海上退役平台改作鱼礁体的稳定性及流场效应研究

关彦磊，管 瑞，魏 波，王 超，赵锦旭

（1.中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300452；2.中国海洋大学 环境与工程学院，山东 青岛 266100）

海洋油气平台作为海上油气资源勘探、开发的基础设施，在其达到作业寿命后，必须进行废弃处置，常用的海洋平台弃置方案主要包括：原地弃置、异地弃置和改作他用三种方式［1-3］。目前我国主要以原地或异地弃置为主，采用切割设备将上部组块及泥面以下4 m的桩腿结构全部拆除，该方式拆除难度大、费用高，而且会对平台周边已形成的生态系统造成严重破坏［4］，基于对海洋环境的保护以及降低费用的需求，将退役平台改作他用成为了一种有效的处置方式，考虑到退役平台原地改作风电基座、旅游设施等方式，同样面临构件失稳、后续拆除等问题，平台造礁成为了海洋退役平台处置的最佳解决方案。

将海上退役平台改造为人工鱼礁投放，通过对周围海域的底质重构和流场营造，实现增殖渔业资源、改善生态环境等功能，对优化渔业资源、促进海洋经济持续发展具有重要意义［5-7］。目前，国内外学者对于退役平台改作人工鱼礁的研究主要集中在技术体系构建、方案设计、生态效应分析等方面，对于退役平台的不同结构作为人工鱼礁的水动力特性研究和可行性评价较少。郑亚男［8］运用系统工程分析法梳理了平台造礁工作的整个流程，分析和说明了平台造礁工程的关键技术环节，系统研究了退役平台设施的拆除清洗、总体布局、礁体设计加工、吊装投放等主要程序；张玉香［9］依据埕岛油田平台主体框架结构，分析了各结构单元改作鱼礁的礁体类型，选用典型立方体鱼礁单体模型，利用水动力试验装置研究了不同流速下两种立方鱼礁单体的流场变化、冲刷效应和聚鱼效果，并在埕岛油田CB6A 平台开展了海上示范工程生态效应评价。Rahman等［10］将石油平台下部的导管架结构概化为鱼礁模型，通过计算流体力学（CFD）数值模拟的方式对鱼礁模型的流场效应、物理稳定性进行了研究，指出导管架结构非常适合作为珊瑚幼虫、底栖动物和鱼类的栖息环境，并建议导管架垂直于水流方向放置以获得最佳的流场效应［10-11］。

以上，概化的退役平台几何结构过于简单，实际的平台结构非常复杂，平台甲板的火炬臂、栈桥、生产设备、生活模块等上部组块都具备改造为人工鱼礁的可能性，有必要开展平台拆卸结构改作人工鱼礁体的稳定性和流场效应研究，评价人工鱼礁的性能及退役平台改作鱼礁的可行性，鉴于此，基于平台各模块结构单元，共制作了箱状、管状、柱状、网状4种典型鱼礁实物模型，通过室内模拟试验和数值模拟研究，分析不同鱼礁类型单体的稳定性和流场效应，提出退役平台改作鱼礁体的设计思路，为平台造礁礁体结构设计提供理论依据与实践基础。

1 水槽试验与数值模拟

1.1 水槽试验

1.1.1 试验材料与装置

1）鱼礁模型类型

如图1所示，基于石油平台主体结构框架，共制作了箱状、管状、柱状、网状4种典型鱼礁实物模型，各类型鱼礁参数如表1所示。

表1 鱼礁参数Tab.1 Reef parameters

图1 设计的4种典型鱼礁单体Fig.1 Four typical reef monomers designed

2）试验装置

水槽试验是在水动力循环槽中进行，如图2 所示。环形槽试验段尺寸为180 cm×32 cm×40 cm（长×宽×高），最大流速可达1 m/s。同时配置压力传感器、数据采集仪、LGY-11便捷式流速测算仪等。

图2 水动力循环模拟槽Fig.2 Hydrodynamic cycle simulation tank

由于水槽尺寸的限制，礁体模型的模型比尺确定为Lr=60，因此需要将现实尺度的条件缩放至实验室尺度，水动力试验的条件缩放按照弗劳德相似准则［12］计算，计算公式为：

式中：u为流速；g为重力加速度；L为特征长度；Fr为弗劳德数；p、m为下标，分别代表原型和模型。

根据工程海域（渤海）的实际海洋条件，确定试验的水动力条件：

1）水深：渤海油田平均水深10 m，缩放至0.17 m。

2）海流：渤海环流较弱，流速为10～20 cm/s左右。潮流较强，潮差1～3 m，平均流速50～100 cm/s，老铁山水道附近潮流最强可达150～200 cm/s。渤海流速范围为50～200 cm/s，经弗劳德相似准则缩放至6.45～25.82 cm/s。为研究极限条件下鱼礁的水动力特性，试验流速控制为0.3 m/s，对应实际流速为232 cm/s。

3）波浪：渤海百年一遇风暴潮极端波浪条件为周期8.7 s，波长78.1 m。经弗劳德相似准则缩放至周期1.123 s，波长1.302 m。

1.1.2 试验方法和步骤

稳定性指标测定：1）使用吊绳将待测鱼礁模型悬空置于压力传感器前方，确保鱼礁模型与水槽底面和两侧壁面保持一定距离，设定目标流速并开启造流装置，传感器所测受力为鱼礁整体受水流作用力，输出为电压信号mV/V，依据标定曲线换算为压强（Pa），最终换算为力（N），传感器为西安微正土压力传感器CYY9；2）用流速测算仪测量礁体前方流速（10次取平均值），待流速稳定后，读取压力传感器受力数据（10次取平均值）；3）根据测得的礁体受力数据与流速计算礁体的阻力系数与抗滑移抗倾覆系数。

流场效应指标测定：1）将鱼礁模型以一定角度（45°、90°）迎流摆放，设定目标流速或波浪条件，并开启造流装置；2）待流速稳定或波浪稳定后，使用流速测算仪在试验区域内每隔5 cm测量一次流速；3）利用所得数据绘制流速分布图。

1.2 水动力数值模拟

1.2.1 计算域

为保证计算域边界与礁体达到足够距离以充分模拟流场形态，建立如图3 所示计算域，计算域长度1.3 m，宽度和高度均为0.5 m，在计算域内分别建立500 mm×250 mm×100 mm 与80 mm×80 mm×80 mm 的六面体非结构网格（图4），经评价网格质量满足计算要求。

图3 模型计算域Fig.3 Calculation domain of the model

图4 网格与网格质量Fig.4 Grid and grid quality

1.2.2 边界条件

研究设定的边界条件为：

1）入口边界条件选择速度入口，具体流速以水槽试验的实测值为准，同时，入口边界要远离入口内侧的固体障碍物；

2）出口边界条件选用压力出口，并给定流动出口的静压；

3）壁面边界条件选用Fluent默认的无滑移边界条件。

1.2.3 控制方程

数值计算中，将流体假定为湍流流动的黏性不可压缩流体，温度不变，湍流模型采用RNG k-ε 双方程控制模型。

1.3 数值模拟可靠性验证

1.3.1 鱼礁受力的数值模拟验证

试验中，对4 种类型的鱼礁在0.3 m/s流速条件下的受力情况进行了检测。将数值模拟结果与试验结果进行比较，如表2所示，鱼礁单体拖曳力模拟值与试验值的平均相对误差为3.1%，表明通过数值模拟方法得到人工鱼礁在水中所受拖曳力是可行的。

表2 鱼礁单体拖曳力试验值与模拟值比较Tab.2 Comparison of experimental and simulated drag force of single reef

1.3.2 鱼礁周围速度场的数值模拟验证

水槽试验中，在礁体迎流方向y=0.025 m 中轴线处每隔5 cm 设置一个测点，共设置9～10 个测点，如图5所示，将在Fluent 软件模拟得到的测点对应位置处的流速值与水槽试验结果进行对比，得到结果如图6 所示。可以看出，数值模拟与试验结果在趋势上能够较好的吻合，平均误差为2.59%，表明文中研究所采用的数值模拟方法是可行的，具有较高的可靠性。

图5 水槽试验流速测点分布Fig.5 Distribution of measuring points of flume test velocity

图6 鱼礁模型测点流速与模拟结果比较Fig.6 Comparison of velocity at measuring points of the reef model with simulation results

2 鱼礁单体的稳定性分析

2.1 礁体稳定性评价指标

礁体过轻过小，容易在海流波浪作用下发生滑移或倾覆。在设计人工鱼礁时，应对人工鱼礁的稳定性进行校核，保证鱼礁的效用和寿命。因此，选用抗滑移系数S1和抗倾覆系数S2来评价礁体稳定性［12-13］，计算公式为：

式中：W为鱼礁重力；μ为鱼礁与海底接触面间的静摩擦系数，试验中所用泥沙取自渤海近海，礁体与泥沙底质的摩擦力系数为0.501；Fmax为最大流体作用力；ρ为海水单位体积质量；σ为鱼礁材料单位体积质量，试验所用鱼礁材料为316L不锈钢，σ=7 980 kg/m3；lW为翻倒的回转中心到重心的水平距离；h0为作用在鱼礁上的流体合力作用点的高度。王素琴［13］、吴子岳等［14］和钟术求等［15］的研究表明，对于结构简单且对称的鱼礁，可以假定lW为礁体底面边长的一半，因此h0约为礁体高度的一半。

2.2 箱状鱼礁

文中主要分析不同开口率箱状礁的稳定性，结果如表3 所示，箱状礁的抗滑移系数、抗倾覆系数与开口率关系曲线如图7所示，可以看出，当开口率不断增大时，鱼礁迎流面积逐渐减小，水流作用在鱼礁上的水平拖曳力逐渐减小；鱼礁的抗滑移系数和抗倾覆系数逐渐减小，但均在安全范围内。在鱼礁的稳定性评价中，一般认为抗滑移系数和抗倾覆系数均大于1.2 则代表礁体能够在相应环境中保持稳定，因此开口率在0.1～0.8范围内的箱状礁均能满足要求。

表3 不同开口率箱状礁稳定性评价Tab.3 Stability evaluation of box reefs with different opening rates

图7 箱状礁的抗滑移系数S1、抗倾覆系数S2与开口率关系曲线Fig.7 Relationship curves between the anti-slip coefficient S1, anti-overturning coefficient S2 and the opening rate of box reefs

利用数值模拟方法计算得到箱状礁表面压力云图，如图8 所示，礁体迎流面所受水流力较为均匀，但随着开口率逐渐增大，迎流面积不断变小，导致礁体所受总应力减小。此外，礁体后方的内侧面所受水流力不断提升，这主要是由于随着鱼礁通透性的增大，礁体内部形成低速区域的能力逐渐降低，内部水流力逐渐增大。其次，开口率为0.1时的箱状礁附近能够形成范围较大的低压区域，而开口率0.8时则不明显。

图8 不同开口率箱状礁表面的压力云图Fig.8 Pressure cloud diagram of box reef surface with different opening rates

2.3 管状鱼礁

模拟计算不同堆叠层数管状礁的各稳定性指标，计算结果如表4 所示，结果表明，随着管状礁堆叠层数的提高，虽然礁体所受拖曳力有所上升，但因其礁体总质量不断增加，礁体翻倒的回转中心到重心的水平距离lW同样不断增加，抗滑移系数和抗倾覆系数呈现平稳上升的趋势。安全系数也不断提高。因此在鱼礁投放工程中，应根据投放区实际水深，在不影响通航的条件下尽可能的提高堆叠层数。

表4 不同堆叠层数管状礁稳定性评价Tab.4 Stability evaluation of tubular reefs with different stacking layers

图9 为4 种堆叠层数下管状礁组合的受力情况。可以看出，单个管状礁的受力区域主要集中在礁体下半部分。随着礁体堆叠层数的提高，鱼礁整体的受力区域逐渐由下方向上方延伸，当堆叠层数达到4 层时，仅有上部约1/4 的区域仍受力较小甚至出现负压现象。主要是由于管状礁堆叠放置时，下层礁体数量要高于上层，导致鱼礁整体下层向前后两侧突出，来流被下层礁体抬升后使上层礁体所受来流作用减弱，导致受力减小。

图9 管状礁迎流面压力分布云图Fig.9 Pressure distribution cloud diagram of tubular reef on the incoming surface

2.4 柱状鱼礁

柱状礁模型设计来自于3 种在平台拆卸过程中可能出现的柱状交叉结构，模拟分析了3 种礁体的受力情况，计算结果如表5 所示。可以发现，#1 礁的稳定性最低，但抗滑移系数也达到了6.65，抗倾覆系数为13.36，符合安全要求。但#2礁的抗滑移系数和抗倾覆系数要远高于其他礁体，并且其质量仅为0.158 kg，具有很好的安全性能，主要原因是#2礁具有更低的重心，需要更大的水流力才能使礁体发生失稳，因此在鱼礁设计时，应尽量降低礁体重心。

表5 不同形状柱状礁稳定性评价Tab.5 Stability evaluation of columnar reefs with different shapes

2.5 网状鱼礁

网状礁的设计均来自于石油平台的部分结构，包括火炬臂、栈桥、钻井架等组件（见图10）。其中#1网状鱼礁的管径为0.3 m，长为6 m，宽3 m；#2 礁实际尺寸为23.1 m×1.6 m×1.1 m（长×宽×高）；#3 礁实际尺寸为18.8 m×3.3 m×3.3 m（长×宽×高）。

图10 网状鱼礁结构的来源与类型Fig.10 Source and type of reticular reef structure

如表6所示，3种类型的网状礁安全系数均符合要求。#1礁稳定性较好，抗滑移系数为5.57，抗倾覆系数为11.59；#2礁的抗滑移系数为2.17，稳定水平较其他鱼礁低，主要由于其迎流面积相比于其他鱼礁高导致受力较大；#3 礁安全性能最好，抗滑移系数为7.12，抗倾覆系数为13.82。可以看出，石油平台的火炬臂、钻井架、栈桥等结构作为人工鱼礁投放在安全性上是满足要求的，不会发生滑移和倾覆等情况。

表6 不同形状网状礁稳定性评价Tab.6 Stability evaluation of reticulated reefs with different shapes

表7 不同开口率下箱状礁的流场效应评价指标Tab.7 Evaluation indexes of flow field effect of box reefs under different opening rates

3 流场效应研究

为评价礁体结构对流场效应的影响，引入4个评价指标，分别为上升流相对高度P1、上升流体积指数P2、背涡流相对宽度P3和背涡流体积指数P4，各指标具体表达式为：

式中：Hup为最大上升流高度，Vup为上升流体积，Wvox为背涡流宽度，Vvox为背涡流体积，H为鱼礁礁高，V为鱼礁体积，W为鱼礁礁宽。

3.1 箱状鱼礁

利用Fluent 模拟分析了不同开口率箱状礁的流场分布，如图11 所示，结果表明在礁体上方和两侧因部分来流被迎流面扰动形成了加速流区域，其中向上加速部分被称为上升流区，在礁体后方形成了较大的背涡流区，其中开口率为0.1 的礁体其上升流与背涡流范围明显大于开口率为0.8 的礁体，上升流与背涡流强度随着开口率的提高逐渐减小。

图11 不同开口率箱状礁的流场侧视图和俯视图Fig.11 Side view and top view of flow field of box reef with different opening rates

为了准确分析其流场造成能力，使用Fluent 计算得到不同开口率下箱状礁的流场效应评价指标。结果表明，除背涡流体积指数之外，各指标与礁体开口率成负相关关系，即礁体开口率越大，流场造成功能越弱。并且随着开口率的增大，背涡流区域越来越难以保持连续。因此在设计时，在保证稳定性的前提下，尽量采取较小的开口率设计，开口率在0.6以内为宜，特别是控制在0.3以内则能够形成一定范围的极低速区域。

3.2 管状鱼礁

图12为不同堆叠层数管状礁的流场侧视图和俯视图。

图12 不同堆叠层数管状礁的流场侧视图和俯视图Fig.12 Side view and top view of flow field of tubular reef with different stacking layers

可以看出4种堆叠层数在来流作用下均形成了上升流与背涡流。来流在与管状礁接触后迅速在礁体前方形成了较小的缓速区，随后在礁体迎流面的抬升作用下于礁体的上方形成了一定规模的上升加速流区域，最后在礁体后方形成了缓速的背涡流区域。由于管状礁表面没有开口导致其上升流的造成能力要明显强于箱状礁，上升流相对高度P1均达到5 以上，上升流体积指数P2更是超过100，而箱状礁的P1则仅在2 左右、P2远低于100。因此，在保证安全性能和背涡流区域有效形成的前提下，适当减小礁体迎流面的开口率有助于提高其上升流的形成。管状礁的背涡流区域长度范围同样与堆叠层数的变化呈现正相关，而其宽度则几乎没有变化。

表8为不同堆叠层数管状礁的流场效应评价指标。可以看出，随着堆叠层数的增加，上升流相对高度并不呈现明显的相关性，而背涡流相对高度呈现较弱的正相关。上升流体积指数与背涡流体积指数的变化相反，上升流体积指数呈正相关，背涡流为负相关。但考虑到为了获得更大范围的背涡流区域，实际的管状礁投放工作中应在保证通航的条件下尽量提高堆叠层数。

表8 不同堆叠层数管状礁的流场效应评价指标Tab.8 Evaluation indexes of flow field effect of tubular reefs with different stacking layers

3.3 柱状鱼礁

图13 为3 种类型柱状礁结构。图14 为3 种类型柱状礁的流场侧视图和俯视图。流场侧视图清晰显示了3种柱状礁在来流作用下均形成了上升流与背涡流。

图13 3种类型的柱状礁结构Fig.13 Three types of columnar reef structures

图14 3种类型柱状礁的流场侧视图和俯视图Fig.14 Lateral view and top view of flow field of three types of columnar reefs

#1 柱状礁为双十字交叉型鱼礁，图14 可以看出来流首先在礁体前方形成了低速的缓流区，随后流体被抬升形成加速的上升流，最后于礁体后方形成背涡流，由于本身较大的空隙率，导致其流场效应评价指标均小于箱状礁与管状礁。

#2 柱状礁为十字型鱼礁，相比于#1 柱状礁其形成上升流与背涡流的能力显然更强，上升流相对高度和上升流体积指数均大于#1柱状礁，但由于此种类型鱼礁通常高度较低，难以形成较大体积的流场区域。

#3 柱状礁为支架型柱状鱼礁，其本身对来流的扰动作用较其他两种类型小，小股水流能够通过礁体空隙以较高速度到达礁体后方，对背涡流的形成产生较大阻碍，因此其背涡流体积指数远小于其他类型鱼礁。

数值模拟计算得到不同柱状礁的流场效应评价指标。如表9所示，可以看出，3种类型的柱状礁其上升流体积指数均较低，而背涡流体积指数均较为理想。由于#2 号柱状礁为平铺放置的十字交叉型柱状礁，其在来流方向上的投影不包含空隙，其上升流造成能力要优于其他2种柱状礁。

表9 不同柱状礁的流场效应评价指标Tab.9 Evaluation indexes of flow field effect of different columnar reefs

3.4 网状鱼礁

图15 为3 种类型网状礁结构。图16 为3 种类型网状礁的流场侧视图和俯视图。流场侧视图清晰显示了3 种网状礁在来流作用下均形成了上升流与背涡流。#1 网状礁所形成流场的过程特征与柱状礁较为相似，除了形成一定规模的上升流外，同样存在部分水流通过礁体空隙到达后方区域。由于其本身具有较大宽度，所形成的背涡流体积较大，因此该部分水流并未对后方背涡流区域的形成造成太大影响。#2 网状礁来自于平台的火炬臂结构，其结构特征为具有较密的网状结构，在保证空隙率的同时能够非常有效地扰动水流。礁体后方形成了较大范围的背涡流区域，并且超低速区域体积明显远大于其他类型礁体，上升流区域也明显涵盖更大范围。#3 网状礁来自于平台的栈桥结构，其表面网格密度较#2 网状礁更小。如图16所示，部分水流能够通过较大的空隙对后方背涡流区域的形成造成影响，因此其流场分布与#1网状礁较为相似。

图15 3种类型的网状礁结构Fig.15 Three types of network reef structures

图16 3种类型网状礁的流场侧视图和俯视图Fig.16 Lateral view and top view of flow field of three types of reticular reefs

表10 为不同网状礁的流场效应评价指标。可以看出，#2 号礁流场造成能力最强，其细密的网状结构导致其迎流面与中空面积均较大。3种类型的网状礁由于具有较大宽度，能够形成大范围的背涡流区域，均能够作为人工鱼礁投放，在网状礁的设计中，适当增加网格密度将会显著提升鱼礁的流场造成能力。

表10 不同网状礁的流场效应评价指标Tab.10 Evaluation indexes of flow field effect of different network reefs

4 结 语

鱼礁的稳定性与流场效应是影响平台造礁设计的关键因素。通过4 种典型鱼礁的大型水槽试验、模拟计算，探讨了单体鱼礁在海流作用下，特别是百年一遇极端海况下的抗滑移、抗倾覆特性以及流场效应，得到结论如下：

1）开口率0.1 至0.8 的箱状礁的稳定性均能满足要求，但开口率高于0.6 的箱状礁由于其迎流面具有较大的中空面积，难以形成连续的背涡流区域。因此，在进行鱼礁设计时应使开口率低于0.6。

2）单个管状礁的安全性系数低，应选择堆叠放置的方式进行投放。堆叠层数与稳定性和流场造成能力均呈正相关，因此在不影响通航条件的前提下，应尽量提高管状礁的堆叠层数。

3）3种柱状礁均满足作为鱼礁投放的需求，柱状礁设计时应尽量降低其重心，并减小迎流投影面的中空面积投放；基于平台的钻井架、火炬臂、栈桥设计的3 种网状礁，均满足礁体稳定条件，且均能形成大范围的背涡流区域，可作为人工鱼礁投放，投放时应使较宽边垂直于来流方向以获得最大的流场效应。

4）海上退役平台造礁工程在我国尚处于探索阶段，具有广阔前景，后续需在海上退役平台礁体群配置组合技术、造礁区的生态效应跟踪评价等方面进一步深入研究，为我国平台造礁工程应用提供技术支撑。