2.1 cm;而在联锁排防护时经波流作用3 小时后仅在联锁排的上、下游排脚出现冲刷坑，联锁排下的床面及管道周围没明显的冲刷。联锁排加土工布防护时，在联锁排的上、下游排脚冲刷深度比无土工布时减小，有利于联锁排的整体稳定，管道得到很好的防护。

3)0.47 m 和0.67 m 水深条件下，联锁排防护时经波流作用3 小时后床面均在联锁排的上、下游排脚出现冲刷坑，该冲刷坑不影响联锁排的整体稳定，联锁排下的床面及管道周围没明显的冲刷。

从以上不同水深条件下联锁排的防护效果及稳定性分析可以看出:混凝土联锁排对于粉沙质海床上的管道有较好的防护效果;在试验中极限波浪与最大水流作用下，设计的混凝土联锁排厚度低于规范公式得出的联锁排块体厚度仍具有良好的稳定性。同时，试验中采用天然原型粉沙做海床试验，由于重力加速度相似［14］，可以呈现海床泥沙受力过程的相似。因此本试验研究对于联锁排在实际粉沙海床的应用具有一定的现实指导意义。

［1］杨 兵，高福平，吴应湘.单向海流载荷下海底管道局部冲刷试验研究［J］.工程力学，2008，25(3):206-210.(YANG Bing，GAO Fu-ping，WU Ying-xiang.Experimental study on local scour of sandy seabed under submarine pipeline in unidirectional currrents［J］.Engineering Mechanics，2008，25(3):206-210.(in Chinese))

［2］Cheng L，Yeow K，Zhang Z P，et al.Three-dimensional scour below offshore pipelines in steady currents［J］.Coastal Engineering，2009，56(5-6):577-590.

［3］潘冬子，王立忠，潘存鸿，等.推进波作用下海底管线周围局部冲刷试验研究［J］.海洋工程，2007，25(4):27-32.(PAN Dong-zi，WANG Li-zhong，PAN Cun-hong，et al.Local scour around pipeline due to progressive wave［J］.The Ocean Engineering，2007，25(4):27-32.(in Chinese))

［4］Etemad-Shahidi A，Yasa R，Kazeminezhad M H.Prediction of wave-induced scour depth under submarine pipelines using machine learning approach［J］.Applied Ocean Research，2011，33(1):54-59.

［5］杨立鹏，拾 兵，阮雪景，等.带有柔性阻流器的海底管道冲刷防护试验研究［J］.海洋工程，2012，30(2):95-99.(YANG Li-peng，SHI Bing，RUAN Xue-jing，et al.Experimental study on erosion protection for submarine pipeline with a flexible spoiler［J］.The Ocean Engineering，2012，30(2):95-99.(in Chinese))

［6］肖文功.海底管道悬空隐患治理技术研究及应用［J］.中国海洋平台，2004，19(6):39-42.(XIAO Wen-gong.The research and application of submarine pipeline free span rectification technology［J］.China Offshore Platform，2004，19(6):39-42.(in Chinese))

［7］赵益民，胡光海，董立峰，等.埕岛油田海底管道悬空治理和检测［J］.海岸工程，2012，31(2):14-20.(ZHAO Yi-min，HU Guan-hai，DONG Li-feng，et al.Correction and inspection of submarine pipeline span in the Chengdao oil field［J］.Coastal Engineering，2012，31(2):14-20.(in Chinese))

［8］陈学良，张景明.土工织物在长江口深水航道治理工程中的应用［J］.水运工程，2000(12):48-52.(CHEN Xue-liang，ZHANG Jing-ming.Application of geotextiles in the Yangtze Estuary deepwater channel regulation project［J］.Port and Waterway Engineering，2000(12):48-52.(in Chinese))

［9］夏云峰，徐 华，陈 中，等.粉沙质海岸波流作用下水体含沙量及其垂线分布试验研究［J］.海洋工程，2010，28(4):84-89.(XIA Yun-feng，XU Hua，CHEN Zhong，et al.Experimental study on water sediment concentration and vertical distribution under wave and wave-current action in silt coast［J］.The Ocean Engineering，2010，28(4):84-89.(in Chinese))

［10］赵冲久，秦崇仁，杨 华，等.波流共同作用下粉沙质悬移质运动规律的研究［J］.水道港口，2003，24(3):101-108.(ZHAO Chong-jiu，QIN Chong-ren，YANG Hua.Study on moving patterns of suspended load over fine sand bed under wavecurrent co-existent conditions［J］.Jounal of Waterway and Harbor，2003，24(3):101-108.(in Chinese))

［11］Zang Z P，Cheng L，Zhao M，et al.A numerical model for onset of scour below offshore pipelines［J］.Coastal Engineering，2009，56(4):458-466.

［12］Sumer B M，Truelsen C，Sichmann T，et al.Onset of scour below pipelines and self-burial［J］.Coastal Engineering，2001，42(4):313-335.

［13］张 玮，吴苏舒，蒲高军.淹没海滩护底混凝土联锁排稳定厚度公式研究［J］.海洋工程，2007，25(4):54-59.(ZHANG Wei，WU Su-shu，PU Gao-jun.Research on stable thickness formulas of concrete bottom mattress in submerged beach［J］.The Ocean Engineering，2007，25(4):54-59.(in Chinese))

［14］郗殿纲.海岸波浪动床模型试验技术及其相似律问题［J］.港口工程，1994(4):9-18.(XI Dian-gang.Experimental technique and similitude of movable bed models in coastal waters［J］.Harbor Engineering，1994 (4):9-18.(in Chinese))