强潮海域近岸掩埋海底管线裸露原因分析

2022-06-07杨元平张芝永吴修广刘光生

浙江水利科技 2022年3期

杨元平，张芝永，吴修广，刘光生

（1.浙江省水利河口研究院（浙江省海洋规划设计研究院），浙江杭州 310017；2.浙江省河口海岸重点实验室，浙江杭州 310017）

1 问题的提出

海底管线作为海洋油气开发的重要组成部分，是长距离输送油气最经济的方式之一。近几十年里，海洋油气开发的迅猛发展推动了海底管线铺设里程的快速增加。由于海底环境复杂，海底管线特别是悬空的海底管线常常会因为水动力、船舶抛锚、渔网拖挂等影响而损坏，严重的则会导致管道断裂，造成重大的经济损失和环境污染[1]。海底管线的悬空主要是由冲刷引起，目前已有许多学者对海底管线的冲刷机理[2-3]与防护措施[4-7]进行研究，建立相关的冲刷深度[8]、扩展速度经验计算公式[9]及一些建设性的防护方法。但以上研究普遍局限于管道初始裸置海床状态下的冲刷研究。实际工程中，在近岸区域，为保证管线安全，常常将管线埋于海床面以下一定深度。对于稳定的海床来说，掩埋不易于管线裸露；而对于不稳定的易冲易淤海床，加上局部工程影响，在海床冲淤演变情况下，埋没的海底管线可能会裸露，当裸露程度较大时，在管线周围海床局部冲刷的作用下，会导致管道悬空，从而形成潜在的安全隐患。对此，本文以东海杭州湾海域内的一条海底管道——册镇海底管道为例[10]，应用其2006—2012 年路由检测资料及近年来该海域海床冲淤演变资料，分析管道状态的变化规律及影响原因，为类似管道工程设计提供技术参考。

2 研究区域

2.1 工程概况与地理位置

册镇海底输油管道工程是连接舟山市册子岛—宁波市镇海区的一条原油管道，管道总长约37.5 km，管径762 mm，混凝土层厚度120 mm，工程于2005 年建成投入使用，年输运原油2 700万t，使甬沪宁管线总运输量达到4 000 万～4 700万t/a。

该管道位于东海近岸的杭州湾海域，水深普遍在6 m 左右，局部区域达到20 m。管道路由从岚山入海，经过水下平原及灰鳖洋水槽，穿过册子岛水道后，在册子岛大沙湾登陆（见图1）。

图1 册镇管线地理位置图

2.2 泥沙性质

管道区域处于长江口和杭州湾南侧，长江口和杭州湾的输出物质在东海沿岸流的作用下向南输移，并向邻近海域扩散。根据2012 年1 月水文测验悬沙、底质粒度分析及底质颗粒级配统计结果，悬沙中值粒径为0.008 1～0.010 7 mm，河床底质表层中值粒径为0.007 1～0.018 0 mm，较悬沙中值粒径略大。从粒径范围看，各垂线的悬沙皆属细粉砂类型。本区域峡道众多，潮流动力强，底沙在潮流作用下容易起动进入悬浮状态。

2.3 水动力特性

受舟山群岛阻挡，灰鳖洋的波浪要远小于外海区，全年平均波高0.5 m，最大波高4.0 m。该区域潮流为周期性半日往复潮流，涨潮时由南向北，落潮时由北向南。

2012 年1 月，管线路由海域水文测验布置的6条测流垂线位置见图2。期间测量得到最大涨潮差4.0 m，落潮差3.7 m。各测点最大涨、落急流速统计见图3。

图2 水文测验位置图

图3 各测点最大涨、落急流速统计图

从实测涨潮流速的分布来看，外海潮波由册子水道进入测区东侧（5#～6#垂线），由金塘水道进入测区西侧（1#～4#垂线）。东侧水道5#与6#垂线的流速较为接近，最大涨急流速分别为1.51 m/s、1.48 m/s；而西侧水道近岸1#、2#垂线在大潮的最大涨急流速为1.09 m/s、1.16 m/s，小于深水区3#、4#垂线的1.47 m/s、1.57 m/s。总体上看，沿管线路由的涨潮流速在镇海侧最小，册子水道前沿与灰鳖洋中部流速较大。

从实测落潮流速的分布来看，受灰鳖洋潮流影响，东侧水道落潮流速的分布与涨潮流速相似，5#、6#垂线落潮流速接近，最大落急流速分别为1.44 m/s、1.40 m/s；西侧水道1#受近岸地形影响，垂线最大落急流速在大、中、小潮分别为1.03 m/s、0.93 m/s、0.86 m/s；2#、3#、4#垂线落潮流较为接近，最大落急流速为1.26～1.42 m/s，较1#垂线落潮流稍有增强。沿管线路由垂线的最大落急流速亦有在镇海侧最小，册子水道前沿与灰鳖洋中部较大的分布特征。

3 监测内容与方法

册镇海底输油管道自2006 年开始，每年进行管道安全检测，至2012 年底已积累7 a 的全线检测资料，检测内容包括：管线位置、管道状态、管道附近海床地形等。

选用多波束测深系统采集海底管线附近裸露、悬空海床面的地形数据，其测量范围为沿管线两侧各100 m 范围。

管道区域数据地形剖面采用美国Benthos 公司SIS 1624 双频侧扫声呐系统获取，在施测过程中布设4 条测线，实现对该处管线的全覆盖测量。

HY1200 剖面仪应用于底层结构和埋深管线的测量。

4 研究结果

4.1 管线总体情况

2006—2012 年管道掩埋长度占总管线长度的百分比变化见图4。由图4 可以看出：2007 年以前管道全部埋在海床之下，2008 年开始出现裸露，且裸露比例逐渐增大，到2010 年裸露比例达57%，之后有所缓解，但基本都维持在40%以上。

图4 管线掩埋长度占比变化图

管道一旦露出海床，管道绕流将导致管道附近局部海床受到冲刷，易发生悬空，悬空管道在三维水流的影响下会不断扩展。管道悬空长度变化见图5。由图5 可以看出：2010 年悬空长度达703 m，2011 年经过治理后，悬空长度明显减小，2012 年悬空段长度只有85 m。

图5 管线悬空长度变化图

4.2 管线裸露悬空空间分布

以西岸岚山登陆点位置为管线桩号的起点，向东逐渐增加。管道历年状态变化见图6，管线桩号位置及裸露位置见图7。由图6～7 可以看出：海底管线裸露主要集中在3 段，分别位于西侧岚山登陆点附近海域（KP2～KP4），中段灰鳖洋海域（KP12～KP20）以及册子深槽（KP23～KP27）。西侧的岚山登陆点附近海域，2008—2009 年裸露现象持续加剧，主要表现为裸露高度有所增加，2010年裸露长度有所减少，2011 年裸露长度有所增加，而在2012 年经过治理后情况有所缓和，裸露管段明显减少。中部的灰鳖洋海域，裸露情况的变化较大，2008—2011 年裸露长度分别为2.48 km、6.87 km、9.27 km、6.30 km，各年最大裸露高度分别为0.38 m、0.55 m、0.82 m、0.75 m，呈现出2008—2010 年裸露现象逐年加剧，2011 年趋缓，2012年又加剧的特征。册子深槽海域（KP23～KP27）2008—2011 年管道裸露呈逐年加剧趋势，裸露长度分别为1.26 km、2.20 km、2.21 km、5.65 km，裸露高度分别为0.36 m、0.67 m、0.94 m、1.05 m，之后裸露长度基本比较稳定。

图6 管道历年全线检测埋深裸露状态变化图

图7 管线桩号位置及裸露位置（黑色标记）图

4.3 管线裸露悬空原因

由前述分析可以看出，裸露悬空段主要集中在3 个位置。其中KP12～KP20、KP23～KP27 两个位置由于流速较强，海床整体略有冲刷所致；KP2～KP4位置潮流流速小，但裸露最为严重，这可能与周边围垦工程等人类活动有关。

为证明以上推论，利用2002—2011 年的实测地形资料进行分析，近10 a 灰鳖洋海床演变基本面貌见图8。由图8 可以看出，近10 a 灰鳖洋地貌发生较大演变。外游山冲刷槽淤积幅度超6.0 m，而贴近金塘山的冲刷槽刷深约3.0 m，镇海边滩不断淤涨，近岸1～2 km 边滩普遍淤积3.0 m 以上，七里屿岛东侧的潮流槽脊则因冲刷超6.0 m 而消失，灰鳖洋中部管线所在的水下平原区普遍冲刷0.5～1.0 m，导致管线埋深整体明显减小。

图8 2002—2011 年灰鳖洋海域海床冲淤图

对于KP2～KP4 之间管线裸露问题，提取2002和2011 年沿管线断面海床的地形变化情况（见图9）进行分析。在近岸侧KP0～KP2 区域，由于新泓口围垦工程的实施及堤线外推，该区域海床整体抬高达5.0 m 左右；而在KP2 外侧区域则发生明显冲刷，其中KP2～KP3 区域海床冲刷幅度较大，最大达1.6 m；在KP4 之外区域，越远离围垦工程前沿（KP2），冲刷幅度越小。由上述分析可知，新泓口围垦工程是造成KP2～KP4 区域海床冲刷加剧的主要原因，而这也是该区域海底管道裸露的主要原因。