Spoiler自埋技术特点及其在杭州湾海底管道运行情况分析

杨元平，吴修广，刘光生，谢东风，张芝永

(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)



Spoiler自埋技术特点及其在杭州湾海底管道运行情况分析

杨元平1，2，吴修广1，2，刘光生1，2，谢东风1，2，张芝永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)

海底管道阻流板(Spoiler)自沉埋技术是一种新型管道自埋技术，为深入了解其作用机制及其效果，本文通过分析安装有阻流板的杭州湾海底管道历年检测资料，结合管道附近海域海床、潮流动力特性,深入探讨了阻流板装置在实际工程中的运行效果，分析了其作用机制及其适用条件。研究发现安装阻流板装置的杭州湾海底管道在往复潮流作用下逐渐埋入海床，其埋入段长度由2005年的50%增加到2013年的80%以上，而且平均埋入深度超过2.6 m，自埋效果较好；而在管道路由与海流平行段或管道敷设于抗冲刷强海床上时，阻流板作用不能有效发挥，管道仍然呈现裸露状态。

海底管道；阻流板；自埋；杭州湾

0　引言

随着经济的发展，陆域资源和空间日益紧缺，人类逐渐向海洋进军，我国也把发展海洋经济上升到了国家战略高度。海底管道作为海上油气生产和输运的重要方式，是海上油气资源储运输送的生命线工程。海底管道一旦发生破坏事故，不仅会造成巨大的财产损失，而且造成恶劣的、长期的环境及社会影响。因此海底管道的安全问题受到各国的高度重视，国际上许多研究机构、石油公司和管道工程公司投入了大量的人力物力对海底管道在海床上的稳定性问题进行研究。

目前海底管道主要采用2种方式埋入海床，一种是采用水下开沟设备挖沟，然后将管道铺设在已开沟槽中；另一种是采用管道安装扰流板(Spoiler)[1]装置的自埋技术，作为一种新型管道埋设技术，由于其具有自埋作用，能适应海床冲刷变化，一次施工后，避免运行期管道裸露悬空情况发生，后期维护费用大大降低，是一种经济有效的管道自埋技术。

近年来长江口陆域来沙量锐减，东海海域海床出现冲刷趋势，对该海域海底管道安全造成不利的影响，管道裸露悬空风险增大，目前东海已建海底管道裸露、悬空情况严重，海底管道断裂事故也时有发生①浙江省水利河口研究院.杭州湾海底输油管道冲刷规律研究[R].2005.。杭州湾海底管线海域潮强流急，海床冲淤剧烈，如采用传统的预挖沟或后挖沟敷设方式，埋设深度较大，施工困难，运营期维护难度较大。考虑工程海域潮流泥沙动力条件及海床冲淤情况，杭州湾海底管道选用了Spoiler技术敷设。投产运营以来历年检测表明，海底管道运行初期下埋迅速，运行6 a后即有80%以上管段埋入海床之下，此后埋入段长度和埋深基本保持稳定且略有增大，说明Spoiler技术能适应杭州湾海域潮强流急、海床冲淤变幅大的特点。

本文通过对安装有Spoiler自沉装置的杭州湾海底管道运行情况的分析，探讨了Spoiler技术自沉作用及其使用条件，对其他类似海底管线的非挖沟埋设及冲刷防护具有重要的借鉴意义。

1　杭州湾海底管道概况

杭州湾海底管道路由北起平湖白沙湾，南至慈溪半掘浦闸，2004年年底竣工，管道路由线路见图1。

工程海域属半日潮流海区，潮流运动表现为往复流，潮流动力强，涨、落潮流速均较大，2009年金山—庵东断面实测大潮涨潮最大垂线平均流速为3.44 m/s。涨、落潮含沙量大，路由海域海床易冲易淤，海床冲淤变幅大，局部段冲淤幅度超6 m,穿越管道需要有较大埋深，如采用预挖槽或后挖槽方式施工，施工期间工作条件恶劣，挖槽的回淤量大，管道埋设施工困难。考虑施工条件及完工后确保管线安全埋深，选用预挖沟或后挖沟技术均不是经济和安全有效的方式。经多方调研，对不同类型的管道埋设方法进行评估，管线设计最终采用了安装Spoiler阻流板的管道自掩埋法。

图1　杭州湾海底管道路由图[2]Fig.1　Route chart of submarine pipeline in Hangzhou Bay[2]

2　海底管道自沉技术和原理

管道产生自沉作用的阻流板是安装在管道顶部类似鱼“鳍”的装置。阻流板[3]由翅板和底座组成，采用扎带将底座及“鳍”固定在管道上方。为了减重和便于安装，阻流板采用PVC材料制成，单块阻流板的长度控制在5 m左右，阻流板结构示意如图2所示。为保证阻流板的底座能够牢牢固定在管道上，底座采用圆弧形设计，其弧度与管道的外径相匹配，根据不同的管径设计不同尺寸的底座，宽度一般控制在150 mm左右。翅板高度一般根据流速大小和海床底质条件确定，随着管径的增大，翅板的尺寸也相应增高，翅板的厚度以保证足够的强度为宜，一般为4 mm。

图2　阻流板示意图Fig.2　Layout of spoiler

图3　翅板示意图(单位：mm)Fig.3　Layout of fin(Unit: mm)

当海底管道轴线垂直于水流流动方向时，在管道背流侧形成涡旋。安装阻流板后，管道顶部水流受到阻挡[4-5]，管道两侧的压力差明显增大[6]，管道背流侧漩涡增强，管底与海床间隙流速增大，导致管道底部和背流侧冲刷，在往复流作用下管道周边冲刷坑逐渐冲深，管道自重和阻流板产生的下压力(负升力)作用促使管道下沉到冲刷坑内[7]；当潮流减弱，海床与管道周围冲刷坑淤积，管道和阻流板埋入海底，阻流板的作用消失。当海床再次发生冲刷，管道出露海床，管道顶部的阻流板会再次发挥作用，完成管道的进一步自埋过程。安装阻流板的管道能很好地适应海床冲刷变形，当海床发生冲刷变化时，由于阻流板在管道出露海床后能继续发挥下沉作用，使管道继续下沉埋入海床以下，能显著降低后期运行维护费用。

3　杭州湾海底管道海域特性

3.1潮流水文动力特性

杭州湾天文潮属于浅海半日潮，湾内潮波基本上接近驻波形式，潮流的运动主要表现为往复流。杭州湾是典型强潮河口海湾，外海潮波经传入杭州湾后，受杭州湾的喇叭口外形及水深变浅等边界条件影响，潮波产生剧烈的变形；南、北岸平均高潮位由湾口向湾顶沿程增高，平均低潮位由湾口至湾顶沿程降低；潮差向湾顶增大，至澉浦平均潮差5.6 m，实测最大潮差达9 m。涨潮流速自湾口向湾顶递增，工程位置一般大潮涨、落急流速在3 m/s左右，横向流速南岸大于北岸，垂向流速表层大于底层①。自20世纪60年代以来，钱塘江河口开展了大规模的治江围涂，缩窄了江道，致高潮位有所抬高，潮差略有增大，流速分布也有所变化。

钱塘江流域来沙较少，杭州湾泥沙主要来自长江口入海泥沙。从湾口到湾顶河床泥沙粒径由细变粗，海底输油管线所在海湾底质中值粒径为0.02～0.125 mm。杭州湾水体含沙量以细颗粒悬移质为主，中值粒径为0.004～0.016 mm。

3.2海床演变特性

杭州湾海底管道工程水域地貌单元，由北向南可分为北岸深槽、水下平台、庵东边滩。工程海域海床年内呈“冬冲夏淤”的变化规律，夏半年(3月至8月)因钱塘江流域梅汛期径流量大，泥沙通过澉浦断面输向杭州湾，导致该段淤积；冬半年(9月至次年2月)因径流偏枯，潮流相对较强，特别是秋季，乍浦段出现淤积。杭州湾海床年内冲淤变化剧烈，管道附近实测年内冲淤变幅4 m，年际冲淤变幅最大达10 m。杭州湾2003年3月—2010年10月实测水下地形及管道路由海域历年检测地形变化表明，杭州湾海底管道路由海域有3段存在冲刷趋势：(1)北岸深槽附近；(2)王盘山附近；(3)南岸边滩前沿。

4　杭州湾海底管道状态变化分析

4.1掩埋状态变化

杭州湾海底管道有3条管线并行穿越，管径自西向东分别为10.75″(273 mm)、30″(762 mm)和28″(711 mm)，选有代表性的30″管道进行管道状态变化分析，其余2条管道状态变化与30″相近。

杭州湾海底管道投产第1年(2005年)接近50%的管道裸露在海床面上；在Spoiler自沉作用下，第2年即有70%以上的管道埋入海床，在接下来的2006—2009年管道埋入段增多，KP5～KP37段逐渐埋入河床，且埋深逐年加大；至2010年后埋入段比例逐渐稳定，80%以上管段埋入海床，管道非埋入段所占比例基本维持在20%以内，非埋入段主要集中在KP2～KP4和KP39～KP49段[2]。杭州湾管道历年埋入情况见图4。

管道埋入海床深度逐渐增大，运行第1年平均埋入海床0.76 m，2010年管道平均埋入深度为1.70 m，至2013年管道平均埋入深度已达2.60 m，2009年后埋入段比例(长度)增长很小的情况下，埋入段平均埋深仍呈逐年持续增大趋势，且速度仍然不减表明在易冲易淤海床条件下，当涨落潮流流速接近垂直于管道轴线时，管道在Spoiler自沉作用下逐年埋深，Spoiler自沉作用良好。

图4　杭州湾管道埋入情况历年变化Fig.4　Buried condition of submarine pipelinein Hangzhou Bay over the years

4.2非埋入段变化分析

运行初期管道裸露较多，全线均有发生，随着Spoiler自沉作用的发挥，大部分管道逐渐埋入海床，2011年后未能埋入海床的管道稳定集中在KP2～KP4和KP39～KP49段。

KP1～KP5段管道运行初期裸露和埋入状态相间，还随时间变化，近2 a裸露稳定在KP2～KP4段之间。分析其原因，是由于受海域来沙量减少及管道路由海域两岸围垦、跨海湾桥梁及码头等工程建设的影响，近年来北岸深槽附近KP2～KP5段海床持续冲刷，表层易冲泥沙冲失，底部海床为沉积较久的土层，质地较为密实，抗冲能力强，使KP2～KP4段管道靠自沉作用很难埋入海床，导致该段持续裸露。

KP37～KP49管段长期以来一直以裸露为主，近年裸露稳定在KP39～KP49之间。从岸线形态及流场来看，该段管道与南岸现状岸线基本平行，涨、落潮流向与管道走向接近平行(图5)。而Spoiler装置只有在管线与流向垂直的时候自沉作用最好，随着交角逐渐减小，自沉作用逐渐减弱，当流向与管道走向平行时几乎失去自沉作用。虽然该段泥沙较易冲淤，但由于Spoiler扰流冲刷作用很弱，周边流场也无法产生对管道的下压力，所以管道难以实现自沉，致该段管道自建设以来一直处于裸露状态。

图5　杭州湾南岸流场(涨急)Fig.5　The flow field near the south bank of Hangzhou Bay(maximum flood tide)

4.3管道垂向变动

与运行第1年相比，管道在2006年下沉较多，全线平均下沉达到0.48 m，2007年沉降量明显减小，只有0.14 m，接下来的几年每年的下沉量逐年减小，每年基本在0.10 m以内，管道趋于稳定，到2013年管道累积下沉平均为0.95 m。

管道运行至今，累积最大沉降位置均发生在KP39+500附近，最大下沉5.3 m，而2012年地形测量发现该处海床冲淤变幅达4 m。原因在于当海床冲刷时，海管随海床一同下降，管顶高程降低；当海床淤积时，海管停留在下降后的位置，管道埋入海床深度变大。

4.4平面摆动

管道投入运行后的第1年，管道摆幅较大，最大摆动达到22 m，此后随着管道逐渐下沉埋入海床，前后两年年际之间管道摆动幅度明显减小，大部分管段摆幅都在2 m以内，个别位置摆幅略大，但幅度也在6 m以内。历年检测平面位置与2005年(第1次全线检测)比较，检测期间管道平面位置累积偏移基本在5 m以内。

管道投入运行后的第1年平面位置摆动较大，原因可能在于：(1)管道是直接敷设在海床表面，未开槽放置，受强潮流作用局部段摆动较大；(2)竣工验收检测与运行检测非同一家单位，检测方法、误差处理要求以及控制精度等方面存在差异或系统偏差。

5　结论

本文通过对安装有Spoiler自埋装置的杭州湾海底管道运行情况进行分析，讨论Spoiler装置的自埋机制和自埋效果，总结了Spoiler的使用限制条件，得到如下结论：

(1)杭州湾海底管道运行第1年(2005年)即有50%左右埋于海床床面以下，6 a后(2010年)埋入海床管段达到80%以上，平均埋深1.7 m；此后埋入长度增长缓慢，但平均埋深持续增大，9 a后(2013年)管道平均埋入海床深度2.60 m，埋深效果较好，说明Spoiler技术在杭州湾海域具有良好的适应性。

(2)北岸主槽段海床底质为沉积年代较久的粉黏土，质地较为密实，抗冲能力强，该段部分管道未能埋入海床以下；近南岸部分段路由走向与涨、落急流向接近平行，Spoiler的自埋作用难以发挥，因此南岸也有部分管段未能埋入海床以下。

(3)综合分析来看，Spoiler装置有效发挥其自埋作用，需要满足2个关键条件：a) 管道路由轴线尽量与涨、落潮流向垂直，使Spoiler装置在潮流作用下能有效发挥扰流和产生下压作用；b) 管线路由海域海床易冲易淤，Spoiler装置的扰流作用易于在管道底部形成冲刷沟。因此当采用Spoiler装置作为海底管道埋设方式，管道路由设计时要重点分析研究海域潮流流向及海床条件。

[1] HULSBERGEN C H. Spoilers for stimulated self-burial of submarine pipelines[C]. Offshore Technology Conference, Houston:1986.

[2] LIU Guang-sheng, YANG Yuang-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.

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.

[3] CHEN Guo-xiang, LI Chun, TANG Hai-yan. Self-burial technique of submarine pipeline with spoiler[J]. Shipbuilding of China,2005,46(S1):365-372.

陈国祥，李春，唐海燕.采用阻流板的海底管道自埋技术[J].中国造船,2005,46(S1):365-372.

[4] CHIEW Y M. Effect of spoilers on scour at submarine pipelines[J]. Journal of Hydraulic Engineering,1992,118(9):1 311-1 317.

[5] CHIEW Y. M. Local scour around a submarine pipeline with a spoiler attachment[C]∥Proceedings of the 3rd international offshore and polar engineering conference. Singapore,1993:82-87.

[6] ZHANG Zhi-yong, SHI Bing, FAN Fei-fei, et al. Numerical simulation and experimental study on flow around submarine pipeline with spoiler[J]. Chinese Journal of Hydrodynamics,2011,26(5):597-605.

张芝永，拾兵，范菲菲，等.导流板对海底管道绕流影响的数值模拟与试验研究[J].水动力学研究与进展A辑,2011,26(5):597-605.

[7] 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.

来向华，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.

Features of self-embedding technology of spoiler and operation analysis of submarine pipeline in Hangzhou Bay

YANG Yuan-ping1，2，WU Xiu-guang1，2，LIU Guang-sheng1，2，XIE Dong-feng1，2，ZHANG Zhi-yong1，2

(1.ZhejiangInstituteofHydraulics&Estuary,Hangzhou310020,China; 2.ZhejiangInstituteofMarinePlanningandDesign,Hangzhou310020,China)

Attaching a spoiler on the top of pipeline is a new method to enhance self-burial of pipeline. The pipeline state in Hangzhou Bay with spoiler was investigated in this study in order to understand the mechanism of spoiler. Based on the route survey data combined with the seabed and hydrodynamic characteristics, the effect of spoiler on self-burial of pipeline was discussed. The survey data illustrate that the percentage of buried pipeline increased from 50% in 2005 to over 80% in 2013, and the average buried depth increased to 2.60 m, which shows that this self-burial method is applicable in this region. While some sections of the pipeline where the flow direction is parallel to the route or on strong anti-erosion river bed are still exposed on the seabed due to the ineffectiveness of spoiler.

submarine pipeline; spoiler; self-burial; Hangzhou Bay

2016-02-26

2016-08-25

国家自然科学基金项目资助(41376099)；浙江省科技厅公益性计划研究项目资助(2016C33095)；浙江省科技厅条件建设项目资助(2014F10036)

杨元平(1974—)，男，甘肃武都县人，高级工程师，主要从事海底管线安全评价及冲刷防护技术研究。E-mail: 24791407@qq.com

P756.2

A

1001-909X(2016)03-0057-05

10.3969/j.issn.1001-909X.2016.03.009

杨元平，吴修广，刘光生，等.Spoiler自埋技术特点及其在杭州湾海底管道运行情况分析[J].海洋学研究,2016,34(3):57-61,doi:10.3969/j.issn.1001-909X.2016.03.009.YANG Yuan-ping，WU Xiu-guang，LIU Guang-sheng，et al. Features of self-embedding technology of spoiler and operation analysis of submarine pipeline in Hangzhou Bay[J]. Journal of Marine Sciences, 2016, 34(3):57-61, doi:10.3969/j.issn.1001-909X.2016.03.009.