（海洋地质专业论文）粉土海床海底管线冲刷机理及防护方法研究.pdf

粉土海床海底管线冲刷机理及防护方法研究 摘要 海洋石油和天然气已成为我国能源生产重要的组成部分 对国民经济建设 国家安全战略有着重要的意义 海底油气输送管线具有输送连续 输送量大 管 理方便等优点 在海洋工程中得到了广泛的应用 然而 海底管道所处的海洋环 境非常恶劣 在波浪 潮流等水动力作用下 管道附近底床很容易发生冲刷侵蚀 从而导致海底管道发生悬跨 引发事故 造成巨大的损失 海底水动力作用下管 道附近海床冲刷造成管道悬跨破坏等问题 是管道工程的一项重要研究内容 在 学术和工程应用方面都有很高的指导意义 但是 对于管道在海底复杂的动力环 境中的冲刷机理 现有研究成果还不完善 尤其是对粉土海床管道冲刷的研究不 足 本文的主要目的是通过物理模型试验探索粉土海床管道冲刷机理及有效的 防护方法 在充分调研了前人研究成果的基础上 本文立足大型水槽试验 模拟了管道 平铺和半埋两种状态 小波浪 大波浪 单向流 波流联合四种水动力环境下的 海床冲刷情况 并对冲刷过程中管道受力变化及表层土体的孔压变化进行实时检 测 首先 本文详细描述了各组试验中管道附近海床冲刷过程 对比了在不同情 况下管道冲刷的不同 在此基础上 本文得出结论 1 管道冲刷不会无止境 地进行下去 存在一个平衡状态 2 冲刷过程具有规律性 各组试验中 冲 刷都是按沉积物颗粒开始运动 隧道发育 快速冲刷 达到平衡这一顺 序发展的 3 管道平铺 管径加大 波浪周期 波长增大这几个因素都会使 得平衡冲刷深度加大 冲刷加剧 4 波流联合作用时 冲刷速度很快 总体 冲刷量也远大于二者单独作用时 但由于流速较大 波浪仅能加速冲刷 不影响 冲刷深度 所以平衡深度小于大波浪单独作用时 接近单向流作用时 此外 本 文比较了几种常用的管道平衡冲刷深度的计算公式 验证了c h a o 和h e n n s s y 模型对于粉土海床最适用 其次 重点分析了波流联合作用时管道受力变化以及在冲刷过程中表层土体 的孔压响应 最后 对目前国内外常用的海底管道冲刷保护技术进行了介绍 并对海底管 道仿生防护技术 人工草 保护技术进行试验 关键词 海底管道粉土海床模型试验冲刷防护 r e s e a r c ho nt h es c o u rjn gm e c h a nis l l la r o u n dt h es u b m a rir e pip ei ib ea n dp r o t e c tio no nt h esi its e a b e d a b s t r a c t m a r i n eo i la n dg a sh a sb e c o m ea l li m p o r t a n tc o m p o n e n to ft h ee n e r g yi n d u s t r yi n c h i n a w h i c hi so fs i g n i f i c a n c eo nt h en a t i o n a le c o n o m i cc o n s t r u c t i o na n dt h es t r a t e g y a b o u tn a t i o n a ls e c u r i t y s u b m a r i n ep i p e l i n eh a sm a n ym e r i t s s u c ha sc o n t i n u o u s l y d e l i v e r l a r g ec o n v e y i n gc a p a c i t y c o n v e n i e n c em a n a g e m e n ta n ds oo n a n d i th a sb e e n u s e d e x t e n s i v e l yi n o c e a ne n g i n e e r i n g h o w e v e r t h ee n v i r o n m e n tw h e r et h e s u b m a r i n ep i p e l i n e sa r el a i di sv e r ys e v e r e t h es e a b e dn e a rt h ep i p e l i n ei sv e r yp r o n e t ob ew a s h e da w a ya n de r o d e db yl o c a lf l o wc a u s e db yw a v ea n dt i d e f i n a l l y w h i c h m a yc a u s et h ep i p e l i n et ob es u s p e n d e d l e a dt oa c c i d e n t s a n dr e s u l ti nh u g el o s s e s t h ep r o b l e m s e a b e ds c o u r i n ga r o u n dt h ep i p e l i n ea n dp i p es u s p e n d e d i sa ni m p o r t a n t r e s e a r c hc o n t e n to ft h ep i p e l i n ep r o j e c t a n ds i g n i f i c a n to nt h ea c a d e m i ca n d e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n h o w e v e r o nt h em e c h a n i s mo fs c o u ra r o u n ds u b m a r i n e p i p e l i n eu n d e rt h ec o m p l e xd y n a m i ce n v i r o n m e n t t h ee x i s t i n gr e s e a r c hr e s u l t si ss t i l l n o tp e r f e c t e s p e c i a l l yo nt h es i l ts e a b e d 砀em a i na i mo ft h i st h e s i si st os e a r c hf o rt h em e c h a n i s mo fs c o u ra r o u n dt h e p i p el a i do nt h es i l ts e a b e dt h r o u g ht h ep h y s i c a lm o d u l ee x p e r i m e n t s o nt h eb a s i so fs c a n n i n gp r e v i o u ss t u d yr e s u l t s t h i sp a p e rs i m u l a t e st h es c o u r a r o u n db a r ea n ds e m i b u r i e dp i p ei nf o u rh y d r o d y n a m i ce n v i r o n m e n t si n c l u d i n gs m a l l w a v e s b i gw a v e s o n e w a yc u r r e n t w a v e c u r r e n tt h r o u g ht h eg r e a tp h y s i c a lm o d u l e e x p e r i m e n t i nt h ee x p e r i m e n t t h ep r e s s u r e so nt h ep i p ew a l la n ds u r f a c es o i ln e a rt h e p i p e l i n ea r em o n i t o r e d f i r s t t h i sp a p e rd e t a i l st h es c o u t i n gp r o c e s so ft h eb e dn e a rt h ep i p e l i n ei nt h e e x p e r i m e n t s a n dc o m p a r e st h ed i f f e r e n c eo fs c o u ri nd i f f e r e n ts i t u a t i o n o nt h eb a s i s t h ep a p e rc o n c l u d e s 1 t h es c o u ra r o u n dt h ep i p ew i l ln o tb ee v e r l a s t i n ga n dt h e r ei s a l le q u i l i b r i u m 2 t h es c o u ri sr e g u l a r a n di ne a c hg r o u pt e s t t h ep r o c e s si s t h e s e d i m e n tp a r t i c l e sb e g a nt om o v e t h et u n n e lc o m e si n t ob e i n g r a p i de r o s i o n a c h i e v i n gb a l a n c e 3 t h e s ef a c t o r s b a r ep i p e b i g g e rp i p ed i a m e t e ra n di n c r e a s i n g w a v ec y c l e sa n dl e n g t h m a ym a k et h ec r i t i c a le r o s i o nd e p t hi n c r e a s e d 4 w h e n w a v ea n dc u r r e n ta r ec o m b i n e d t h es c o u ri sv e r yr a p i da n dt h es c o p ei sv e r yl a r g e b u tt h ev e l o c i t yo fc u r r e n ti sr a p i d t h ew a v ec a r lo n l ys p e e du pt h es c o u r a n dd o n t a f f e c tt h ed e p t h s ot h ec r i t i c a ld e p t hi sl e s st h a nt h ed e p t ho ft h ew a v ea l o n e n e a rt h e o n e w a yf l o wa l o n e i na d d i t i o n t h ep a p e rc o m p a r e ss e v e r a lf o r m u l ao fc a l c u l a t i n g t h ee r o s i o nd e p t h a n df i n dt h a tt h em o d e lo fc h a oa n dh e n n s s yi sm o r e a p p l i c a b l et ot h es i l ts e a b e d s e c o n d t h ep a p e ra n a l y s e st h ep r e s s u r e so nt h ep i p ew a l la n ds u r f a c es o i ln e a r t h ep i p e l i n ew h e nt h ew a v ea n dc u r r e n ta r ec o m b i n e d f i n a l l y t h ep a p e r i n t r o d u c e ss e v e r a ls c o u rp r o t e c t i o nt e c h n o l o g i e sn o w w i d e l y u s e db o t hh e r ea n da b r o a d i na d d i t i o n t h ep a p e rt e s tt h eb i o n i cp r o t e c t i o nt e c h n o l o g y t h r o u g h t h ee x p e r i m e n t k e yw o r d s s u b m a r i n ep i p e l i n e s i l ts e a b e d m o d e le x p e r i m e n t a t i o n s c o u r p r o t e c t i o n 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果 据我所知 除了文中特别加以标注和致谢的地方外 论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果 也不包含未获得中国海洋大学或其他教育机 构的学位或证书使用过的材料 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示谢意 学位论文作者签名 窖俊态 签字日期 如9 孑年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留 使用学位论文的规定 有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘 允许论文被查阅和借阅 本人 授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索 可以采用 影印 缩印或扫描等复制手段保存 汇编学位论文 同时授权中国科学技术信息 研究所将本学位论文收录到 中国学位论文全文数据库 并通过网络向社会公 众提供信息服务 保密的学位论文在解密后适用本授权书 学位论文作者签名 鸯俊壹 签字日期 沙占年厂月2 日 新签谤砖 签字日期 加多年 月2e t 0 前言 0 1研究意义 近几十年来 世界工业发展迅速 石油和天然气的消耗与日俱增 能源问题 正得到越来越多的关注 海洋油气资源极为丰富 仅海底可开采的石油储量就相 当于陆地石油可采储量的2 倍以上 l 我国拥有3 0 0 万平方公里海域国土 油气 资源极为丰富 我国的渤海 黄海 东海和南海都蕴藏着极为丰富的石油和天然 气矿藏 经过初步普查 我国已发现3 0 0 多个可供勘探的沉积盆地 面积约有 4 5 0 多万平方公里 其中海相沉积层面积约2 5 0 万平方公里 从六亿年的老地层 到最新的地层中 都发现了油气或油气显示 储油构造丰富 开发海洋 开采海 洋油气资源是我国能源发展的一个重要方向 从2 0 世纪6 0 年代起 我国开始自 主开发海上油气资源 到8 0 年代与国外合作开发 引进国外投资 进入大规模 开发阶段 经过引进 消化 吸收和集成国外先进的开发技术 大力发展自主的 配套技术和高新技术 我国海上油气田开发得到了快速发展 南海阿科气田 东 方1 1 气田 乐东气田等都显示出好兆头 东海继平湖油气田投产以来 又在上 海东南的西湖凹陷春晓三井发现大油气田 渤海更是从秦皇岛3 2 6 南堡3 5 2 绥中3 6 1 油气重大发现以来 又在大港附近海域和蓬莱卜9 3 等都发现了亿吨级 整装大油田 海洋石油和天然气已成为我国能源生产重要的组成部分 对国民经 济建设 国家安全战略有着重要的意义 海底油气输送管线是海洋油气开发中的一种主要结构形式 是海洋油气生产 系统中一个不可缺少的重要组成部分 海底油气输送管道是指最高水位时 位于 海面以下的那部分管道 直径一般为2 0 c m 至l m 作为一种输送流体或气体介质 的工具 海底管线具有输送连续 效率高 输送量大 成本低等诸多优点 自从1 9 5 4 年b r o w n r o o t 公司在美国墨西哥湾铺设世界上第一条海底管道 以来的半个世纪里 世界各国铺设的海底管道总长度己达十几万k m l 2 j 我国的海 底管道是在近2 0 多年来发展起来的 已先后在渤海 东海以及南海累计铺设了 约2 0 0 0 0k m 的管线 我国第一条海底输油管线 是中日合作开发 1 9 8 5 年建成 投产的渤海埕北油田海底管线 如今我国已建成比较发达的海底油气管线 表 0 1 我国近期将建设的比较大的海底管线项目 还有从东海春晓气田向浙江输 气的海底管线 从南海气田向海南 广东和广西输气的海底管线等 按照我国的 能源发展规划 中国海上油气在 十五 期间的产量达到年产4 0 0 0 万t 这预示 着海底管线的铺设量会增加1 0 0 0 k m 可以说 中国的海底油气管线正处于己建 管线的维护和新建管线建设的发展期 表0 1我国海底管线概况 管线投产时间长度备注 锦州2 0 2 凝析气田1 9 9 2 年4 8 k m 是我国第一条长距离油气 至陆上的海底管线 混输海底管线 崖城1 3 1 气田至香港1 9 9 5 年 7 7 8 k m 是我国和亚洲最长的海底 的海底输气管线管线 平湖油气田至上海的两 1 9 9 8 年 输气管线3 6 7 k m是我国最长的海底输油管 条海底管线输油管线3 0 3 k m线 绥中3 6 1 油田至陆上的2 0 0 1 年 7 0 k i n 是我国第一条输送稠油的 管线长距离海底管线 是我国己建成的口径最大 中国石化甫沪宁管网杭5 3 5 k m的长距离海底原油管线 也 州湾海底原油管线2 0 0 4 年 管径7 1 l m m 是我国在强潮流区海湾建 设的第一条大口径 长距离 海底输油管线 然而由于海底管道所处的海洋环境非常恶劣 直接受到波浪 潮流等作用 存在着许多不确定因素 使得海底管道的铺设和运营风险俱增 a r n o l d 3 对美国 密西西比河三角洲1 9 5 8 1 9 6 5 年间海底管道失效事故进行了统计 发现海床运动 和波 流冲刷是海底管道失效的主要原因 d e m a r s 等 1 9 8 3 对 u s g c u s g e o l o g i c a ls u r v e y 记录的1 9 6 7 1 9 7 5 年间墨西哥湾海底管道事故进行 了分析 发现腐蚀 波流冲刷 第三方活动和海床运动是引起海底管道失效的主 要原因 我国也曾经对渤海埕北油田已铺设的海底管道进行过调型4 1 共收集到 6 i 根海底输油管道的现状调查资料 海底输油管道外管直径为0 2 1 9 m m 至 0 5 5 9 m m 被调查的6 1 根管道中 仅5 根未被冲刷悬空 占8 管道悬空高度 平均值为1 3 3 m 最大值为2 5 m 大于等于2 m 的有1 6 根 占2 6 大于等于 l m 的有4 8 根 占7 9 可见冲刷的普遍 从悬空长度来统计 平均悬空长度为 1 5 1 m 最大为3 0 m 大于等于2 0 m 的为2 2 根 占3 6 大于等于1 0 m 的有4 3 根 占7 0 2 0 世纪5 0 年代以来 世界上关于海底管线因冲蚀悬空而造成破坏的报道就 一直层出不穷 2 0 0 0 年1 0 月 我国东海平湖油气田海底输油管道因波流冲刷断 裂 油气田被迫停产 使依靠平湖油气田供气的上海浦东市民天然气供应几乎中 断 产生了极其不良的社会影响 造成了严重的后果 随着海底管线在海洋工程中越来越广泛的应用 外界水动力作用下管线附近 海床冲刷 管线遭受破坏等问题也越来越引起关注 平湖管道每年平均化费 2 0 0 3 0 0 万元处理冲刷问题 并且还担心随时发生的新的冲刷区造成管道破坏 东方管道目前已经对管道的悬跨处理3 次 发生了大量费用 胜利埕岛油田管道 维护费每年平均在3 0 0 5 0 0 万元 海底管线附近海床在波浪作用下的冲刷平衡过程研究是管线设计 施工以及 预测其在位稳定性的一项重要工作 对此问题的研究具有学术价值和工程指导作 用 这方面工作的深入开展不但会为海底管线的生产安全性提供可靠的技术保 障 还可以对整个海洋经济的发展起到巨大的推动作用 0 2 研究现状 海底环境复杂 管道分布范围广 经过的各区段情况又各不相同 因此海底 管道的冲刷问题成为一个复杂的综合问题 海底管道附近海床冲刷受海流速度 海床土质状况 波浪等众多因素影响 d n v 海底管道规范中规定 在海床受侵 蚀的区域 要对海底附近波浪和海流包括边界层影响进行专门的研究从而进行管 道稳定性计算及管道悬跨估计 5 在海洋环境中 海底管线等海洋结构物的出现会改变其附近区域的水流流 态 导致产生如下这些现象 6 1 上游来流在管道前侧集中 形成高压区 2 在管道迎流侧形成马蹄形漩涡 3 在管道背流侧形成尾迹漩涡 并有可能产生周期性的漩涡泄放 4 水流出现紊动现象 5 波浪发生反射和绕射 6 波浪可能破碎 7 海底管道上游侧较高的滞点压力和下游侧相对较小的尾流压力引起的 压力梯度 可能导致在管道底部的土中发生 管涌 使得部分床砂被 来流冲走 以上这些现象的发生 通常会引起局部沉积物输送能力的增加 产生冲刷 海底管线附近海床的冲刷是波浪及海流 管道和海床之间的动力耦合作用问 题 受流动 地形 土质等多种环境因素影响 现象十分复杂 从流体力学的角 度看 波浪中管线的冲刷涉及非定常往复运动中的旋涡分离流动 因为产生床面 冲蚀 床面边界处于动态变化之中 边界的改变以及床质进入水体 都会使绕管 线的旋涡分离流动与固壁平板床有所不同 从泥沙起动和输运来看 非定常泥沙 起动和输运问题是当前泥沙研究中的前沿问题 加上流动中的强涡旋流及往复流 相互作用 情况更为复杂 如果再考虑悬空管线的涡激振动对流动及泥沙输运的 影响 则更复杂了 由于这个问题的交叉性复杂性 目前多是在合理的简化条件 下进行一些冲刷机理研究和一般规律性的研究 目前 关于海底管线的研究多局限于管道的腐蚀破坏或波浪场中管道的受力 分析 对于海底管线附近海床冲刷的研究不多 且以试验研究为主 0 2 1 室内试验研究 国内在此领域开展的工作相对较少 马良1 7 总结了海洋土不发生冲刷的最大 允许流速 一旦超过该流速 大量沙粒投入运动 海床将失去稳定性 埋设的海 底管道可能由于上部海床冲刷而暴露出来 申仲翰 刘玉标 8 采用小尺度模型研究了引发振动的流体与置于砂床上的管 道相互作用的淘蚀现象 根据研究结果认为在管道发生涡激振动的情况下 管道 振动幅值随流速的增加而增大 淘蚀深度也同步增加 在振动状态下的淘蚀深度 为静力淘蚀深度的1 5 倍 猃士盔逑鲤盛簋 线往划塑l 堡丛陵坦左法型f 荭 李玉成 陈兵等 0 1 针对波浪作用下海底管线上的升力 水平力等进行了模 型试验研究 通过试验分析波浪场中管线周围的流场特性及其管线受力 为近海 管线设计提供必要的依据 秦崇仁等 利用波浪水槽 针对不同水深 不同波要素 不同管径和泥沙粒 径等对管道附近冲刷的影响进行了模型试验 初步得到了冲刷发生的临界波浪条 件及稳定后冲刷坑的深度和范围 浦群 李坤 高福平等1 1 2 4 j 研究了振荡流对砂床 淤泥床的冲蚀 认为对浅 水重力波而言 在海底处波浪水质点主要沿水平方向做周期性振荡 因此他们用 振荡流来代替波浪模拟管道附近床面的冲刷过程 试验采用抽气式u 型振荡流 水槽产生周期性的水体振荡 在水槽底部中间部位一长0 6 m 宽0 2 m 深0 0 3 5 m 的土槽中放置饱和土样和试验管道 通过摄像机和监测器监测冲刷的起动和初期 发展 并在水动力加载结束后取出土槽测量床面的冲刷深度 浦群等人对实验数 据进行了仔细的分析 拟合得到了无因次参数e d 和k c 数之间的关系 e d 汀 2 2 1 9 k c g 0 一1 然后 又进一步得到了最大平衡冲深与k c 数的拟合关系式 s d a x k c m 0 2 图0 1 冲刷参数示意图 式中 e 是初始时管道底离床面的悬空高度 s 是平衡时最大冲刷深度 d 为试验管道直径 k c 即无因次冲刷参数 a 为与管道初始位置有关的常数 m b 为与床质有关的常数 羊皓平 1 5 通过系统的多种床面下的流动显示实验和水动力测量实验 分析了 冲刷引起的流场特性和水动力特性的变化 探讨了管线振荡绕流中冲刷问题的机 理 国外在这方面的实验工作开展较早 成果也相对较多 c h i e w 1 6 1 根据不同的 研究目的 设计了三个类型的实验 对单向流作用下冲刷起动的机理和冲刷的发 展过程进行了探讨 此外 他还研究了波浪作用下 管道上安装s p o i l e r 对冲刷 深度 幅度及冲刷发展速度的影响 1 7 1 j e n s e ne ta 1 1 18 在一1 0 m 长 0 3 m 宽 0 3 m 高的水槽内 采用一系列不能发 生形变的固壁平衡冲蚀床面 称冻结冲刷床 模拟了单向流作用下 冲刷发展过 程各个阶段 管道周围的流场特性和管道的受力情况 从而为进1 步的数值模拟 工作奠定了试验基础 k u m a re ta 1 1 1 明研究了波浪作用下 粘性土中管线周围的冲刷 实验结果表明 粘性土的稠度指数厶对冲刷深度有较大影响 厶 菩三兹 其中w 既 哪分 别是粘性土的天然含水量 液限和塑限 厶越小 土体越稀 越接近流动状态 l o 2 时 属于大尺度 当d l r 从冲刷坑陷内冲出的颗粒q 为 鳓卜击 浯 式中 u 管线上方海域平静的海面流速 m s r 管线半径 m 日 从管线中心算起的冲刷深度 m 当日 r 平均喷入速率u 嘴为 u o 2 等 2 等一 2 等卜百3 h 一1 在已冲出的沟内 边界剪应力乙为 2 2 2 3 掣卫 力一 式中 p 为海水密度 力为摩擦系数 其中乃用下式计算 f f e x p l 5 3 c y l 9 4 s 哪 4 式中 为尼古拉兹当量粗糙度 d 口 为近底波浪质点位移最大量 其中a 用下式计算 a m 一h 上 2 5 2 2 s h k h 式中 日 波高 h 水深 七一波数 后 了2 i t 波长 根据达到的冲刷平衡时的条件 利用以上函数关系式可计算出最大冲刷深度 何一r 2 3 1 2s u m e r 等 1 9 9 0 提出的模型 2 0 s u m e r 等通过试验重点考察了e d o 的工况下 无因次冲刷深度s d 与彬 数之间的关系 分析整理试验数据后 得到了拟合关系式 s d 0 1 4 k c 2 6 式中 s 为平衡冲刷深度 k c 旦譬 u 哪为波浪水质点最大速度 以下同 对于管道位置不同 e d 不同 对冲刷深度的影响 s u m e r 等认为 1 当肥不大时 k c 1 0 若管道底部离床面的悬空高度为管径的1 倍以 上 则冲刷现象将不会发生 2 当彬相当大时 即使管道底部离床面的悬空高度为管径的2 倍甚至更多 冲刷现象仍然会发生 这与k c 增大时波浪引起的涡街长度变大有关 需要指出的是 在冲刷深度试验研究中 s u m e r 等以k c 数作为关键性参数 分析了冲刷深度与k c 数之间的关系 而没有讨论泥沙粒径对冲刷深度的影响 捡 旌压堑鹰筻缉擅堑9 型 型盈堕塑立鎏盟蕴 应该说 对于单一类型的土样 如无粘性沙 且其粒径变化范围不大时 可以将 k c 数作为决定性因素 但是对于粘性沙 其颗粒之间的粘结力往往会变得很重 要 粘性沙的冲刷机制和无粘性沙应该是不一样的 所以 s u m e r 等得到的拟合 关系式在应用上有一定的局限性 不能用于粘性底质海床冲刷深度预测 另一方 面 s u m e r 等的试验主要集中于贴地管线周围冲刷的研究 而对于有一初始埋置 深度的管线周围的局部冲刷 s u m e r 等也未作深入考察 此外 c e v i k 掣2 1 1 k j e l d s e n 掣3 7 1 夏令等 3 8 也都根据各自设计的试验 提出了各自的模型 这些模型和前两个一样 也都有其一定的适用范围和局限性 2 4 2 本文各组试验的平衡冲刷深度 在试验过程中 为了保证管道冲刷达到平衡状态 我们采用的方法是在观测 到管道附近地形不再变化后继续作用一段时间 在试验结束后 通过对拍摄照片 和地形高程数据的处理 也确认了各组试验都已经达到冲刷平衡状态 在数据处 理过程中 采用合适的模型计算出平衡冲刷深度理论值 与实测值作比较 这样 也可以验证上述几种模型在本次试验条件下是否适用 探讨适用于粉土海床上管 道冲刷达到平衡状态时的冲刷深度计算公式 2 4 2 1 平衡冲刷深度的计算 表2 1 列出了各组实验中的水动力要素和主要参数 根据这些参数 按照几 种模型所得出的计算平衡冲刷深度的公式 可以得出不同的理论值 与实测的冲 刷深度相比较 发现c h a 0 和h e n n s s y 提出的模型比较适用于本试验 这可能 是因为本文试验模拟的海床为粉砂质海床 沉积物粒径约为0 0 3 m m 表2 1各组试验中的水动力要素和主要参数 海床中 试 验水深周期波长波高管道相对管线直径 值粒径 编号 d m t s l m h m 埋深 e d d c m m m g d 3 卜0 60 51 93 7 0 3 3o 1 70 0 31 25 g d 3 1 0 30 5 1 93 7 7 1 7 0 1 7 0 0 3o5 g d 3 2 0 4 0 51 32 2 3 7 5 0 0 8 0 0 31 24 捡 瀣鏖壶底簧线独趔 扭堡丛随坦友这班究 g d 3 2 0 6 0 51 93 6 8 6 3o 1 70 0 3l 24 g d 3 2 0 30 51 93 7 1 3 40 1 70 0 3o4 g d 3 2 010 51 32 2 3 7 50 0 8 o 0 3 04 g d 3 2 0 3 a o 5 造流 水面平均流速为3 6 9 c m s 04 g d 3 2 0 3 b o 51 94 1 6 4 4o 1 70 0 304 g d 3 2 0 6 a b0 51 94 2 1 7o 1 70 0 31 24 g d 3 3 0 7o 51 93 8 8 2 80 1 7 0 0 3 o3 5 研究波浪和海洋中结构物的相互作用时 选择合适的波浪理论十分重要 至 今尚无一种波浪理论可以普遍地适用任意水深的波况 波高 波长 因为在不 同水深情况下影响波动性质的因素不同 在深水影响波动性质的主要因素是波陡 h l 在浅水影响波动性质的主要因素是波陡和相对水深 d l 在极浅水影 响波动性质的因素是相对波高 肜仂 波浪理论的合适选择 对海岸带动力条件 分析以及海工建筑物所受波浪力的计算等都有较大影响 国内外许多学者对不同 坡很理论的限制条件和它们的迪用范围进仃越大量针冗 兵甲应用比孜厂泛的是 l em e h a u t e 1 9 7 0 绘制的各种波浪理论适用范围分析刚3 9 1 图2 3 根据表2 1 中所列出的参数 计算出各组试验的暑和g h e 丁 值 发现i d 万 的值为 1 4 1 3 和 0 3 1 9 g h l 丁2 的值为0 0 0 4 8 根据l e m e h a u t e 绘制的各 种波浪理论适用范围分析图 发现各组试验的点都处于s t o k e s 二阶波浪理论适 用范围之内 因此本试验采用s t o k e s 二阶波浪理论计算近底波浪水质点水平速 度最大值 由s t o k e s 二阶波的水质点水平速度公式 4 0 髻 了n h 酉c o s h k z h c o s 缸刮 三字 与l 掣s i r t h c o s2 肌耐 缸r s i n h 砌 7 4r 7 4 砌 2 7 可得 乩 丙z 面 丽 百3 瓦而z h 2 2 8 猃 逝压泣盛蛩线往到圭 l 型丛随坦左逵班荭 式中 日为波高 上为波长 h 为水深 丁为波浪周期 d 为管径 k 为波数 k 望 蝤5 踅囊黼 蠢水 瑚讲o o o l 懈0 1 1 1 4 0 1 1 0 6 0 1 1 1 啦蝴啪0 1 0 2 晡 d 矛 图2 3不同波浪理论的适用范围 然后 根据c h a o 和h e n n s s y 提出的模型计算出各试验的平衡冲刷深度 几组主要试验的计算结果如表2 2 所示 表2 2 各组试验平衡冲刷深度理论值 试验编号试验实测值 c m 理论计算值 c m g d 3 3 0 72 41 4 6 g d 3 1 0 32 1 2 0 8 g d 3 2 0 31 3 1 6 g d 3 2 01o o 0 2 g d 3 2 0 3 a11 3 避蝴 箸艘攀一勰避 从上表可以看出 在仪器误差和试验条件限制的允许范围内 通过c h a 0 和 h e n n s s y 提出的模型计算出的理论值与地形仪测得实测值基本相符 其中试验 g d 3 3 0 7 的理论值和实测值出现较大差距 可能是由于铺设海床时土体中排水 排气不彻底 土体固结不好 实验过程中在波浪作用下发生液化 致使实测冲刷 值与在土体固结良好的情况下得出的理论值相差较大 这种模型曾经被阎通等 1 9 9 9 等应用于计算埕北海域海底管线周围的最大冲刷深度 2 9 可以说 c h a 0 和h e n n s s y 提出的模型还是比较适用于计算粉土海床上管道的平衡冲刷深度 s u m e r 等人提出的几种模型主要是建立在无粘性的砂质海床的情况下 而粘 性土的冲刷机制和无粘性砂是不一样的 以k c 数为主要参数的计算公式对于粘性 沉积物不适用 这一点在本文所依托的课题 海床变化对海底管道影响技术研究 的前期试验研究f 4 1 中也得到了验证 但是 目前使用较多的几种模型均是针对于管道裸置的状态 而对于半埋状 态的管道冲刷研究较少 经过试用 已有的模型由于海床条件不同 计算出来的 理论值与实测值比较相差太大 不适合在粉土海床条件使用 本文因这方面数据 不足 无法推导出适用于半埋状态的计算公式 希望能在今后的研究中填补这一 缺憾 2 4 2 2 各组试验冲刷深度对比 根据前文所述 可以认为本文各组试验均己达到冲刷平衡 表2 3 列出了各 组试验达到冲刷平衡状态后管道附近冲刷坑深 宽数据 冲刷坑深度是指管道底 部到海床的距离 表2 3各组试验冲刷坑形状 相对埋深 管径d c m 水文状况 e d 3 545 大波 0 管下冲刷深度管下冲刷深度 管下冲刷深度 t f f i l 9 s 2c m 坑宽1 1 c m 1 3 c m 坑宽9 e r a2 2 c m 坑宽1 5 c m 管下冲刷深度约 h 1 7 c m l 2管下无冲刷 0 1 c m 坑宽1 4 c m 小波 o管下无冲刷 t 1 3 s i t 8 c m l 2管下无冲刷 猃 逝废泣底鳘缉往盛9 盥 型丛随地友这班红 0 管下冲刷深度 流 1 c m 坑宽6 c m 1 2 管下无冲刷 0 管 卜 冲刷深度 大波 流 0 8 e r a 坑宽2 0 c m 1 2 管下无冲刷 从上面表2 3 列出的数据对比中可以看出 1 在粉土海床条件下 对于半埋状态 直径4 c m 管道 在各种水动力条件下都 不足以在管道下方引起冲刷形成悬跨 而对于平铺状态的直径4 c m 管道 在 大波 单向流以及波流联合作用时都发生了不同程度的冲刷 造成管道悬跨 直径5 c m 模型管在大波浪作用下 平铺时冲刷深度也远大于半埋时 这表明 半埋状态的铺设方式对海底管道具有一定的保护作用 2 对于管径相同 4 e r a 铺设状态相同 平铺 的管道 大波浪作用下管道发 生悬跨 在管下冲刷了1 3 c m 而在小波浪作用下管道附近基本无冲刷 大 波浪引起的冲刷程度大于小波浪 这说明在其它因素相同的情况下 大波浪 对管道附近底床的冲蚀能力更强 3 在大波浪和单向流单独作用时 冲刷深度分别达到1 3 c m 和1 o c m 然而在二 者联合作用的情况下 冲刷深度只有0 8 c m 并没有像预想的那样超过前两个 值 也就是说波流联合作用时 冲刷坑在纵向上的发展反不如波流单独作用 时 但是联合作用情况下管道前后的冲刷坑宽度达到了2 0 c m 远远超过波流 单独作用时 9 c m 和6 c m 4 在相同波浪情况 大波浪 下 相对于不同管径的管道冲刷 由于直径3 5 e m 的管道下海床发生液化 使得冲刷深度异常 经过理论值校正 可以发现在 其它因素相同的情况下 直径越大 管道附近的冲刷就越剧烈 2 4 3 各组试验的冲刷过程 本文各组试验过程中一直通过照相机在边壁对管道一端冲刷进行拍摄 经过 与地形仪测得的试验前后底床变化的数据比较 发现冲刷深度 悬跨等数值虽然 因边壁等因素影响 与实测值有一定偏差 但是基本吻合 可以用来分析管道附 猃 泣压盘痘簧线i 生剧圭 理丛随坦左迭班红 近底床冲刷演化过程 下面就发生冲刷悬跨的几组试验进行详细分析 2 4 3 1g d 3 2 0 3 该组试验是直径4 c m 平铺状态的管道在大波作用下的冲刷过程 大波浪设 计波高h 1 7 c m 周期t i 9 s 分4 次进行造波 作用时间为6 0 m i n 8 4 9 一 一q l l 8 5 5 9 0 0 图2 4 试验g d 一3 2 0 3 第一次造波底床变化过程 第一次造波作用时间为1 5 m i n 造波刚开始就可以看到 管道附近砂粒往复 摆动 在管道前后一定范围内形成混水层 作用l m i n 后 管道底部出现一个深 约l m m 的微小间隙 随后冲刷迅速发展 管道附近海床大面积地被冲蚀掉 在造 波快要结束时在管下形成明显的凹坑形状 造波结束后冲刷深度为1 1 c m 悬跨 8 5 c m 在开始造波1 l m i n 时 有沙波开始发育 9 1 3 一一一9 2 8 图2 5 试验g d 一3 2 0 3 第二次造波底床变化过程 第二次造波作用时间为15 m i n 在上次大波浪作用过程中 似乎已接近冲刷 平衡阶段 本次造波开始后 管道下方凹坑形状更为明显 但底床冲刷深度变化 不大 而且冲刷速度很慢 后期冲刷凹坑基本不再发展 造波结束后冲刷深度为 1 2 c m 悬跨仍为8 5 c m 在此过程中 沙波进一步发展 造波结束后沙波波高 0 7 c m 波长5 5 c m 第三 第四次造波作用时间都是1 5 r a i n 试验前后底床未发生变化 沙波变 化也不大 根据上述各阶段底床变化过程可以看出 试验开始不久管道底部海床就发生 冲刷 而且冲刷很剧烈 管道下部被迅速掏空 形成悬跨 但不久 1 7 m i n 左右 就达到了冲刷平衡 底床不再随着波浪的继续作用发生变化 2 4 3 2g d 3 2 0 3 a 该组试验是直径4 c m 平铺状态的管道在单向流作用下的冲刷过程 测得单 向流表层平均流速为3 6 9 2 c m s 分4 次进行造流 作用时间为5 5 r a i n 9 1 8 图2 6 试验g d 3 2 0 3 a 第一次造流底床变化过程 第一次造流作用时间为l o m i n 造流开始后 管道附近砂粒发生搬运 但速 度较慢 水体也较清澈 这种状况持续了约l m i n 造流9 0 s 后 底床冲刷加剧 水体变得混浊 但是总的说来 这个阶段冲刷速度极慢 观测过程中几乎看不到 底床的明显变化 造流l o m i n 后 管下掏空0 1 c m 管前管下微弱冲刷 管后约 4 c m 处略微淤积堆高 9 3 6 9 4 7 图2 7 试验g d 一3 2 0 3 a 第二次造流底床变化过程 第二次造流作用时间为l o m i n 试验过程中 管下继续冲刷 管后继续淤积 堆高 而且冲刷速度有所加快 造流结束后 管下淘空0 4 c m 第三 第四次造流作用时间分别为1 5 m i n 和2 0 m i n 试验前后底床都没有大 的变化 认为管道冲刷在第二次造流时就已经达到平衡 根据上述各阶段底床变化过程可以看出 单向流引起的冲刷程度较弱 速度 很慢 而且是管道前方和下部的底床发生冲刷 沉积物在管道后方淤积 2 4 3 3g d 3 2 0 3 b 该组试验是直径4 c m 平铺状态的管道在大波浪与单向流联合作用下的冲刷 过程 分4 次进行造波造流 作用时间为5 5 m i n 1 6 0 9 1 6 1 4 图2 8 试验g d 一3 2 0 3 b 第一次作用底床变化过程 第一次作用时间为l o m i n 试验刚开始 管道附近砂粒就发生运动 且速度 很快 在管道前后一定范围内形成混水层 联合作用1 5 s 时 管道与海床之间就 出现了水流隧道 冲刷程度加剧 5 m i n 后 管道下方冲刷深度就基本不再变化 仅在沙波经过时发生一定变化 试验结束时管下冲刷0 2 c m 开始造流造波6 m i n 时沙波形成 波高0 6 c m 波长4 e r a 1 6 2 6 1 6 4 1 图2 9 试验g d 3 2 0 3 b 第二次作用底床变化过程 第二次作用时间为1 5 m i n 在此过程中 管道下部底床冲刷深度变化不明显 主要是沙波移动 但是管道两侧冲刷坑宽度有发展的趋势 结束时管下冲刷 0 3 c m 沙波波长增为7 e r a 波高不变 猃土碰压趣撼管线往到丝l 型丛随坦左浊型 究 图2 1 0 试验g d 3 2 0 3 b 第三次作用底床变化过程 第三次作用时间为1 5 m i n 在此过程中 管下底床冲刷深度变化不明显 悬 跨宽度进一步发展 第四次作用时间为1 5 m i n 试验前后底床没发生大的变化 根据上述各阶段底床变化过程可以看出 试验开始时底床即发生冲刷 速度 很快 约在4 5 m i n 后管下冲刷深度就基本不再变化 此后冲刷在管道前后横向 发展 即冲刷凹坑不断加宽 2 4 3 4g d 3 1 0 3 该组试验是直径5 c m 平铺状态的管道在大波作用下的冲刷过程 大波浪设 计波高h 1 7 c m 周期t i 9 s 分4 次进行造波 作用时间为5 5 m i n 一1 6 5 3 1 6 5 5 图2 一1 1 试验g d 一3 1 0 3 第一次造波底床变化过程 第一次造波作用时间为1 0 m i n 造波刚开始就可以看到 管道附近砂粒往复 摆动 在管道前后一定范围内形成混水层 1 5 s 时 管道与底床之间出现微小间 隙 之后底床就发生剧烈冲刷 2 m i n 后 管下掏空1 0 c m 7 m i n 时管下掏空深 度达1 9 c m 悬跨1 3 c m 在开始造波6 m i n 时 有小沙波发育 波长4 5 c m 波 高0 4 c m 图2 1 2 试验g d 一3 1 0 3 第二次造波底床变化过程 第二次造波作用时间为1 5 m i n 开始造波8 m i n 时管下掏空深度达2 5 c m 悬跨1 6 c m 在造波过程中 沙波增大 5 m i n 时波长5 5 c m 波高0 7 c m 第三 第四次造波作用时间都为1 5 m i n 管道下面的掏空悬跨基本不