飞雁滩油田岸滩防护方案研究

飞雁滩油田岸滩防护方案研究

胜利油田的海滩油田位于现代黄河三角洲。受黄河支流运动和沙子输送量显著减少的影响，三角洲沿岸严重侵蚀，影响了胜利油田海滩油田的正常勘探和开发。1992年和1997年的风暴潮给油田带来了9亿吨的经济损失。海岸侵蚀是全球性问题,国内外研究和治理的历史悠久治理措施主要为建坝和生态护滩,属于被动防护型,且在粉砂淤泥质海岸效果欠佳(如尼罗河三角洲)。为了降低飞雁滩油田岸滩防护成本,需要探索一种新型的岸滩防护方案,充分利用自然力,通过人工干预的方式起动海底泥沙,使得高含沙水流由海向陆运移,并在防护区淤积下来,实现岸滩蚀退的快速防护,变被动防护为主动防护。本文针对该地区的岸滩侵蚀情况,首先提出了几种防护设想,然后在对比分析的基础上,提出了充分利用自然力的滩海油田泥沙运移控制初步方案。1桩西油田鱼间滩地飞雁滩油田位于黄河三角洲东北部沿岸38°02N、118°37E至38°10N、118°44E的范围内。本区陆域由黄河1946—1976年经刁口流路入海期间的泥沙淤积而成,飞雁滩油田东北部为埕岛油田,相距约10km左右,其东部与桩西油田毗邻,相距不过数千米,桩西油田海岸修有防潮堤,该岸段的潮间滩地已被侵蚀殆尽。其西部为桃河河口,地势低洼,呈漏斗形向陆凹进,潮间带宽达13km,河叉交错。在1976年5月黄河改道之前,河口沙嘴快速向海淤进,沙嘴零米岸线伸入海中最远达10.5km。至1976年黄河改道清水沟流路以后,该区泥沙来源断绝,河口沙嘴遭到快速侵蚀,岸线迅速后退,到2000年零米线后退达10.5km,已进入油田内部。飞雁滩油田20世纪90年代投入开发,目前年产原油30万t,现有156口油井,其中146口井在工作。每逢大潮和东北风4—5级时,70%以上的井都被潮水淹没。2岸滩防护工程根据飞雁滩油田的原油生产实际需要和其特殊的地理位置,针对该地区的岸滩侵蚀情况,提出以下几种防护设想:一是采取仿生和生物防护相结合的消浪阻流促淤保滩软防护工程;二是通过工程措施改变区域流场,改善沿岸环境动力条件,实现岸滩淤积;三是传统的堤防工程。2.1生物防护带及混凝土重块固定飞雁滩油田地处黄河三角洲自然保护区,防护工程应尽量不破坏自然面貌,为此对这一地区的岸滩提出了与其他海岸不同的防护形式——仿生和生物工程相结合的方案构思,期望促进该海区淤积,固沙保滩,防止或延缓该区岸线的蚀退,以尽可能小的投资,保持现有海岸线,加强油区内部道路及井台的维护,改善该油区上井职工交通条件,加强对大潮、风暴潮的预测预报工作,保障职工人身安全,将潮水的影响降低,保持油田现有开发和生产水平不致于因该地区的海岸蚀退而下降,保持黄河三角洲的自然风貌。仿生防护工程构思模仿沙漠地区防风固沙的原理和我国东南沿海的红树林防护带。仿生林带的作用,①可以吸收波能,起到消波作用,同时可以降低潮流速度,减少浪流动力对岸滩的冲蚀,同时促进海水中所挟泥沙的沉降,从而达到固沙促淤的目的;②保护仿生带向岸侧的浅水植物,防止风暴潮等灾害性海洋动力作用直接冲击浅水及岸边的生物防护带。这些浅水中的生物防护带就同沙漠中的植被一样,具有保持泥沙不被海水冲走,同样也有消波、阻流、沉沙、促淤的作用。在仿生物根部配设混凝土重块,以求固定在预定位置,上面系仿生漂浮物。以每块混凝土块为一株,暂定株距为2m,大致与沿岸平行布设10行,仿生林带宽约30m。采用混凝土重块固定仿生植株时,在施工现场用绳索将重块连结起来,将仿生物固定到重块铁环上,通过船侧滑板滑下水,施工比较容易。通过人工种植的方法促使或恢复海岸地区植物的繁殖,植物的新陈代谢能够为海岸地区增加大量的淤泥质和固土根须,以保证海岸的防冲刷,同时也生产大量的养料,为鸟、虫、鱼、小动物等提供很好的生活,觅食环境。2.2改变区域流场的技术措施飞雁滩油田岸线在东北向强风浪和沿岸潮流作用下侵蚀严重,通过工程措施消减波浪的直接作用,改变区域流场,降低对岸线的冲刷,增加防护区淤积是可行的方案之一。改变区域流场通常需要依据现有海洋动力条件和海岸地形、地貌,采用丁坝群、顺岸潜堤等工程措施。胜利油田在长期的维护黄河堤坝和修建引黄水利工程过程中,创造性地把钻井技术同水利工程结合起来,发明了钢筋混凝土水力插板及施工工艺,采用该项技术的水利工程,例如黄河护岸堤、黄河险工挑流堤、水库护岸、过水涵桥、污水处理工程等等,都要比常规的土石方工程节省40%～60%的资金。如果经过试验,消除初期稳定性等问题,使其适用于海堤工程,预计能够发挥良好作用。2.3海堤建设的形式海堤工程是可行的传统防护方法,无疑是有效的。从胜利油田原油生产情况出发,要彻底排除目前和未来影响职工安全和原油生产的隐患来看,修建油区沿海大堤是见效最快的一项方案。胜利油田孤东大堤属较低标准的海堤,海堤基础宽30多米,但由于基础线近几年受海岸蚀退影响,堤前泥沙淘刷严重,给大堤带来严重的不安全隐患,在1992年、1997年的大风暴潮中都有多处坍塌。上海金山化工厂的大堤属较高标准的海堤,当时按100年一遇的标准设计,按500年一遇的大潮校核,海堤基础宽达80～110m,堤顶高程9～10m,这样大的堤防投资是可想而知的。而秦山核电站围海大堤更按千年一遇标准建设。另外,在福建连江大宫板、珠江口门地区和舟山地区都曾建造过陡墙式海堤,此类海堤迎水面用块(条)石、混凝土等砌筑成陡墙,墙后设置碎石反滤层或土工布反滤,也有采用抛石渣代替的,然后在后方填筑土和抛石。该形式的堤坝优点是断面小,占地小,工程量较少,波浪爬高较斜坡堤小,堤顶高程可略低;缺点是堤基应力较集中,沉降较大,对地基要求较高,波浪破碎时对防护墙的动力作用强烈,对海堤破坏性较大。分析以上几种不同类型的海堤,可以得出:如果在同一海区采取带有丁坝、潜堤的海堤,丁坝、潜堤起到消波、阻流、促淤的作用,可以保护主堤基础不被冲淘;如果大堤的临海侧,没有相应的丁坝、潜堤,大堤基础就要更宽,堤身坡度更缓,迎浪面强度更大,既要考虑消浪,又要考虑渗透因素引起海堤稳定的问题。概括起来说,传统大堤的主要缺陷是基础较浅,迎水面的结构整体性差。随着时代的发展,科学技术水平不断提高,堤防建设也逐步改变。我国过去的海堤基础基本是从原滩地面修建,整个地基相对来说是比较软,只有极个别地段打有较浅的木桩。20世纪70年代,上海金山化工厂大堤采用过打桩的形式,最近几年,钱塘江海宁段采用10m多的钢筋混凝土桩加固海堤,加深了大堤基础,提高了大堤的稳定性。3粉土容易击穿潮流对比上述3个方案,第3个方案(建设传统海堤)最直接有效,但显然存在投资巨大的问题,经济效益和推广的可能性受到严重影响,并不推荐采用。前面两个方案,它们在理论上和实践上都可以改变海洋动力对岸滩的直接侵蚀作用,促进泥沙沉积,但关键问题是泥沙沉积速度问题,只有泥沙沉积较快,才能真正在短时间内实现岸滩防护的目的。通过巧妙利用粉土易于起动的特性人为提高涨潮流含沙量促淤是一项值得特别研究的课题,也是最具创新性、最有经济效益的促淤护滩措施。通过各种工程措施的组合、取舍和改进,实现快速、经济防护的目的。事实上,只要海水中含沙浓度提高,沉积速度必然加快,甚至出现与河口泥沙造陆相似的效果,但作为一般常识,完全靠人为因素实现泥沙的大量运移,通常需要花费大量人力物力。怎样以较小的代价提高海水中的含沙量、怎样将高含沙海水中所含泥沙运移到预定区域并使其快速沉积就成了问题的关键。黄河三角洲的粉土粒度很小,在海洋动力作用下容易分散起动,随潮流移向深水区,这是造成三角洲岸滩侵蚀的重要原因。事物的利弊在一定条件下可以转换,可以利用粉土的这些特性,通过人为扰动比较方便的实现海底泥土的起动,实现潮流涨落时海水泥沙含量的显著差异,利用自然潮汐实现岸滩淤积。总起来说,初步方案可以概括为:通过丁坝、潜堤等工程措施(或附以仿生方法)改变区域海洋动力条件,造成有利于防护区岸滩淤积的区域环境,通过人为干扰促使防护