强潮海湾Spoiler海底管道冲刷机理分析

刘光生，杨元平，吴修广，李　君

(1.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州310020；2.浙江省海洋规划设计研究院，浙江 杭州310020)



强潮海湾Spoiler海底管道冲刷机理分析

刘光生1,2，杨元平1,2，吴修广1,2，李君1,2

(1.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州310020；2.浙江省海洋规划设计研究院，浙江 杭州310020)

摘要:本文基于历年检测资料统计分析了杭州湾海底输油管道裸露埋深状态变化规律，结合水文地形测量资料、辅以数学模型手段，从Spoiler自埋设计、杭州湾水流特性、管道路由海床演变特性以及人类活动等多因素探索了杭州湾海底管道裸露埋深状态变化的原因。研究结果表明：杭州湾管道80%以上处于埋深状态，局部管段长期裸露，裸露管段主要位于北岸深槽和庵东边滩滩坡区域；管道冲刷与管道路由海床演变特性、水流与管道夹角以及Spoiler自埋设计的发挥密不可分；杭州湾南岸围垦工程的实施与该区域管道裸露、掩埋状态密切相关。

关键词:杭州湾；海底管线；Spoiler；海床演变；人类活动

0引言

杭州湾海底输油管道位于杭州湾中段的乍浦-金山河段，北起杭州湾北岸白沙湾，南岸在宁波慈溪半掘浦闸处登陆，全长约54 km，管道路由见图1，管道于2004年完成铺设并投入运行。杭州湾海底输油管道由3条平行管道组成，管径依次为28″、30″和10.75″，管线之间平均间隔为50 m。杭州湾是著名的强潮海湾，具有潮差大、水流急、含沙量高、泥沙粒径细、水深较浅、冲淤幅度大、两岸人类活动显著等特点[1-5]。为适应杭州湾复杂的海洋环境，管道在设计阶段选用了国际先进的管道自埋技术，即扰流板(Spoiler)技术[5-10]。

长期以来关于杭州湾海底管道所在的杭州湾海洋动力泥沙条件、管道的Spoiler技术及海底管道冲刷研究较多，韩曾萃 等[1]介绍了杭州湾强潮海湾的特点，谢东风 等[2]用Delft 3D模拟了杭州湾水动力和黏性沉积物输运过程，姜小俊 等[11]针对强潮地区提出了一种基于声学探测技术的海底管线状态检测方法，向来华[10]通过声学探测技术验证了海底管道自埋状态的演化过程，韩艳[8]通过理论分析和物理模型试验研究了Spoiler对海底管线的防护，单丹丹[9]通过数值模型研究了海底管道自埋机理，张玮 等[12]研究了人类活动对册镇海底输油管道冲刷的影响。关于杭州湾水流、演变特性及Spoiler自埋技术的研究已取得丰硕的研究成果，但以往研究成果均未给出强潮河口Spoiler海底管道整体裸露及掩埋状况，未将强潮海湾水流、演变特性与Spoiler自埋设计有机结合综合分析管道冲刷机理，未提及杭州湾两岸人类活动对管道冲刷的影响。本文以杭州湾海底输油管线为研究对象，利用管道历年检测资料系统分析管道裸露掩埋状态变化规律，基于杭州湾历年水下地形图，辅以数学模型手段综合分析杭州湾水流、演变特性以及人类活动对Spoiler海底管道冲刷的影响，以期对杭州湾管线正常维护及其它管道建设提供科学依据及启示。

图1　杭州湾海底管道示意图Fig.1　Diagram of the submarine pipeline in Hangzhou Bay

1管道路由海域概况

1.1地貌特征

杭州湾系钱塘江河口的潮流段，是一个典型的喇叭形强潮河口湾。湾口的上海市芦潮港—宁波市镇海断面宽98.5 km，湾口外存在星罗棋布的舟山群岛，自湾口向上游85 km处为湾顶，即海盐县澉浦-余姚市西三闸断面，宽19.4 km。杭州湾基本呈东西走向，水域面积约4 800 km2[13]。杭州湾由于各区动力因素的差异塑造了不同的水下地貌单元，杭州湾管道路由途经北岸深槽、潮流槽脊系和庵东边滩等主要的地貌特征单元，图2为管道路由断面海床高程图，管道路由海床高程由北岸向南岸不断抬升，北岸深槽的管道路由海床高程达-20 m，南岸庵东边滩处的路由海床仅在-5 m以内。

图2　2013年管道路由断面海床高程Fig.2　The elevation of seabed section along submarine pipeline in 2013

1.2潮汐潮流

杭州湾属于浅海半日潮。潮波经外海传入杭州湾后，受喇叭口外形及水深变浅等边界条件影响产生剧烈变形，南、北两岸平均高潮位由湾口向湾顶沿程增高，而平均低潮位湾口至湾顶沿程降低，潮差向湾顶增大，北岸的高潮位比南岸高，低潮位则相反，北岸潮差比南岸大[14]。据杭州湾管道路由所在断面较近的乍浦长期潮位观测资料(1953—2006年)统计显示，乍浦站最高潮位5.50 m，最低潮位-3.66 m，平均高潮位2.53 m，平均低潮位-2.51 m，最大潮差7.82 m，平均潮差4.68 m。杭州湾潮流很急[3]，潮流的运动形式主要表现为往复流，2011年9月沿管道路由布测的水文观测资料统计显示，管道路由南侧水域流速较北侧大，最大流速分布在庵东边滩边坡附近水域，垂向平均最大可能流速达2.71 m/s，遭遇风暴潮等极端恶劣天气最大可能流速将更大[5]，图3为2011年9月两水文测点(P1和P2)的流速和流向图，点位见图1。

2管道状态

以管顶高程为0基准面的2013年30″管道埋深状态见图4，实线代表路由海床相对高程，虚线分别代表管顶和管底高程。实线在两虚线之上代表管道埋深，实线在两虚线之间代表管道裸露，实线在两虚线之下代表管道悬空。由图可知，30″海底输油管道整体呈埋深状态，埋深比例在80%以上，埋深段集中在杭州湾中间段的潮流槽脊系，埋深基本在2 m以上，最大埋深达6 m；局部裸露段仅占20%以内，分布在管道两端的北岸深槽和庵东边滩滩坡处，分别位于里程KP3附近及KP39～KP47；个别悬空管段分布在KP39～KP47区域内，悬空高度较小，均在0.3 m以内。

图3　2013年9月杭州湾水文测点流速特征图Fig.3　The velocity characteristics of hydrological measurement points of Hangzhou Bay in Sep. 2011

图4　杭州湾30″管道2013年埋深状态图Fig.4　The buried status of 30″submarine pipeline of Hangzhou Bay in 2013

杭州湾海底30″管道历年状态统计见表1。由表可知：2005年是管道运行第1年，50%以上的管道裸露在海床面上；2006—2008年管道埋入长度增多、埋深增加；至2009年后埋入长度所占比例逐渐稳定在80%以上，而管道非埋入段所占比例基本维持在20%以内，2009年后埋入段所占比例增长缓慢，但埋入段平均埋深仍在持续增大。管道悬空总长度较小，基本在20 m以内。

图5为30″管道裸露埋深管段变化图。由图可见2005年管道全线大部分裸露在海床上。2006—2011年KP1～KP5段管道呈裸露和埋入相间，近2 a裸露集中在KP2～KP4之间，KP5～KP37段先后逐年埋深，2012年以后基本完全埋入海床之下。管道运行至今，KP37～KP49管段长期以裸露为主，杭州湾海底管道悬空段主要出现在该区域。KP49至南岸登陆点以埋入为主。

表1　杭州湾30″管道历年状态统计表

图5　杭州湾30″管道状态历年变化图Fig.5　The status change of 30″submarine pipeline of Hangzhou Bay in previous years

3管道状态变化分析

杭州湾海底输油管道在时间和空间上均呈裸露、悬空以及埋深的状态变化，管道状态的变化是管道自埋设计(Spoiler)、海床演变特性、水流特征以及人类活动等综合作用结果，下文将综合以上各因素分析杭州湾海底管道状态变化原因。

3.1自埋设计(Spoiler)作用

采用Spoiler设计的海底管道自埋过程基本可分为7个阶段，分别为初始状态、孔道冲刷、管道部分掩埋、尾流冲刷、冲刷动态平衡、再次孔道冲刷和管道回淤自埋[10]。图6给出了KP10～KP20里程管段自埋效果分析图，图中包络线代表2005年至2010年历年检测管道路由海床下包络高程。由图可看出，2010年较2005年管道明显整体下沉，沉降量约1 m，2010年管底高程始终位于下包络线以下位置，说明路由海床经尾流冲刷或孔道冲刷后，管道在Spoiler产生的下沉力[8]作用下下沉。路由海床高程明显高于管道高程说明管道在基本完成自埋过程后，路由海床不再有局部冲刷现象，管道开始回淤自埋。管道的自埋设计在杭州湾管道的中间段(KP5～KP35)充分发挥了作用，现该管段基本埋深在2 m以上。

图6　杭州湾30″管道自埋效果分析图Fig.6　The analytical chart of self burying on 30″submarine pipeline in Hangzhou Bay

3.2水流特征的影响

图7为杭州湾海域涨急、落急流速矢量与管道轴线夹角示意图。前文已介绍杭州湾呈明显往复流，本文以涨急、落急水流作为代表研究管道轴线夹角问题。表2列出了不同区域管道轴线与涨急、落急水流夹角的统计情况，结合图、表可知，管道轴线整体上与水流保持较大夹角，而在庵东边滩区域因登陆点的偏移管道有一明显转折，致使该段管道轴线与水流基本平行，除该处夹角在15°范围以内外，其余管道轴线与水流夹角均在50°以上。杭州湾海底管道采用扰流板(Spoiler)自埋技术，相关研究成果[8-9]表明：管道所在水域水流流向与管道轴线夹角越大，Spoiler自埋效果越明显。庵东边滩滩坡处管段(KP39～KP47)因与水流基本平行，夹角很小，Spoiler在此处的自埋效果未能充分发挥，是管道长期裸露未能埋深的重要原因。

图7　管道轴线与水流夹角示意图Fig.7　The diagram of angle between submarine pipeline’s axes and tide

区域管道里程轴线与水流夹角/°涨急落急北岸深槽KP2～KP4>59>60中间区域KP5～KP36>53>53庵东边滩KP39～KP47<8<14

3.3海床演变特性的影响

图8　2003—2010年海床冲淤分布图Fig.8　The change of seabed elevation from 2003 to 2010

图8给出了2003年至2010年期间杭州湾的海床冲淤分布特征，由图可知，管道路由海床演变主要呈淤积特性，淤积主要发生在庵东边滩及中间大部分区域，冲刷发生在北岸深槽近岸区、王盘深潭以及庵东边滩滩坡前沿。

由前文分析可知，位于北岸深槽的管段(KP2～KP4)轴线与水流呈较大夹角，Spoiler自埋设计能够发挥一定作用，但由历年检测资料及海床演变特性可知该区域海床长期处于冲刷状态，Spoiler在完成孔道冲刷之后，无法完成泥沙落淤、管道掩埋的过程，故管道一直处于裸露状态，由于Spoiler仍能够产生下沉力[8]使管道下沉，故该区域较少出现管段悬空现象。

通过庵东边滩断面历年高程变化图(图9，断面位置见图8)可知，2003—2009年庵东边滩不断淤积，边坡有进有退，但边坡有变陡的趋势，KP39～KP47管段所在的滩坡前沿不断下切。该区域海床的冲刷特性致使KP39～KP47管段同北岸深槽管段一样长期裸露，但由于该管段轴线与水流基本平行，Spoiler未能产生足够的下沉力[8]，管道的沉降只能在重力作用下实现，因此该区域管段常有悬空现象存在。

图9　庵东边滩断面历年高程变化图Fig.9　The change of seabed elevation on Andong Beach section

3.4人类活动的影响

杭州湾海底输油管线南岸路由海床属于庵东边滩范畴，水深较浅，滩涂资源丰富，慈溪市为解决人多地少等问题，在南岸不断开展滩涂围垦工程，岸线不断向海侧推进，一号围垦工程(图1)于2012年合拢，规划治导线内滩涂将于近期实施围垦，距管线约3 km，岸线形状较管道铺设前有很大改变，致使南岸管线路由水域的流场特性作出相应调整。水流特性的改变对管道冲刷的影响一方面体现在海床演变的变化，庵东边滩滩坡变陡及滩坡前沿不断下切即是海床对围垦工程的直接响应；另一方面水流特性的改变直接关系到管道轴线与水流夹角问题，影响Spoiler

自埋设计作用的发挥。

本文借助二维潮流数学模型， 从水流与管道轴线夹角的角度研究杭州湾南岸围垦工程的实施对管道影响。图10分别给出了管道投入运行时、一号围垦工程实施后以及规划围垦工程实施后3种工况的流场图。由图可知，管道刚投入运行时，处于庵东边滩滩坡的KP39～KP47管段轴线与水流夹角较小，一号围垦工程实施后夹角进一步减小，规划工程实施后管道轴线与水流基本平行。经统计分析，一号围垦工程使落潮流夹角减小至6°～11°，规划围垦工程使落潮流夹角减小至4°～5°，涨潮流夹角变化较落潮流夹角变化小。杭州湾南岸围垦工程的实施使管道轴线与水流夹角逐步减小，基本达到平行状况，进一步削弱了Spoiler自埋设计效果的发挥，对杭州湾管线KP39～KP47管段的掩埋状况更不利，在庵东边滩边坡变陡、滩坡前沿下切的演变背景下，该区域管段将长期裸露于海床之上，并伴随局部悬空现象。

图10　围垦工程实施前后管线路由水域流场图Fig.10　The flow field before and after reclamation project

4结论

本文基于历年管道检测资料统计分析了杭州湾海底输油管道裸露埋深状态变化情况，研究发现：杭州湾管道80%以上处于埋深状态，局部管段长期裸露，裸露管段主要位于北岸深槽和庵东边滩滩坡区域。结合水文地形测量资料、辅以数学模型手段，从Spoiler自埋设计、杭州湾水流特性、管道路由海床演变特性以及人类活动等多因素探索了杭州湾海底管道裸露埋深状态变化的原因，结果表明：Spoiler自埋设计在管线中间段(KP5～KP35)充分发挥作用，管道全部掩埋，平均埋深在2 m以上，最大埋深达6 m。KP2～KP4管段由于北岸深槽的冲刷状态长期裸露，Spoiler产生的下沉力使管道鲜有悬空现象。因庵东边滩滩坡变陡、滩坡前沿不断下切，KP39～KP47管段亦长期裸露，该管段轴线与水流夹角小于15°，Spoiler自埋设计无法充分发挥作用，常有悬空管段出现；杭州湾南岸围垦工程的实施进一步减小管段轴线与水流的夹角，将不利于KP39～KP47管段状态的好转。

参考文献(References)：

[1] HAN Zeng-cui，DAI Ze-heng，LI Guang-bing，et al. Regulation and exploitation of Qiantang Estuary[M]. Beijing: China Water Power Press，2003:77-79.

韩曾萃，戴泽蘅，李光炳,等.钱塘江河口治理开发[M].北京:中国水利水电出版社，2003：77-79.

[2] XIE Dong-feng，GAO Shu，WANG Zheng-bing, et al. Numerical modeling of tidal currents,sediment transport and morphological evolution in Hangzhou Bay[J]. International Journal of Sediment Research,2013,30(7):7-10.

[3] WU Xiu-guang，LIU Guang-sheng，CHENG Wen-long. 3D numerical simulation of sediment in the Hangzhou Bay based on FVCOM[J]. Hydro-Science and Engineering,2011，4(4):86-96.

吴修广，刘光生，程文龙.基于FVCOM的杭州湾三维泥沙数值模拟[J].水利水运工程学报，2011，4(4):86-96.

[4] NI Yong-qiang，GENG Zhao-quan，ZHU Jun-zheng. Study on characteristic of hydrodynamics in Hangzhou bay[J]. Journal of Hydrodynamics,2003，18(4):439-445.

倪勇强，耿兆铨，朱军政.杭州湾水动力特性研讨[J].水动力学研究及进展，2003，18(4):439-445.

[5] ZHENG Li-song，YU Xi-ping. Interaction between storm surge and astronmical tide in Hangzhou Bay[J]. Journal of Basic Science and Engineering,2013，21(1):107-115.

郑立松，余锡平.杭州湾内风暴潮与天文潮的耦合效应[J].应用基础与工程科学学报，2013，21(1):107-115.

[6] HULSBERGEN C H. Spoilers for stimulated burial of submarine pipeline[C]//OTC. Proc. 18thoffshore Technology Conf. Houston:[s.n.]，1986：441-444.

[7] YANG Li-peng. Study on scour and protection technology for submarine pipeline under wave condition[D]. Qingdao：Ocean University of China，2012.

杨立鹏.波浪作用下的海底管线冲刷与防护技术研究[D].青岛：中国海洋大学，2012.

[8] HAN Yan. Study on the erosion protecting technique for submarine pipeline[D]. Qingdao：Ocean University of China，2012.

韩艳.海底管线的冲刷与导流防护技术研究[D].青岛：中国海洋大学，2012.

[9] SHAN Dan-dan. Numerical simulation of submarine pipeline self-buried mechanism[D]. Harbin：Harbin Engineering University，2011.

单丹丹.海底管道自埋机理数值模拟研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2011.

[10] LAI Xiang-hua，YE Yin-can，WEI Yan-ji, et al. Preliminary study on the process of scouring and self burying of submarine pipeline in Hangzhouwan Bay[J]. Journal of Marine Sciences，2011，29(2):65-71.

向来华，叶银灿，韦雁机,等.杭州湾海底管道冲刷自埋演化过程初步研究[J].海洋学研究，2011，29(2):65-71.

[11] JIANG Xiao-jun，LIU Ren-yi，LIU Nan, et al. Method to submarine pipe status inspection in strong tide region: submarine pipe status inspection in Hangzhou Bay[J]. Journal of Zhejiang University: Engineering Science，2009，43(9):1 739-1 742.

姜小俊，刘仁义，刘南,等.强潮地区海底管线状态检测方法研究[J].浙江大学学报:工学版，2009，43(9):1 739-1 742.

[12] ZHANG Wei，JIN Xin，WANG Kui. Study on seabed erosion along submarine pipeline from Cezi Island to Zhenhai[J]. Journal of Waterway and Harbor,2013,34(3):193-198.

张玮，金新，汪魁.册镇海底管线沿线海床冲刷原因及冲刷趋势研究[J].水道港口，2013，34(3):193-198.

[13] XIE Dong-feng，PAN Cun-hong，CAO Ying, et al. Decadal variations in the erosion/deposition pattern of the Hangzhou Bay and their mechanism in recent 50 a [J]. Acta Oceanologica Sinica,2013,35(4):121-128.

谢东风，潘存鸿，曹颖,等.近50a杭州湾冲淤变化规律与机制研究[J].海洋学报，2013，35(4):121-128.

[14] LIU Guang-sheng. The analysis of water-sediment movement on Hangzhou Bay[J]. Zhejiang Hydrotechnics,2013(2):56-60.

刘光生.杭州湾水沙运动特性分析[J].浙江水利科技，2013(2):56-60.

收稿日期:2015-01-26修回日期:2015-12-09

基金项目:国家自然科学基金项目资助(51379190，41376099)

作者简介:刘光生(1987-)，男，工程师，主要从事河口海岸工程潮流泥沙方面的研究。E-mail：327837599@qq.com

中图分类号:P756.2

文献标识码:A

文章编号:1001-909X(2016)02-0053-07

Doi:10.3969/j.issn.1001-909X.2016.02.007

The scouring analysis of submarine pipeline used Spoiler in strong tide bay

LIU Guang-sheng1,2, YANG Yuan-ping1,2, WU Xiu-guang1,2, LI Jun1,2

(1.ZhejiangInstituteofHydraulicsandEstuary,Hangzhou310020,China； 2.ZhejiangInstituteofMarinePlanningandDesign,Hangzhou310020,China)

Abstract:The variation regularity of submarine pipeline’s status in Hangzhou Bay was analyzed based on inspecting data over years. The variational reasons of pipeline’s exposed and buried status were explored based on the hydrodynamic numerical model and the integrated factors such as the self-burying design of Spoiler, the flow characteristics and the seabed evolution, the human activities in Hangzhou Bay and so on. The results show that above 80% of the pipelines are buried under seabed，while some parts of pipeline are chronically unburied, and the unburied pipelines are mainly located in the deep groove of north shore and the frontier of Andong Beach. The pipeline’s scouring is close related to the seabed variational characteristics, the angle between the flow and pipeline, and the self-burying design of Spoiler. In addition, the reclamation project in the south beach of Hangzhou Bay may play an important rule for the pipeline’s exposed and buried status.

Key words:Hangzhou Bay; submarine pipeline; Spoiler; seabed evolution; human activity

刘光生，杨元平，吴修广，等.强潮海湾Spoiler海底管道冲刷机理分析[J].海洋学研究,2016,34(2):53-59,doi:10.3969/j.issn.1001-909X.2016.02.007.

LIU Guang-sheng, YANG Yuan-ping, WU Xiu-guang, et al. The scouring analysis of submarine pipeline used Spoiler in strong tide bay[J].Journal of Marine Sciences,2016,34(2):53-59, doi:10.3969/j.issn.1001-909X.2016.02.007.