波浪荷载下振动管道周围粉质海床的孔压响应和冲刷室内水槽研究

2021-07-16冯秀丽姜建新

中国石油大学学报（自然科学版） 2021年3期

肖晓，冯秀丽，姜建新，林霖

(1.中国海洋大学环境科学与工程学院，山东青岛266100；2.中国海洋大学海洋地球科学学院，海底科学与探测技术教育部重点实验室，山东青岛266100)

随着海上油气资源的大量开采，海底管道作为海上油气生命线在社会生活中所起到的作用越来越大[1]。但由于海底环境复杂多变，受到波浪、海流、海底地震、火山活动以及人类活动等多种不确定因素的影响，海底管道又极容易发生事故[2-3]。为保证海底管道免受复杂海底环境影响，将海底管道稳定地埋藏在海床上显得尤为重要[4],海床土体只有提供足够的阻力以平衡环境荷载才能保证海底油气管道的稳定运行[5-7]。波浪会造成海底管道产生悬跨，底流将导致跨段管道产生涡激振动，会进一步诱发支撑点的土体液化[8]；波浪的周期性运动将导致海床土体产生瞬态的附加孔隙水压力，导致海床失稳[9]；粉质土海床由表及里的破坏除了波浪导致的孔压累积，也与海床剪应力相关[10]。管道周围海床孔隙水压力累积模式的研究表明，规则波浪作用下超孔隙水压力的累积速度非常快，床土的表层最先液化，然后逐渐向深处发展[11]；Teh 等[12]的研究认为波浪荷载作用后，海床累积的孔隙水压力开始从底层消散；潘冬子等[13]利用波浪模型试验和数值模拟方法解释了超静孔隙水压力的增长模式；程永舟等[14]在波浪水槽中设计了1∶30斜坡的砂质海床，发现超静孔隙水压力的变化与波高呈正相关关系；Jeng等[15]通过数值计算得出液化更容易发生于长周期或者较大波高与较浅水深组合的波况下，但Liu等[16]的数值计算得出小周期波浪作用下的海床更容易液化；Chang等[17]通过循环三轴剪切试验证明随着波浪周期增加，床土抗液化强度降低。在管道周围海床局部冲刷的研究方面，国内外学者主要采用物理试验[18]和数值模拟方法[19-20]。以往的研究并没有考虑波浪荷载对振动管道周围土体的影响，而实际情况下海底管道既处于振动中，同时又受到波浪作用。笔者以埕北海域油气管道为原型，通过波浪水槽试验模拟该地区25年和50年一遇的波浪条件，在管道上安装振动装置模拟海底悬跨管道传导至入泥管道处的振动，运用控制变量对比试验方法，综合分析波浪荷载下不同波浪、不同水深对振动管道和静止管道周围土体的孔隙水压力响应的影响及海床冲刷情况，旨在对埕北海域油气管道安全性提出合理建议。

1 试验设计

1.1 试验装置

本试验是在中国海洋大学海洋工程重点试验室的波流水槽内进行的，波流水槽为一个宽断面波流水槽，水槽长度为60 m，宽度为3 m，高度为1.5 m。在波浪水槽的中部有一个土槽，土槽距离造波机38 m，距离消波区15 m，土槽的尺寸为长度3.0 m、宽度3.0 m、深度0.5 m。消波坡坡比为1∶3，上覆吸收材料，见图1。

图1 波流水槽示意图

土槽由水泥墙面组成，试验土体置于其间，管道、孔隙水压力传感器、管道振动器埋设其中，见图2。试验中用电容式波高仪测量波高，工作频率为16 Hz。采用南京水利研究院生产的YY-2B型压阻式孔隙水压力计测定管道周围土体的孔隙水压力，动态响应为500 Hz。孔隙水压力计数据通过多通道数据采集仪采集，采样频率为10 Hz。管道振动装置采用偏心轮振动器固定在管道上，对其施加振动，模拟管道的振动。

图2 水槽中的管道位置和孔隙水压力计布设

为了检测管道周围孔隙水压力的变化，共用了6个孔隙水压力计，分别为P1～P6,其中5个采用螺旋式，按间隔72°均匀分布在模型管壁上，另一个埋设在试验土体中，如图2所示。在土槽的前端和后端分别架设波高仪，试验过程中实时监测波浪的变化。地形仪安放在水槽的上部，试验测量前后，通过左右移动地形仪，对波浪作用前后的地形进行测量，见图3。

图3 地形仪布设示意图

1.2 土床制备

试验用土取自埕北海域，参考该区典型土体的物理力学性质[21]，加一定比例的水，搅拌，形成重塑粉土，以保证试验的可重复性，土体特性如下：黏粒体积分数8.49%，含水率19.7%，饱和密度1.92 g/cm3，干密度1.54 g/cm3，比重2.70，孔隙比0.675。试验土体颗粒粒径分布和频率累积曲线如图4所示。为使试验土完全饱和，试验前先在土槽中放入一薄层土，同时不断加水，并用木板不断拍击土样，直到土样饱和，然后再加入一薄层土，重复上述步骤，直至土槽填满为止。为了保证土样完全饱和，接近于自然状态下，首先让土槽中的土体在空气中固结5 d，然后向水槽中加水，加水至设计水位深度处，继续固结5 d，保证土样达到试验前的初始状态。

图4 试验土体颗粒粒径分布和频率累积曲线

1.3 试验参数与方案

埕北采油平台最大水深可达12 m，水深8 m为该区域波浪作用最强的地带，同时需要考虑破波带以浅的区域，因此选择4、8、12 m为此次研究的水深。综合考虑了该地区25年和50年波浪参数、试验室条件、造波机造波能力以及其他因素之后，采用的模型长度比尺为20或12(根据模型管道的管径和水深)，遵循重力相似准则，波高选择有效波高，试验设计波浪参数见表1。埕北油气管道实际管径尺寸为559 mm，考虑到试验比尺以及测试探头布设需要，设计管外直径为28和46 mm两种模型钢管，钢管内直径分别为26和43 mm, 管壁厚度分别为1和1.5 mm。

表1 波浪参数

试验中主要通过改变波浪要素、水深以及管道振动状态来模拟规则波作用下振动管道周围海床孔压的累积变化，共设计9种不同的试验方案，试验方案具体参数如表2所示。

表2 试验方案

2 结果与讨论

2.1 信号处理

粉质海床的波浪响应信号实际上是一种非平稳信号，孔压采集仪所采集的孔压信号中包含大量随机噪声和高频杂波，如图5(a)所示。使用matlab，采用Daubechie小波对孔压信号进行分解至第8层，即原始信号s可以表述为各分量之和：

s=a8+d8+d7+d6+d5+d4+d3+d2+d1.

式中，a8为分解后第8层的低频部分(图5(b))；dj(j=1,2，…,7,8)为第j层的高频信号(图5(c)～(j))，其中孔隙水压力的累积分量为小波分量a8。

图5 Test 1海床孔压响应信号的小波变换分解图(传感器P1)

2.2 管道周围海床孔隙水压力变化

2.2.1 无波浪条件下管道振动

Test 2试验研究在无波浪作用下，管道发生振动以后管道周围土体的孔隙水压力特征。当管道周围土体孔隙水压力急剧增加，然后下降趋近于零时，土体抗剪强度等于零，失去承载力，则判断土体发生液化。

如图6，对管道施加振动后，周围土体的超孔隙水压力迅速升高，但管道两侧以及下部土体孔隙水压力累积程度大(传感器P4、P5、P6)，最大值可达350 Pa，管道上部超孔隙水压力不足50 Pa(传感器P2)，且管道振动作用对周围土体孔隙水压力的传导作用可以持续到模型管深度2 cm以下(P6)，对海床土的影响可以达到低于管道0.5D(D为管道外径)深度范围内。

图6 无波浪作用管道振动条件下周围土体累积孔隙水压力变化(Test 2试验)

Test 2试验表明，管道一旦发生振动(无波浪作用)，周围土体在极短的时间内便可发生液化。

2.2.2 波浪荷载下管道振动

为了比较波浪作用下管道振动对周围土体的影响，设计了Test 3(静止管道)和Test 4试验(振动管道)。

如图7，当管道静止时，在波浪作用下，前200 s内，除管道上部周围土体超孔隙水压力没有出现明显积累和消散。表明海底管道受到波浪载荷作用后，管道两侧以及下部土体未发生明显变化。传感器P1被冲出土体暴露在水里，该处后期测得的孔隙水压力并非土体孔隙水压力。如图8，波浪作用下，振动管道周围土体超孔隙水压力具有相似的累积曲线。

图7 规则波作用下静止管道周围海床土体的累积孔隙水压力变化(Test 3试验)

图8 规则波作用下振动管道周围海床土体的累积孔隙水压力变化(Test 4试验)

对比图6和图7，管道振动将会直接且迅速地导致周围土体液化(Test 2)；而对于静止管道，即使施加波浪，在一定时间内也不会引起周围土体性质的改变(Test 3)。在本次试验中，波浪作用时间有限，在实际情况下波浪长时间作用可能也会导致土体液化，但不如管道振动对土体的影响大。因此对海底管道周围土体性质改变的研究，应着重考虑管道振动。

对比图6和图8，管道周围海床的超孔隙水压力累积过程是管道振动与波浪作用共同的结果；但无波浪下的管道振动(Test 2)对管道周围土体的影响比施加了波浪后的管道振动(Test 4)更大，表现为超孔隙水压力累积更大，土体液化时间更短。综上，在本试验中，管道周围土体发生液化的程度和时间首先取决于管道是否发生振动，而波浪只是辅助条件。

2.2.3 不同波浪条件下管道振动

设计Test 4和Test 5试验比较不同波高对振动管道周围土体的影响。如图9，波高对振动管道周围土体的超孔隙水压力累积起着重要作用。对淤泥质土体的研究发现，孔隙水压力最大值是波浪高度的函数[22]。Test 4和Test 5对比试验表明，该结论也适用于粉砂质土体。

图9 不同波高的振动管道周围超孔隙水压力变化

2.2.4 不同水深条件下管道振动

设计了Test 1、Test 4和Test 6试验，分别模拟水深4、8和12 m条件下波浪荷载对管道周围土体的孔压影响。

如图10，不同深度处土体在遭受波浪载荷作用以后，管道周围土体孔隙水压力表现出不同的特征，水深小超孔隙水压力累积程度较低，液化时间较短；12 m深度处管道周围土体超孔隙水压力最大值是4 m水深条件下的10倍，是8 m水深条件下的2倍。

图10 不同水深的振动管道周围土体超孔隙水压力变化

2.3 规则波作用下海底管道周围海床冲刷

通过测定试验前后的地形变化特征，研究静止和振动管道周围土体在波浪作用下的冲於特征。为了比较不同水深和波浪状态下试验前后的地形变化特征，设计了Test 7、Test 8、Test 9试验，冲刷时间为30 min。试验开始前，海床表面基本平整，略微倾斜，管道完全掩埋，见图11。波浪作用下海床表面呈均匀下降趋势，其在Test 7和Test 9试验中下降约10和 20 cm，见图12和13。对比Test 7和Test 8试验，在相同水深，两种不同波高作用后，管道的上覆土体已经被冲刷，下方土体均出现不同程度的掏空，振动管道更为显著。在两组试验振动管道的背波侧，沿着管道布设方向冲刷出明显的冲刷凹槽，凹槽深度约5～10 cm；静止管道的背波侧也呈现出冲刷痕迹，但未出现明显的凹槽。波高较大的Test 8试验振动管道背波侧的凹槽略深，静止管道背波侧的冲刷程度也较大，见图14。对比试验Test 8和Test 9，当水深加大后，管道周围土体的变化显著，见图13。

图11 冲刷前背景值

图12 水深6 m、波高1.2 m波浪作用后海底地形三维图(Test 7)

图13 水深8 m，波高3.1 m波浪作用后海底地形三维图(Test 9)

图14 水深6 m，波高1.5 m波浪作用后海底地形三维图(Test 8)

试验结果表明，在波浪作用一定时间后，海底管道部分管段露出床面，管道正下方被掏蚀，振动管道背波侧平行管道方向出现冲刷凹槽，且波高较大，凹槽更明显。海底土壤的黏性系数对冲刷深度影响较大[23]且相同情况下黏性土比砂土的冲刷更轻，粉土介于其中[24]，本试验采用的试验土为粉土，因此不同区域海床的冲刷程度还取决于土体性质。当波浪来自不同方向时，管道两侧都会出现冲刷凹槽，直到两侧的土体被冲蚀，与管道下方的掏空连成一片，最终形成冲刷坑，管道产生悬跨。且由于海底土质不均匀，土质薄弱的地方首先出现冲刷坑，使得海底管道出现了不连续的悬空段[25]。当冲刷坑范围越来越大，达到管道前后压力平衡条件时，冲刷将不再发展。