水流作用下滩海工程仿生草防护技术研究

焦志斌，牟永春，沙 秋

(1.南京水利科学研究院水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏南京 210029;2.中国石油天然气股份有限公司规划总院油气田所，北京 100083;3.中国石油天然气股份有限公司勘探与生产分公司，北京 100083)

滩海区域海底管线一般埋置于海床土壤3倍管径深度以内，属于浅埋管线，由于受到波浪、潮流、风暴潮、河口泄洪以及人工干预等影响，海床很不稳定，极易产生管线沿程的整体冲刷，造成管线裸露悬空。Arnold对美国密西西比河三角洲1958～1965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［1］。2000年10月，我国东海平湖油气田海底输油管道因抛石坝被海流冲毁，管线悬空断裂，油气田被迫停产，造成巨大经济损失，并产生严重环境污染和不良社会影响［2］。2004年我国对渤海埕北油田已铺设的61根海底管道进行调研发现，56根管道冲刷悬空，占92%;管道平均悬空高度1.3 m，最大 2.5 m;平均悬空长度15.1 m，最大60 m［3］。

裸露悬空的海底管缆不仅导致输油热损失增大，而且会在重力作用下发生下沉，甚至在海流及海浪的作用下产生涡激共振造成管缆断裂，引发原油外漏等海上重大安全事故，造成海上油田停产、海洋环境遭到重大污染等严重后果。多年来，海底管线周围的局部冲刷及其冲刷防护与控制技术一直是各国海洋工程领域亟需研究的重要课题之一。

Chiew等［4-5］给出了单向流作用下平衡冲刷深度的迭代公式，该法计算得到的结果与实验结果吻合良好。Sumer等［6-7］研究了波流作用下管线周围海床冲刷问题，对管线冲刷的起动、发展影响因素以及冲刷后管道的自埋等方面进行了分析研究，为该领域的进一步研究提供了许多有价值的帮助。Gao fu-ping等［8］研究了管线的局部冲刷平衡深度以及涡激振动，得出了许多有益的成果。这些成果集中于管道的局部冲刷，可应用于较稳定海域海床管线的设计与工程防护。

吉红香等［9］采用刚性树干和带有柔性枝叶的模型树模拟堤外滩地防浪林，开展了植物消波消浪研究 ，分析了波浪在有植物的滩地上传播变形规律，以及植物的枝叶、树干和滩地宽度、滩地上水深、来波要素等对波浪传播变形的影响以及植物的消浪效果。陈德春等［10］采用聚乙烯发泡塑料制成人工水草，开展了人工水草室内水槽缓流试验和波浪槽消波试验，探讨了人工水草的缓流效果和消波效果，研究了人工水草草屏在不同疏密度、相对草高、排距以及草场长度情况下，对水流或波浪的影响。王琮等［11］开展了“人工草”室内水槽波浪试验，得出在水深50 cm时，布设“人工草”不仅不能促淤防冲，反而会加剧管道附近的冲刷。

本文开展了水流作用下滩海区域海底管线仿生草防护效果试验，首次在国内采用仿生草原型材料，研究了水流作用下仿生草的缓流效果和防冲刷效果，得出了滩海工程海底管线仿生草防护技术的一般性结论。

1 仿生草防护技术研究现状

仿生草防冲刷仿生技术在河床防冲刷和海底结构物防冲刷领域已经发挥出显著作用，沿海各国都有应用。尤其在海洋石油开采领域，有着不凡的业绩。壳牌、英国石油、伍德石油、雪佛龙等世界知名石油公司都有使用。我国胜利油田从2006年开始对海底管线铺设仿生草，至今已铺设12 000多平方米，在使用效果上基本解决了二次冲刷、重复治理等难题。

图1 仿生草的防护作用机理Fig.1 Protection mechanism of artificial grass

仿生草是基于海洋仿生学原理而开发研制的一种海底防冲刷的高新技术产品，由以下几部分组成:仿生草安全保护网，新型高分子材料加工而成的仿生草叶片，仿生草安装基垫，特殊材料制成的高强度锚带，以及特殊设计的海底锚固装置。

仿生草的防护作用机理如图1所示。仿生草叶片在浮力作用下飘浮，海水受到仿生草的柔性粘滞阻尼作用，流速降低，减缓了水流对海床的冲刷;由于流速的降低和仿生草叶片的阻碍，使水流中夹杂的泥沙不断地沉积到仿生草基垫上;经过一段时间的沉积，形成沙丘从而有效控制对海床的冲刷，保护了海底结构物。

英国SSCS通过实验给出了仿生草的应用数据:1)水深:适应于0.5～340 m海域;2)地质:粉砂、泥沙及淤泥等地质;3)流速:1 m/s＜v＜5 m/s;4)含沙量:适应含沙量较高的海域;5)仿生草设计迎水面坡度小于30°。

实际工程中，仿生草适应的水深一般在40 m以内，最深处可达到80 m。我国主要应用在胜利油田和东海平湖油气田，水深分布在7～22 m。但在水深小于5 m的滩海区域，工程应用还是空白。由于专利和知识产权的限制，国内学者无法获得仿生草样品，只进行了一些相似材料的水槽试验，得出了滩浅海“人工草”应用局限性的结论，但还无法通过试验进行定量分析研究。

2 试验方案设计

本项目经相关单位授权后得到仿生草工程样品，试验材料由材料商按照试验比尺加工，在国内首次开展了水流作用下滩海区域仿生草防护效果试验，但需说明的是，本试验未能进行仿生草柔性模拟。

2.1 试验设备

物理模型试验在波浪水槽中进行，该水槽可同时产生波浪、水流和风。水槽的一端配有消浪缓坡，另一端配有推板式不规则波造波机，由计算机控制产生所要求模拟的波浪要素。该系统可根据需要产生规则波和不同谱型的不规则波。为消除水槽试验中波浪的多次反射，造波板上安装二次反射吸收装置(ARC)。水槽两端设有出流口，安装有两台双向泵，可产生不同流速的水流。水槽顶部装有吸风装置，调节吸风装置的转速产生不同风速的风。

2.2 模型设计

对于水流作用下结构物周围局部冲刷，由于其动力条件在结构物周围呈现三维特点，特别是在冲刷发生后，因此应采用正态模型进行试验。遵循JTJ/T234-2001波浪模型试验规程相关规定，按照Froude数相似律设计，模型几何比尺采用1∶10。水流采用恒定流，模型中的流速按重力相似准则确定。

2.3 冲淤试验模型沙选取

试验选用中石油辽河油田海南8海底管道海域水流及海岸泥沙资料，采用煤粉作为模型沙，中值粒径d50=0.45 mm，γs=1.38 t/m3，模拟原型起动摩阻流速0.03 m/s的海床。不同水深时水流作用下泥沙起动相似比尺见表1。可见水流作用下各水深原型沙和模型沙起动流速相似比尺基本接近流速比尺值。

表1 水流作用下泥沙起动流速及其比尺Tab.1 Incipient velocity of sediment under water currents and its scales

2.4 仿生草模拟

仿生草采用英国公司的T25型工程样品:尺寸5.0 m×5.0 m，地锚16个，重140 kg，仿生浮草标准长度为1.25 m。

仿生草间距、长度和密度按模型几何比尺(1∶10)缩小，仿生草模型材质与原型相同，模型长度为12.5 cm。

2.5 试验方法

试验分为定床和动床模型两部分。在定床模型试验中进行水流作用试验，研究仿生草的缓流效果;在动床模型试验中研究水流作用下仿生草周围泥沙冲淤变化。

2.5.1 定床物理模型

根据研究内容，沿水槽铺设1 m长(原型10 m)的仿生草段，在仿生草段内及前后布置6个流速测点，测量仿生草内、外流速变化(见图2)。

图2 流速测点布置Fig.2 Layout of measuring points for velocity

2.5.2 动床物理模型

沿水槽铺设长3.5 m(原型35 m)，厚10 cm(原型1 m)的动床段，模型沙采用d50=0.45 mm，γs=1.38 t/m3的煤粉。仿生草段固定在动床中部，前、后动床段分别为1.5 m和1.0 m(模型长度)(见图3)。试验中测量不同时段的冲淤地形，观测地形变化情况。

图3 动床模型试验布置Fig.3 Layout of mobile bed model tests

3 定床模型试验成果

水流作用下，仿生草顺水流方向倒伏，倒伏程度随水流流速增大而增大。在水深6 m、流速1.5 m/s条件下，长度1.25 m的仿生草倒伏后的高度约为0.7 m;在水深2 m、流速1.5 m/s条件下，长度1.25 m的仿生草倒伏后的高度仅为0.6 m。倒伏后的仿生草叶片覆盖在海床上，形成一个覆盖层。

3.1 仿生草前后流速垂线分布

仿生草的存在使仿生草内流速减小，同时增大了草外流速，改变流速沿水深的分布。图4为水深6 m时仿生草段内与段外流速垂线分布的比较。由图可见，在水流作用下，仿生草倒伏后使草内流速减小，与此同时，也使草上部水体流速增大，增幅最大约20%。

图4 水深6 m时仿生草段内与段外流速垂线分布Fig.4 Vertical distribution of flow velocities of test reaches with and without artificial grass

3.2 仿生草前后流速沿程分布

仿生草的缓流作用主要体现在减小水流对仿生草下局部海床的作用，以达到保护海底管线的目的。因此，试验测量了不同工况水流作用下仿生草下距海床面高度0.4 m和0.6 m处的流速。图5为水深6 m时仿生草段前后水流流速沿程变化，图6为水深4 m时仿生草段前后水流流速沿程变化，图7为水深2 m时仿生草段前后水流流速沿程变化。

图5 水深6 m时仿生草段前后水流流速沿程变化Fig.5 Variation of flow velocities before and after test reach with artificial grass under water depth of 6 m

图6 水深4 m时仿生草段前后水流流速沿程变化Fig.6 Variation of flow velocities before and after test reach with artificial grass under water depth of 4 m

图7 水深2 m时仿生草段前后水流流速沿程变化Fig.7 Variation of flow velocities before and after test reach with artificial grass under water depth of 2 m

由图可见:

1)铺设仿生草对减小作用于铺设段海床的水流动力有较好的效果;

2)水深较大(4～6 m)时，仿生草铺设段内近底流速明显减小;

3)水深较小(2 m)时，与水深较大情况有所不同，仿生草铺设段内近底流速只有中间点有所减小，大部分区域变化不大，有些位置的草内流速还略大于草外。这主要是由于水深较小时，仿生草的铺设减小了过水断面面积，并且占过水断面面积的比例较大，使得断面流速增大较多，草内的流速也相应增大。

4 动床模型试验成果

分别进行了水深6 m和2 m、流速2.0 m/s和1.5 m/s的水流作用下，仿生草(铺设段长10m)附近海床冲淤变化试验。试验结果表明，水流作用下，由于水流流速超过海床粉土起动流速，海床普遍出现冲刷，挟沙水流经过仿生草铺设段时，由于草内近底流速减小，大量泥沙落淤下来。随着水流作用时间的延长，海床冲刷深度增加，铺草段淤积也不断增加。水流冲淤试验结果见图8。

水深6 m，水流流速1.5 m/s条件下，仿生草铺设段前海床出现冲刷，铺设段内发生淤积，在水流作用3.2 h(原型)后，铺草段最大淤积厚度为0.8 m(原型)。

水深2 m，水流流速1.5 m/s条件下，可以明显发现冲淤形态与6 m水深时不同，仿生草铺设段前海床的普遍冲刷并不大，而铺设段前部首先发生冲刷，后部出现淤积。随着水流作用时间的延长，铺设段前部冲刷深度增大，后部淤积体逐渐后移并增高，在水流作用6 h(原型)后，铺草段最大冲刷深度达到1.0 m，后部淤积体也逐渐推移到铺草段后。

水深2 m，水流流速2.0 m/s条件下，由于水位较低、流速较大，仿生草铺设段前海床及铺设段前部都出现了较大冲刷，铺设段前部冲刷更为严重，在水流作用1.6 h(原型)后，铺草段最大冲刷深度达到1.0 m，几乎没有淤积。

不同水深及流速下仿生草周围冲淤试验结果表明，在水位较高(4～6 m)时，本次试验的仿生草有较好的缓流促淤效果，但在在水位较低(2 m)时，不仅不能缓流促淤，还可能因铺设密度较大的仿生草阻流，而产生较大的局部冲刷。

图8 不同水流条件下仿生草周边冲淤变化Fig.8 Variation of scour and deposition around artificial grass under different water currents

5 结语

1)水流作用下，海底仿生草顺水流方向倒伏，倒伏程度随水流流速增大而增大;仿生草倒伏后使草内流速减小，同时也使草外流速增大。

2)铺设仿生草对减小作用于铺设段海床的水流动力有较好的效果;在水深较大(4～6 m)时，仿生草铺设段内近底流速明显减小;在水深较小(2 m)时，与水深较大情况有所不同，仿生草铺设段内近底流速只有中间点有所减小，大部分区域变化不大，有些位置的草内流速还略大于草外。

3)水位较高时，仿生草有较好的缓流促淤效果，但在水位较低、流速较大时，仿生草不仅不能缓流促淤，还可能因铺设密度较大的仿生草阻流，而产生较大的局部冲刷。

4)仿生草是一种有效的海底防冲刷技术，由于仿生草长度、间距、密度以及铺设宽度等影响到其周围的水动力参数及冲淤地形变化，特别是在滩海区域水深较小、流速较大时，水深小于2 m的滩海区域要慎重选用。

5)本次试验获得仿生草授权，进行了一种规格仿生草试验，试验组次有限，试验条件为海南8工况，后续试验将加强与海床泥沙条件、水流波浪动力相适应的仿生草布置、仿生草高度及密度等系列研究，探索滩海区域仿生草防护技术机理。

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