混凝土联锁排应用于海底管线冲刷防护试验研究

张宗峰，丁红岩，刘锦昆

(天津大学 建筑工程学院，天津 300072;2.中石化石油工程设计有限公司，山东 东营257026)

海底管道的悬空防护是海底管道研究的热点之一［1-3］，尤其是浅海(近海)管道的裸露、悬空或局部大位移使管线处于安全隐患状态，一旦遭遇恶劣天气或意外冲击，可能导致管线的泄漏或断裂，由此带来严重后果。目前海底管道的悬空防护措施主要有:抛填砂石、挠性软管跨接(立管段)、水下支撑桩和柔性覆盖层(如仿生水草、FS 浆垫覆盖层)等［3，5］。然而，对于不同形式的安全隐患类型，防护措施各有利弊。水下支撑桩控制长度有限;仿生水草虽然能有效促淤，但防护范围较小且造价昂贵;混凝土联锁排防护在海底管线的应用也仅限于对平台附近局部管段的稳定和抗落物冲击保护。在内河及河口地区、滩海陆岸油田人工岛的保滩护底工程中由于混凝土联锁排具有整体性好、适应床面变形能力强、易于机械化施工等优点，混凝土联锁排保滩护底技术得到成功应用［6-7］，而海底管线所处海域与内河河口水流载荷为主的情况不同，需要考虑水流与波浪的共同作用，国内外对混凝土联锁排在海底管道悬空防护中的应用研究鲜见报道。本文选取4～10 m 水深易受意外荷载作用的近海冲刷区域，针对裸露或悬空海底管线的防护探讨混凝土联锁排的防护机理，并开展室内试验，研究“混凝土联锁排+土工布”防护型式的适用性。

1 海底管线悬空原因分析

通常来说，海底管线产生悬空的原因多种多样，调研分析发现主要因素有:①河口的大面积冲刷(如埕岛油田);②冲刷次生的海床台地、凹坑等;③风暴潮作用下的表层土液化、滑塌;④施工过程可能造成海底管道局部较大的起伏;⑤构筑物形成的局部冲刷，冲刷范围与深度与构筑物物尺度有直接关系;⑥裸露水平管道下的冲刷，因管道前后存在一定压差导致管涌而形成水流隧道，当水流隧道形成后，管道底部水流加速从而引起管道下的冲刷。

2 混凝土联锁排防护机理研究

土工布是水工上常用的防止水土流失的覆盖物，可以有效阻止土中砂粒流失，混凝土联锁排是由混凝土预制块串接而成的网状结构，不仅可以固定土工布还对管线具有保护功能。故“混凝土联锁排+土工布”可以在管道不停产的情况下实施防护施工，施工工艺及取材简单，造价低，且能够在一定程度上有效保护管道免受意外载荷的冲击，如落物、船锚等。

2.1 联锁排块体稳定厚度计算

在波浪的作用下，混凝土联锁排块体上的作用力主要包括波浪动水压力差、混凝土块体的水下重力、捆绑块体的绳索拉力等。张玮［7］等从混凝土联锁排失稳的动力学机理出发，根据排体内部和边缘的失稳模式及受力特点，结合水槽试验推导出水流作用下不同部位排体的稳定厚度计算公式:

式中:δm为混凝土联锁排厚度(m)，r'r为排体相对浮容重，H 为波高(m)，α 为波高修正系数:

式中:λ 取0.78，为试验修正系数;β 为理论系数:

式中:L 为波长(m)，T 为周期(s)，F(k) 为第一类完全椭圆积分，E(k) 为第二类完全椭圆积分，为模数k 的雅可比椭圆函数。

2.2 数值模拟计算

利用GMBIT 进行混凝土联锁排数值模型的建立和网格划分，为简化取3 ×3 排体计算，单个混凝土块体0.4 m×0.4 m×0.2 m，块体之间间距(连接绳长度)为0.1 m，模型计算区域6.4 m×6.4 m×1.0 m，将输出文件导入FLUENT 中进行求解，X 负向为水流方向。

图1 为联锁排表面处的流场分布，从图中可以看出，排首位置的联锁块由于迎流面对水流的阻挡作用，导致水流向上流动，并在排首联锁块的上表面速度降低，形成局部的回流涡旋;在联锁块之间的纵向间隙中，局部水流加速但受到联接绳阻挡，联锁块横向间隙中水流减速，速度仅为联锁块上表面水流速度的40%左右。

图2 为混凝土联锁排底面流场的分布，从图中可以看出，排首位置由于混凝土联锁块的阻挡作用，水流向外扩散;联锁块之间的纵向(即水流方向)间隙形成水流通道，并在排首位置形成局部水流加速区，水流速度增加约42%;联锁排排首两端也会形成局部水流加速区;而水流在混凝土联锁块的横向(与水流方向成90°角)间隙中，由于联锁块对水流的阻挡作用，水流流速减小，仅为原水流速度的30%左右，发生局部尾流涡旋;混凝土联锁排排尾处，水流速度有所降低，但形成局部较强尾流涡旋。

图1 联锁排表面水流速度矢量Fig.1 Water flow velocity vector on mattress surface

图2 联锁排底面水流速度矢量Fig.2 Water flow velocity vector on mattress bottom

3 模型试验

3.1 模型试验设计

(1)试验在波浪双向流浑水水槽中进行，水槽长50 m，宽1.0 m，深1.5 m，水槽的一段配有伺服电机不规则波造波机(1.0 m×0.7 m)，可模拟生成周期在0.5 ～5 s 之间的规则波、不规则波等多种波浪。水槽尾部安装架空斜坡碎石消能设备，以避免波浪的反射。水槽内还装有可产生循环水流的造流系统，由大功率的轴流泵和控制阀门两部分组成，模拟各种流动所需的试验工况。通过物理模型试验研究在不同水深(4 m，7 m，10 m)条件下，波流共同作用时混凝土联锁排的稳定性和防冲刷效果，深入分析“混凝土联锁排+土工布”对于海底水平管线防护的适用性。

(2)模型制作:在水流和波浪运动中，惯性力和重力起主导作用，故试验模型应遵循弗劳德相似或重力相似准则，模型与原型波浪的弗劳德数相同。试验的模型几何比尺设计为1∶ 10 和1∶ 15，联锁排排体和海底管道模型如图3 和图4 所示。

图3 联锁排模型Fig.3 Test model of interlocking mattress

图4 海底管道模型Fig.4 Test model of subsea pipeline

(3)波流条件:试验波浪采用不规则波JONSWAP 谱型，试验流速控制在预定的目标值，在无构筑物影响时沿试验段内的横断面上均匀分布。表1 中给出了三种工况下的试验参数。

表1 试验环境参数Tab.1 Test environmental parameter

3.2 土样选取与制备

选取埕岛油田海域的典型地貌试验土样，满足泥沙颗粒加速度相似条件的要求，采用天然原型粉砂土样制作海床模型，该粘土质粉砂是埕岛海域浅海区的主要沉积物［3，8］，分布在水深15 m 以内的浅海区，其粉砂粒径的百分含量约占60%，粘土粒径含量约占30%。

3.3 试验结果分析

3.3.1 不同水深条件下联锁排防护冲刷效果对比

(1)在4 m、7 m 和10 m 水深条件，采用图5 所示的防护断面型式。

图5 混凝土联锁排防护断面型式Fig.5 Protection section of mattress

图6 混凝土联锁排防护试验Fig.6 Protection test of mattress

在工况一、二、三波流共同作用时，联锁排整体稳定，边缘块体与内部块体在波流拖曳力及上举力共同作用下没有发生晃动及失稳现象(图6 所示)，防护断面稳定，排体厚度(200 mm)满足稳定要求。

(2)引入无量纲参数冲深比η，即冲刷深度与管线外径的比值其中:d 为冲刷深度，D 为管道外径。图7 为工况一(4 m 水深)原始地形和冲刷后(联锁排防护)的地形变化对比。从图中可以看出，联锁排的上、下游排脚位置各出现冲刷坑，说明混凝土联锁排上游排脚(排首)由于局部水流加速，导致冲刷，此处水流环境也最为复杂，逆水面水流动态压力也最大;下游排脚(排尾)由于局部水流速度加速产生涡旋导致冲刷，这与2.2 节数值模拟结果一致。

(3)图8 为不同水深三种工况下排脚处的冲刷对比，由图可以看出，7 ～8 m 水深的地形冲刷深度略大，这与现场调查结果基本一致［10］，由于埕岛海域的典型粉土具有倾向于的砂土基本特性，易液化，但不同于砂土成单粒结构、在动荷载作用下具有颗粒易于移动的特点，粉砂颗粒更细，且具有某些团粒结构的特征，同时，由于粘胶颗粒的物理化学作用，孔隙中薄膜水的联结，具有比砂土高的结构强度，在结构上呈现出由砂性土的散粒接触联结向粘性土的水胶联结逐渐过渡的结构形式，尽管7 ～8 m 水深时波高比10 m 水深时略小，但波浪作用在海床土的循环振动荷载效应更显著，同时由于此水深区间更强的海流作用，导致海床土的失稳流失加速，从而使得在波流作用下7 ～8 m 水深比10 m 水深最终的地形冲刷深度略大。

图7 4 m 水深原始地形和冲刷后的地形变化Fig.7 Comparison of initial and scoured terrains (4 m)

图8 不同水深冲刷对比Fig.8 Scour depth for different water depths

3.3.2 典型水深(4 m)不同防护方式冲刷对比

(1)裸管无防护冲刷:图9 为工况一条件下裸管无防护时断面冲刷深度历程图，其中原点左侧为波流的来向，海底管道周围床面在波流作用下，海床面的泥沙呈明显的往复运动为主，塑造沙波，同时水流输运波浪掀起的泥沙。在管道两侧，床面泥沙颗粒大量启动，形成一层混水层。在波流作用一段时间后，管道底部出现一个小的间隙，形成微小通道。随着微小通道的形成，水体大量涌入，从而产生了较大的瞬时速度，并导致管道底床上的剪切应力迅速增大，造成管道底部局部输沙率快速增大。泥沙颗粒从管道底部迅速起动输运，随着间隙迅速扩大，管道下面的冲刷坑越来越大，在波流作用下造成管道下游侧冲刷强度较大，冲刷深度加大。图10 为裸管无防护冲刷稳定时的试验现场图片。

图9 裸管无防护时冲深历程Fig.9 Scouring time-history curve for unprotected pipe

图10 裸管无防护冲刷稳定后现场照片Fig.10 Test photo after scouring for unprotected pipe

(2)混凝土联锁排+土工布防护

选用与裸管无防护试验时相同的波流条件，对混凝土联锁排和“混凝土联锁排+土工布”覆盖下的海底管道周围泥沙冲淤情况进行研究，分析这两种情况下的防护效果。

图11 和图12 分别为联锁排防护地形冲刷图和“混凝土联锁排+土工布”防护地形冲刷图，采用工况一的水深及波流条件，进行了管道上面覆盖土工布再进行联锁排防护覆盖的对比试验。试验表明，土工布显著减小联锁排块体缝隙之间水流冲刷作用，对排脚冲刷也起到进一步防护作用，减小混凝土联锁块之间由于局部涡旋导致的底面冲刷，且满足联锁排的反滤要求。

图13 和图14 可以看出随着时间推移冲刷趋于稳定，迎水面上游排脚的冲刷深度大于下游排脚，铺设土工布后，上下游排脚冲刷深度均有明显降低，冲刷稳定深度减小约50%。

图11 联锁排防护地形冲刷(移走联锁排)Fig.11 Test photo after scouring with mattress protection

图14 下游排脚冲刷对比Fig.14 Comparison of scour depth of downstream block

4 成果应用实例

KD34B－垦东陆地终端海底管线位于渤海湾，全长4.4 km，管径457 mm，探摸发现管线裸露或悬空长度达3.5 km，最大悬空高度1.0 m。根据探摸情况制定了相应治理方案，采用“联锁排+土工布防护”方式进行隐患治理。断面如图15 所示，先抛填沙袋，在管线底部形成临时支撑，构成稳定的断面再铺设带有土工布的混凝土联锁排，管线两侧各10 m，纵向超出悬空长度各5 m，满足稳定要求。

图15 防护断面Fig.15 Section of pipeline protection

图16 混凝土联锁排预制Fig.16 Prefabrication of concrete mattress

图17 混凝土联锁排+土工布海上施工Fig.17 Offshore construction of concrete mattress ＆ geotextile

“混凝土联锁排+土工布”现场加工和施工如图16 和图17 所示，这也是国内“混凝土联锁排+土工布”首次大型应用于海底管线悬空治理。在项目实施一年后进行了四次探摸，发现防护效果良好，且有轻微促淤效果。

5 结 语

1)海底管道所处的海洋环境既不同于内河及河口地区(水流为主)，也不同于以波浪为主的岸滩。本文依据半理论半经验公式，计算联锁排排体稳定厚度，通过试验发现联锁排在波流共同作用下整体稳定，厚度满足要求。

2)通过混凝土联锁排数值模拟，发现混凝土联锁排排首处块体的水流环境最为复杂，排首混凝土块逆水面水流动态压力最大，试验表明联锁排的上、下游排脚位置冲刷最剧烈。随着水深的增加，波浪对海床土影响减弱，波浪对冲刷的贡献降低。

3)水槽试验表明，土工布显著减小联锁排块体缝隙之间水流冲刷作用，对排脚冲刷也起到一定防护作用，并降低了混凝土联锁块之间由于局部涡旋导致的底面冲刷，满足联锁排的反滤要求，“混凝土联锁排+土工布”型式适用于海底管线的防护。

4)本文是根据波浪水槽试验得出的初步研究成果，由于海洋环境情况较为复杂，混凝土联锁排的防护涉及地基承载力、地基沉降分析等，需要进一步结合工程实际开展相关研究。

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