坐底式平台基础冲刷的系列模型试验研究

赵静 王世澎 （中国石油集团工程技术研究院 天津300457）

坐底式平台基础冲刷的系列模型试验研究

赵静 王世澎 （中国石油集团工程技术研究院 天津300457）

座底式平台作业过程中，海底条件的变化可能会导致基础周围出现冲刷，产生掏空，基础的滑移甚至失稳，严重威胁平台的安全。利用模型试验的方法，针对水流作用下平台基础冲刷过程进行研究，定性分析其演变规律，并通过系列模型理论将试验结果进行延伸，定量地得出可能出现的最大冲刷坑深度，分析平台基础冲刷的一般规律及危险区域，为后期进行防护措施的研究奠定基础。

平台基础 冲刷 系列模型 模型试验

0 引言

我国渤海海域滩海油田极软土地质分布广泛，大港、辽河与冀东油田海底表层均为淤泥质土，极易产生泥沙的冲刷。在座底式平台的作业过程中，由于基础导致海洋环境因素的改变，会产生基础周围的冲刷，产生淘空，基础的滑移甚至失稳，严重威胁平台的安全，是困扰座底式平台安全施工的一大难题。

在胜利海域，自1985年胜利四号平台在垦东11井施工中出现第一次淘空以来，座底式平台累计淘空与滑移事故已发生10余次，其危害是平台倾斜，地基下沉，导致生产作业中断，井口报废等严重后果，影响生产时效和施工安全，造成较大的经济损失和人身安全隐患。从调研分析的情况来看，产生的原因主要与地基情况、平台结构情况、潮流情况和滑移情况等方面有关。

在座底式海洋平台的冲刷试验研究方面，王仲捷[1]通过对海上石油座底式钻井平台在波、流联合作用下的防冲刷实验，得出相应的平台基础冲刷规律。在单项水流的作用下，沉垫底部有少量淘刷现象，仅平台前面与两侧形成较规则的“U”型冲刷坑。并指出波、流联合作用大大增加了对海上平台的冲刷性，其主要原因是大尺度旋涡的淘刷作用，再加上流的搬运作用。仲德林[2]等分析了埕岛油田海上石油平台基础冲刷的过程及其规律，研究平台桩基冲刷的成因机制、冲刷的速率、过程和规律，为平台的设计施工和防护提供可靠依据。韩西军[3-5]等采用系列模型对粉砂质海岸上栈桥桩基、粉砂质海床上人工岛以及建筑物周围冲刷局部进行了试验研究，分析得到了不同波流组合情况下的泥沙冲淤变化。

为了更好的了解平台基础的冲刷特性，并采取相应措施进行防护，避免或有效控制沉垫底部的冲刷，本文利用集团公司海工重点试验室的46 m×1.5 m×1.5 m波流水槽，针对坐底式平台基础的冲刷进行系列模型试验，为后期平台防护措施的研究提供依据。

1 系列模型试验

在动床模型试验中，要同时满足悬移与起动相似，或者仅满足两者之一，都要求模型沙重率较小。过细的模型沙会带来絮凝及粘结力等各方面的问题，反过来又使悬移和起动相似难以满足。如果找不到合适的模型沙，即可供模型使用的模型沙若重率较大、粒径较粗，要满足悬移和起动相似，就要求模型做得较大，从而使模型中能出现较大的流速变化，而这些条件在许多情况下是很难做到的。

系列模型就是为解决这类问题而提供的一种试验方法。[6-7]利用此方法，模型沙的重率可以较大，粒径可以较粗，一直到使用原型沙，而模型不必做得很大。由于模型和原型泥沙运动不相似而带来试验结果的偏差，通过做一系列由小到大的模型，将试验成果外延，来加以消除。这样的模型试验方法，实质上是利用不相似的模型取得相似试验成果的一种有效方法。

系列模型不仅可以消除因选沙所带来的泥沙运动不相似和由模型变化所带来的竖直水流运动不相似等问题，而且克服了因正态模型缩尺效应所带来的一系列问题。系列模型不仅适用于研究河床单向冲淤变形的问题，而且对局部冲刷坑问题的研究有其独特的优越性。

假定模型试验所研究的物理量与影响这一物理量的其他变量之间存在如下指数关系：

式中:为所研究的物理量，可以是冲淤深度，也可以是冲淤时间；h为深度；Y、Z为深度以外的其他水力、泥沙因素变量；a1，a2，a3分别为这些变量的指数；K为系数。这里自变量仅取3个，当有较多自变量时，也可同样纳入。

对上述方程式写成比尺关系式，其结果为：

沙玉清认为系数比尺λk是由模型缩小引起的，假定它与深度比尺成指数关系，即：

另外，将有关水力因素变量的比尺通过一定的比尺关系式转化成深度比尺的函数，例如等；而泥沙因素变量的比尺，则通过采用原型沙，均化为 1，即等，这样，上述比尺关系式将转化为：

式中：a为全部水力、泥沙因素变量比尺均转化为深度比尺后的指数和。对于原型而言，λh=1，λx=1，故应有C=1，最后得：

由于本次试验中，原型沙的现场取样有一定难度，无法用原型沙进行试验。因此，综合考虑各方面因素，以尽可能地接近工程实际为目的，最终选取了直径为0.1 mm的均匀沙进行冲刷研究，冲刷试验的量化结果将按照系列模型理论进行延伸处理。

模型以清水冲刷为主，控制水流条件，当模型冲刷坑形态基本稳定，冲刷坑深随时间变化较小时，认为冲刷坑已基本达到了稳定状态，此时用超声波地形仪对冲刷后的地形概况进行测量。

2 试验方案

2.1 试验设备

由上式可见，当采用一定几何比尺的模型进行试验时，λh为已知，Xm可以通过观测求得，式中的未知量尚有a、Xp两个。如果能做两个模型就可建立两个方程式，联解后便可求得Xp，或将所得Xm及λh的数据点绘在双对数纸上，连接1、2两点，与λh=1或lgλh=0的纵轴相交，交点纵坐标即为所求原型物理量的数值Xp。

按照系列模型试验的要求，模型必须做成正态。模型比尺的选择除应能满足波浪、潮流及泥沙运动相似条件外，尚应综合考虑下列条件：工程区域范围及试验场地的大小、试验设备供给能力、测量精度；模型水流应满足流态相似；模型应满足阻力相似，并同时考虑摩阻损失不能太大。

试验在46 m×1.5 m×1.5 m的波流水槽中进行，见图2（a），最大工作水深1 m，水槽配备的设备有：液压伺服不规则波造波机系统；尾门式潮汐模拟系统；两台总流量为0.5 m3/s的双向造流设备。结构物周围局部冲刷地形的测量采用三维地形自动测量系统，如图2（b）所示。波高测量采用电容式波高传感器2支。流速测量采用ADV声学多普勒流速仪。

2.2 泥沙起动试验

为了更好地观察泥沙起动情况，并为后期的基础冲刷试验奠定基础，首先在波流水槽内进行泥沙起动试验。[8-9]水槽前端为不规则造波机及其控制系统，中部槽底留有长5.0 m，高0.15 m的存泥槽（见图3），后端设置消波箱。试验水流为自循环式，水流速由一个无极变速的电动水泵控制。

试验段布置在水槽中部的存沙槽内，铺泥段长5 m，铺沙段中端布置ADV流速仪测量近底处水质点流速。试验前先将泥沙搅拌均匀，再均匀铺在水槽底部，并将泥沙床面抹平，待泥沙自然沉降密实一天后，缓慢注入自来水至试验水深后进行试验。之后每组试验开始前均重新铺沙，并在泥沙自然密实一天后开始试验。

试验中，通过增大水流流速使底沙起动，起动时用ADV流速仪测量当前流速。本次试验考虑到淤泥质细粉沙的起动以泥沙的卷起、悬扬为主要特征，即泥沙起动时直接进入悬扬状态。当悬扬不明显时，床面无明显破坏，此时泥沙并未起动；悬扬开始明显增大时，床面出现破坏性坑纹，此时泥沙进入“大量起动”阶段，因此试验以底床泥沙大量悬扬且床面出现破坏作为判断起动的标准。

针对试验要求并结合现有试验条件，首先进行了30 cm水深条件下的泥沙起动试验，选取直径为0.1 mm的均匀沙。

在泥沙起动试验的过程中，使流速由小到大缓慢增大并维持足够长的冲刷时间，用ADV监测水槽中的实际流速，同时密切观察水槽中泥沙的运动情况。观察的结果显示：流速为30 cm/s时，泥沙少量起动；流速为40 cm/s时，泥沙普遍起动，并出现冲刷坑；流速为50 cm/s时，泥沙大量起动，冲刷坑形态更加明显。因此认为该均匀沙的起动流速为40 cm/s，这将作为后期进行模型冲刷试验的参考起动流速。起动试验之后的铺沙层冲刷情况如图4所示。

3 试验结果

由于目标平台的沉垫尺寸长、宽与高度相差非常大，同时考虑水槽宽度的限制，为了更好地观察模型边角位置的泥沙冲淤情况，根据系列模型理论，在试验中将模型尺寸进行概化处理，同时考虑到水槽边壁效应的影响，在经过系列尝试性试验后，将平台基础的长度与宽度设定为40 cm与24 cm。基础的高度，按照比尺进行缩放（见表1、图5）。

3.1 比尺25的冲刷结果

比尺25时模型的底座尺寸为48 cm x 24 cm x 12 cm，台上水深24 cm。由于之前的泥沙起动试验仅仅是对无模型时的泥沙进行的，所以现在放置模型后将会造成一定的阻流作用，从而影响泥沙的冲淤。因此，以之前的泥沙起动试验作为参考，先以较小的流速进行冲刷，观察现象并及时调整流速，最后选定流速9.893 cm/s进行冲刷试验（见图6）。

冲刷开始时，平台基础周围出现泥沙的跃移，随着时间的推移，逐渐形成小的冲刷坑，由平台基础的拐角向周围延展。随着时间的延长，冲刷范围逐渐扩大，在纵向和横向出现了不同程度的扩大和延伸。最为明显的是冲刷坑除了在向模型外侧和深度方向发展外，还不断向模型的迎流向演化，并有不断扩展的趋势。

试验过程中，目测到冲刷坑范围明显扩大，为了观察冲刷坑是否继续演化，冲刷过程持续进行到两侧冲刷坑的形态变化很小时，认为已经达到了冲刷的稳定状态，停止试验，此时历时8.5 h。

利用超声波地形仪对冲刷后的地形进行测量，得到量化的冲刷坑的深度（见图7），由地形文件分析得到，此次冲刷后冲刷坑的最深深度为3.25 cm。

3.2 比尺18的冲刷结果

比尺为18时模型基础深度17 cm，台上水深33.3 cm。根据模型比尺及系列模型理论的要求，选定流速11.84 cm/s进行冲刷试验。冲刷的最初3 h后，模型的南北两侧均出现了冲刷坑，但总体上并不明显；6 h后，模型两侧均出现了连续的冲刷坑，正前方尚未出现冲刷迹象；8.5 h后，两侧的冲刷范围变宽，同时淘蚀的深度也有所加深，模型前方尚未受到冲刷影响；冲刷持续12 h后，对比前一时间段的冲刷结果，冲刷坑的深度和范围变化都已经很小，可以认定为稳定状态。冲刷稳定后的地形情况如图8所示。

利用超声波地形仪测得模型的冲刷最大深度为4.3 cm。冲刷的地形图如图9。

3.3 基础冲刷的系列模型推演

在对量化的冲刷结果按照系列模型的要求进行推演时，取各个比尺下的最大冲刷坑深度，推得极端情况。根据系列模型理论，将两组不同比尺的模型试验结果在双对数坐标下标出，这两点的延长线与纵坐标的交点即为原体的冲刷深度。因此可以推得实际情况下原型的最大深度约为0.505 m（见图10）。

4 结论

本文介绍了两个比尺条件下的平台基础冲刷试验，定性地分析了冲刷的演变过程，并通过采用系列模型理论定量地研究了平台冲刷坑的最大深度，得到了以下结论：通过泥沙起动试验与平台基础尝试性的试验，确定了平台基础冲刷的概化形式；根据系列模型试验的要求进行了平台基础冲刷的模型试验研究，定性地分析了平台基础的冲刷形态；借助系列模型理论将试验结果进行延伸，定量地分析了冲刷坑可能出现的最大深度，对工程试验具有一定的指导意义；当冲刷达到一定程度时，模型基础的拐角部分可能会出现淘空，这一位置的冲刷情况将是后期进行防护措施试验研究的重点内容，为寻找合适的防护方法奠定了基础。■

[1]王仲捷.海上坐底式平台防冲刷试验研究[J].天津大学学报，1998，31（5）：101-106.

[2]仲德林，刘建立.埕岛油田海上石油平台基础冲刷研究[J].海岸工程，2003，22（2）:37-43.

[3]韩西军，杨树森，陈汉宝，等.粉沙质海岸上栈桥桩基的波流冲刷试验[J].水运工程，2006（4）：19-23，27.

[4]韩西军，杨树森，曹祖德.粉沙质海床上人工岛周围波流冲刷试验[J].水运工程，2007（11）：43-47.

[5]韩西军，曹祖德，杨树森.粉砂质海床上建筑物周围局部冲刷的系列模型延伸法研究 [J].海洋学报，2007，29（1）：152-156.

[6]郑英，赵德玉，潘美元，等.防冲墙前缘冲刷坑系列模型试验研究[J].水运工程，2008（6）：14-19.

[7]严冰，李世森，秦崇仁.改进系列模型延伸法的原理及在海岸工程中的应用[J].中国港湾建设，2004（2）：23-27.

[8]左东启.模型试验的理论和方法[M].北京：水利电力出版社，1984.

[9]海岸与河口潮流泥沙模拟技术规程[S].JTS/T231-2-2010.

2011-09-06