海洋立管的局部冲刷实验

第31卷第6期2009年12月沈阳工业大学学报Journal of Shenyang University of TechnologyVo l.31No.6Dec.2009收稿日期：2008－12－18.基金项目：国家自然科学基金资助项目（50409015）.作者简介：陈兵（1970－），男，辽宁大连人，副教授，主要从事港口工程结构等方面的研究.文章编号：1000－1646（2009）06－0712－09海洋立管的局部冲刷实验陈兵，邵学，韩丽华，姜萌（大连理工大学土木水利学院，辽宁大连116024）摘要：海洋平台立管底部的局部冲刷容易造成海底管道的暴露悬空，在波浪和水流作用下产生疲劳破坏，以往的研究多偏重于海底管道水平段局部冲刷，而对立管底部开始的局部冲刷研究较少.针对这些问题，通过实验室物理模型实验，利用波流水槽对波-流共存以及纯波浪条件下海洋平台立管-桩系统基础周围的局部冲刷进行了研究.通过实验观测立管系统周围海底地形的冲淤变化过程，得到冲刷稳定后的地形形态、各冲深监测点的冲深历时曲线及最大冲刷深度.通过对实测数据的分析，探讨了水深、波高、恒定来流流速、立管-桩系统倾斜角度以及床面泥沙粒径等参数对冲刷形态和最大冲刷深度的影响.关键词：海洋平台立管；立管-桩系统；波流共存场；物理模型实验；局部冲刷；最大冲刷深度；冲淤形态；冲深历时曲线中图分类号：U 656.6文献标志码：APhysical model test for local scour around marine riserCHEN Bing ，SHAO Xue ，HAN Li-hua ，JIANG Meng（School of Civil and Hydraulic Engineering ，Dalian University of Technology ，Dalian 116024，China ）Abstract ：The local scour at the bottom of marine riser is easy to result in the exposure and suspension of sea-bed pipeline ，and thus the fatigue damage of the pipeline occurs due to the action of wave and flow.The pre-vious researches concerning the local scour problem of seabed pipeline mainly focus on the scour around a hor-izontal span rather than that at riser bottom.Thus ，the physical model tests utilizing wave-flow flume were con-ducted to investigate the local scour around a riser-pile system in both coexistng wave-flow and pure wave con-ditions.The change process in the sea bottom terrain around the riser system was observed.The scoured ter-rain of the sea bottom as well as the scour depth-time curve and maximum scour depth at different inspection points were recorded.Based on the meassured data ，the influnce of such parameters as water depth ，wave height ，flow velocity ，incline angle of riser-pile system and particle size of sediment on the scour pattern and maximum scour depth were discussed.Key words ：marine riser ；riser-pile system ；coexsiting wave-flow field ；physical model test ；local scour ；maximum scour depth ；scour pattern ；scour depth-time curve国民经济的迅速发展及各行各业对能源需求与日俱增，使海洋石油天然气的开发显得十分迫切.在海洋油气田的开采、油气的储存、运输过程中常需要利用海底输油（气）管道和海洋平台立管.虽然随着海洋工程不断发展，海底输油（气）管道及海洋平台立管的局部冲刷问题逐渐地被关注与重视，但是对波流共同作用下海洋平台立管周围的局部冲刷研究却较少.海洋平台立管是海洋结构系统中薄弱易损的构件，作为海上平台油气设施与海底管道的联系通道，其下端一般直触海床，上端则连于平台或者钻探船舶的油气设施.在波浪和水流作用下的立管周围，可冲刷海床使之发生变形.海洋平台立管内部一般有高压油或者气流过，外部承受波浪、海流的荷载作用.同时立管系统的建成将使其周围的波浪和水流条件发生改变，对海床产生局部冲刷.冲刷的结果可能会恶化管道的受力，导致管线断裂，危及管道的安全，发生油气泄漏，造成污染，以及危及其他设施的安全等.因此，在海洋立管工程的勘察、设计、施工、运营等各个阶段都必须考虑海洋环境因素的影响和作用.比如：在管道设计过程中就应该了解管道周围的冲刷情况，其中包括冲刷范围，冲刷坑的稳定形状等，以便在设计和施工中采取必要的工程防护措施，从而保证管道在运行过程中的安全.目前关于波浪作用下立管受力情况的研究较多，圆柱绕流和波浪作用下的桥墩、人工岛等大直径圆柱的局部冲刷的研究成果也较多，但立管周围局部冲刷的研究成果则较少.本实验研究了在波浪水槽中对管道周围的冲刷进行观测这一问题，得出立管桩在波浪和海流共同作用下，其床面的冲淤形态，立管局部冲刷的最大深度及冲刷范围.通过观测点的数据得到以下结果：①冲刷后的冲淤地形；②最大冲深；③监测点冲深随时间的变化过程.1实验设备与模型设计1.1立管与支撑结构形式海洋立管有很多种不同的分类方法.除了按照用途划分，一种常见的方法是按管道横截面的结构分类，即单壁管道、管中管管道（PIP）和集束管道.单壁管道是最普通的，在海洋和岸上都有广泛的应用.它能用于输出、油田生产/测试、注水等.常见的立管支撑结构有立管桩支撑立管及导管架支撑立管.本文模型采用立管桩支撑单壁立管的结构.模型采用表面光滑的有机玻璃管，立管桩直径为80mm，立管直径为25mm.立管桩下端固定，将立管固定于立管桩之上.1.2立管局部冲刷水文要素立管局部冲刷水文要素如表1所示.1.3实验设备与仪器实验在大连理工大学土木水利学院港工实验室的波浪水流实验水槽中进行.实验水槽的主要尺寸：长17m，宽1m，深1.3m.水槽一端设造波系统设备与水流出流口.造波系统为可控硅摇板式造波机，该系统由微机控制.另一端设消能设施，以防止水流和波浪在水槽尾部产生反射波.水表1水文要素原型值Tab.1Actual flow field parameters组次水深/m波高/m周期/s平均流速/（m·s－1）1-11-21-32-12-22-32-43-13-21210102.580.92.580.01.970.92.58 1.52.580.92.580.01.970.92.580.02.580.0槽一端装有离心式水泵，水泵产生循环水流，经槽底管道进入水槽另外一端.水流与波浪同向.在水槽中段设置3mˑ1m的实验区域.模型区是深度为0.3m的沙盘，盘内填放实验用泥沙.在模型区中央安放模型，立管、水平管道及立管桩由PVC管及有机玻璃制成，结构示意图见图1.实验中主要测量和控制的项目有：波高与周期、流速和冲淤地形.流速用LYS-89A型电脑流速仪测定.实验中要求流速控制在预定要求值，而且在模型区内无建筑物模型时的横截面上均匀分布.流速的调试在模型安放前完成，在实验时按照设定控制流速.波高及周期的测定采用大连理工大学研制的LYL型浪高仪.波浪根据水池内的波高H和周期T确定，用造波系统的电压U和摇板机曲柄螺杆偏心距E来控制.冲淤地形用日本的淤厚仪测量.地形冲淤值是实验开始前该测点的高程读数与测定时在规定测点上的高程读数值之差.图1立管桩与立管结构示意图Fig.1Structure of riser and pile317第6期陈兵，等：海洋立管的局部冲刷实验1.4模型设计按照实验原型尺寸、实验水槽的大小与造波造流能力，确定选用正态比尺模型：水深比尺：λh =20；波高比尺：λH=20；周期比尺：λT =（λL）1/2=（20）1/2=4.47；流速比尺：λv=（λL）1/2=（20）1/2=4.47.2实验组别、实验步骤及测点分布冲刷实验一共做9组，各组实验条件如表2所示.3-1组中模型发生15ʎ倾角.水平向的管向上抬起15ʎ，同时立管桩及立管均相应偏离垂直方向15ʎ.在正式实验前，用仪器对波浪要素、周期及流速进行测定.正式实验开始，首先安放模型，将泥沙放置在模型区域内部并整平.然后放水至指定深度，用淤厚仪测量原始床面的标高，按实验要求放流造波.在实验过程中，每隔30min测量特征点床面高程.当冲刷时间达到要求，实验结束时，再次用淤厚仪测量床面的标高hi.将水槽内水放掉，用尺子测量结构物周围冲刷坑最大值，并测量冲刷范围.表2水文泥沙要素模型值Tab.2Flow field and sediment parameters in model test组次水深cm波高cm周期s平均流速（cm·s－1）泥沙中值粒径mm1-11-2 1-3 2-1 2-2 2-3 2-4 3-1 3-260505012.5 1.7820.012.5 1.780.09.5 1.5620.012.5 1.7833.512.5 1.7820.012.5 1.780.09.5 1.5620.012.5 1.780.012.5 1.780.00.320.320.320.17根据不同的测量要求，共布置3套测点：1）为测量结构物周围冲刷前后的地形，布置地形测点，如图2所示.测区范围：800mmˑ1000mm；基本测点间距为50mm.在立管柱附近的测点加密一倍，测点间距为25mm.全部共计658个冲刷地形测点.2）为了解冲刷发展过程，在结构物周围设置5个冲深监测点（见图3）.在施加波流的过程中，每隔30min测量一次.计算冲淤值，得到每隔30min冲刷发展过程.图2地形测点分布图Fig.2Distribution of inspection points fortopography图3冲深监测点分布图Fig.3Positions of inspection pointsfor maximum scour depth3）实验结束，水放干后，再确定最大冲深点并用钢尺测量结构物最大冲深值.3实验结果及分析实验现象：冲刷0.5h后，在管前、管后出现少量不规则沙纹，散布各处；系统周围由于涡的作用形成比较浅的冲刷坑，随后，冲刷坑的的规模不断发展扩大，沙纹逐步变得整齐起来，形成一条条近似平行、间距和起动程度大致相同的沙纹.持续发展一段时间以后，冲刷坑范围基本不再发展扩大，但是冲刷深度还在增加.冲刷现象越来越明显，沙纹增高，冲刷坑加深.最后沙纹不再增高，只是随时间向前推移，冲刷坑深度不再加大，随沙纹的推移在一个平衡深度附近反复变化.实验结束，实验区域均出现明显的沙纹，立管和桩的附近发生局部冲刷，出现前深后浅明显的冲刷坑，冲出的泥沙堆积在模型区中后部，最大冲刷深度见表3.417沈阳工业大学学报第31卷表3立管附近冲深监测点的最大冲刷深度Tab.3Maximum scour depth at inspection points around riser组别冲刷时间/h 冲深监测点最大冲刷深度/mm12341-1 3.5747045471-2 2.55030251-3 3.5757235502-1 3.5849654902-2 3.5513020552-3 2.535030312-4 3.0704530403-1 3.5985845943-23.0576434413.1水流作用下的立管冲刷单向水流作用下圆柱周围的局部冲刷问题在过去五六十年里得到了广泛的研究.现在对于单向均匀水流作用下的圆柱周围的局部冲刷机理以及冲刷形态和发展过程已经基本明了.通常在研究此类问题时，将流场简化为均匀、恒定、平面、无限的，底部也为水平的，一般只考虑极限平衡稳定状态的冲刷.研究中发现，远离圆柱处流速（行进流速）不变，设置圆柱后，在圆柱附近，不但流速有所改变，并且会产生一系列的副流.由于局部流速加强，因此逐渐形成冲刷坑.冲刷分为清水冲刷与动床冲刷.通过特征点的最大冲刷深度曲线可以判断，当未受扰动的底流速小于泥沙起动流速时，为清水冲刷，冲刷坑深度随时间而逐渐加大，最后达到平衡深度S e ，其深度随时间的变化曲线如图4曲线①所示；当未受扰动的底流速大于泥沙起动流速时，为动床冲刷情况，冲刷坑深度随时间急速增大，最后在达到平衡深度S e 时，冲刷坑深度随时间作周期性的变化（图4曲线②）.这是由于上游普遍存在输沙，床面上形成沙波、沙丘等床面形态的缘故.当沙波顶峰到达冲刷坑时，落入冲刷坑的泥沙量增大，冲刷坑深度减小；当沙波谷到达冲刷坑时，落入冲刷坑的图4冲刷深度随时间的变化曲线Fig.4Scour depth versus time curve泥沙量减小，冲刷坑深度加大.因此，随着沙波的推进，冲刷坑深度随之围绕着平衡深度S e 上下波动.3.2波浪作用下立管周围的局部冲刷与单向水流相比，波浪单独作用下局部冲刷的特点是：波浪水流的瞬变性质抑制了边界层的发展，在波浪水流作用下圆柱周围没有明显的马蹄形涡产生，使得冲刷坑的形状并不规则.波浪水质点的往复运动性质，使尾涡在圆柱的迎波一侧及背波一侧反复地出现，使初期冲刷的地点增多.但随着非线性作用的增强，两侧的尾涡强度差别扩大，直至在迎波的一侧无明显的尾涡产生.3.3波流联合作用下立管的局部冲刷由实验过程可以观测出立管周围冲刷过程及冲刷坑形成：开始冲刷比较快，冲刷率随时间变化减小，最后达到最大冲刷深度，达到稳定.9组实验经过3.5h 冲刷基本达到平衡，此后冲刷深度不再增加或增加缓慢.个别组达到平衡时间更短，在2.5h 基本达到平衡.冲刷后，实验区域均出现明显的沙纹，立管和桩的附近发生局部冲刷，出现明显的冲刷坑，冲起的泥沙在后方淤积.来流方向离结构物较远处的冲刷是由于前方没有泥沙补充产生的.在波流共存场中，波与流起着相互补充的作用，波流共同作用时，不论是冲刷深度还是冲刷范围均比单纯流或单纯波的情况大得多.其总的冲刷泥沙量比单纯流及单纯波情况冲刷量之和还大，说明两者共同作用的冲刷能力绝不是两者单独冲刷能力的简单和.3.4最大冲刷深度由于立管系统的存在，波浪和水流在系统周围发生较大变化，对床面进行淘刷，形成局部冲刷坑.局部冲刷是圆柱周围流动与床面泥沙相互作用的结果.该流动是复杂的非定常三维流动，包含有圆柱上游的三维分离、马蹄涡系的运动和圆柱下游的尾涡运动及其与马蹄涡系的相互作用.随着冲刷坑的不断加深和扩大，波浪和水流对坑底的作用逐渐减弱，上游进入冲刷坑的泥沙与水流挟带走的泥沙趋于平衡，同时，随着较易冲刷挟带的细颗粒泥沙不断冲走，冲刷坑底部的泥沙逐渐粗化，较粗颗粒泥沙覆盖在冲刷坑表层，使坑底表面抗冲能力增强，冲刷坑深度逐渐停止发展而达到平衡.冲刷坑外缘与底部的最大高差即为最大局部冲刷深度.波高、流速、水深与最大冲刷深度的关系如表4所示.3.5各种波流参数对于冲刷形态的影响图5 12为冲刷形态图及冲深监测点冲刷深度历时曲线.各图中a 图的横坐标y 为沿水槽断517第6期陈兵，等：海洋立管的局部冲刷实验表4波高、流速、水深与最大冲刷深度的关系Tab.4Relations among wave height ，flow velocity ，water depth and maximum scour depth组次水深cm波高cm 周期s 平均流速（m ·s－1）最大冲刷深度mm 1-11-21-32-12-22-32-43-13-260505012.51.7820.07412.5 1.780.0329.5 1.5620.07512.5 1.7833.59612.5 1.7820.05512.5 1.780.0359.5 1.5620.07812.5 1.780.09812.51.780.064面方向的空间坐标；纵坐标x 为沿水槽轴线方向的空间坐标，在图中波流由上至下传播；图中冲深值为正时表示海床冲刷，冲深值为负时表示淤积.1）通过对图5与图6，图7与图8中的冲刷地形和冲深监测点冲深历时曲线进行分析，可以得到1-1组与1-3组，2-2组与2-4组实验结果的对比.在水深、流速相同的条件下，波高增大，导致水质点的运动更强烈，冲刷坑的范围大，稳定时间也短，冲刷深度一般随波高的增大而增大.但是随着相对波高加大，冲刷深度会达到最大值；当相对波高超过一定范围时，冲刷深度反而减小.这表明，平衡冲刷深度与相对波高有关，此时冲刷深度可视为在一切波高条件下的最大平衡冲刷深度.在一般浅海区，最大设计波高H 与水深h 之比都会超过0.2的数值.因此这个冲刷深度对浅海工程建筑物的稳定性具有重要的意义.图5冲刷形态图及冲深监测点冲刷深度历时曲线（水深60cm ，波高12.5cm ，周期1.78s ，流速20cm /s ）Fig.5Scour pattern and scour depth-time curves（Water depth d =60cm ，wave height H =12.5cm ，wave period T =1.78s ，current velocity v =20cm /s）图6冲刷形态图及冲深监测点冲刷深度历时曲线（水深60cm ，波高9.5cm ，周期1.56s ，流速20cm /s ）Fig.6Scour pattern and scour depth-time curves（Water depth d =60cm ，wave height H =9.5cm ，wave period T =1.56s ，current velocity v =20cm /s ）617沈阳工业大学学报第31卷图7冲刷形态图及冲深监测点冲刷深度历时曲线（水深50cm，波高12.5cm，周期1.78s，流速20cm/s）Fig.7Scour pattern and scour depth-time curves（Water depth d=50cm，wave height H=12.5cm，wave period T=1.78s，current velocity v=20cm/s）图8冲刷形态图及冲深监测点冲刷深度历时曲线（水深50cm，波高9.5cm，周期1.56s，流速20cm/s）Fig.8Scour pattern and scour depth-time curves（Water depth d=50cm，wave height H=9.5cm，wave period T=1.56s，current velocity v=20cm/s）2）如图7、9、10所示，根据2-1、2-2与2-3组实验结果表明：随着流速v的加大，冲刷坑面积与冲刷坑深度都随之增大，这是由于在水深、波要素相同的条件下，流速增大，在圆柱附近产生的一系列的副流增大，局部流速的增大加强了冲刷坑的形成，随着流速的增大，最大冲刷深度急剧增大，由35mm增大到96mm的缘故.3）根据图5、7，图6、8和1-1与2-2，1-3与2-4组别实验结果对比，可知在不同的水深条件下，波浪对于底部泥沙的扰动作用产生差异，因此即使波要素、流速相同，局部冲刷的形态及最大冲刷深度也不同，水深小的组别，波浪作用下的尾涡增大.由于波浪要素相同，相对波高增大，因此冲刷的范围更广.4）通过比较图10、11的冲后地形图和冲深监测点冲深历时曲线及对2-3与3-1组实验结果进行对比，得出结论：在水深、波浪要素及流速相同的情况下，立管周围冲刷范围和深度均加剧，达到稳定的时间也更短.未发生倾角的组别，局部冲刷集中在系统周围小范围内，对于远处沙纹的影响不大，而发生倾角后，由于局部冲刷的影响，整个沙盘范围内的冲刷形态都发生改变，冲刷坑向系统倾斜的方向大范围发展，并在背流方向延伸.模型发生倾角将加剧立管系统的局部冲刷.可以看出，立管系统结构的在位形态，对于局部冲刷也有明显的影响.因此，实际工程中对平台立管系统的置放与固定应引起足够的重视.5）从图10、12和组3-2同2-3的对比结果可以看出，在其他条件相同的情况下，泥沙粒径不同的组别，粒径小的组别较粒径大的组别最大冲刷深度增长了近一倍，局部冲刷范围较大，且冲刷坑发展成形迅速.717第6期陈兵，等：海洋立管的局部冲刷实验图9冲刷形态图及冲深监测点冲刷深度历时曲线（水深50cm ，波高12.5cm ，周期1.78s ，流速33.5cm /s ）Fig.9Scour pattern and scour depth-time curves（Water depth d =50cm ，wave height H =12.5cm ，wave period T =1.78s ，current velocity v =33.5cm /s）图10冲刷形态图及冲深监测点冲刷深度历时曲线（水深50cm ，波高12.5cm ，周期1.78s ，纯波）Fig.10Scour pattern and scour depth-time curves（Water depth d =50cm ，wave height H =12.5cm ，wave period T =1.78s ，pure wave）图11冲刷形态图及冲深监测点冲刷深度历时曲线（水深50cm ，波高12.5cm ，周期1.78s ，模型倾角15ʎ）Fig.11Scour pattern and scour depth-time curves（Water depth d =50cm ，wave height H =12.5cm ，wave period T =1.78s ，incline angle α=15ʎ）817沈阳工业大学学报第31卷图12冲刷形态图及冲深监测点冲刷深度历时曲线（水深50cm，波高12.5cm，周期1.78s，中值粒径0.017mm）Fig.12Scour pattern and scour depth-time curves（Water depth d=50cm，wave height H=12.5cm，wave period T=1.78s，d50=0.017mm）4结论本文通过波流作用下立管系统的水槽模型冲刷实验，得到了在不同水文要素下的冲刷地形、冲深监测点的历时冲刷曲线及最大冲刷深度.通过各组实验结果的对比，探讨了各海洋环境参数对于局部冲刷形态及最大冲刷深度的影响.1）在其他水文要素相同的情况下，冲刷深度随波高增大，水质点的运动更强烈，冲刷坑的范围大，稳定时间也短，冲刷深度一般随波高的增大而增大，但是当相对波高超过一定范围时，冲刷深度反而减小.2）在水深、波要素相同的条件下，若水流流速增大，在立管和立管桩基础附近产生的一系列次生流动随之增强.局部流速的增大加强了冲刷效果，随着流速的增大，最大冲刷深度急剧增大.3）在不同的水深条件下，波浪对于底部泥沙的扰动作用产生差异，因此即使波要素、水流速相同，局部冲刷的形态也会不同.水深小的组别，若波浪其他要素相同，则相对于水深的相对波高增大，波浪作用更容易到达水底，因此冲刷的范围更广.4）波浪要素及水流速相同的情况下，若模型产生倾角，在立管周围冲刷范围和深度都加剧，达到稳定的时间也更短.5）其他条件相同的情况下，泥沙中值粒径较小的组别与泥沙中值粒径大的组别相比较，最大冲刷深度增长了近一倍，局部冲刷范围较大，且冲刷坑发展成形迅速.参考文献（References）：［1］钱宁，万兆惠.泥沙动力学［M］.北京：科学出版社，1983.（QIAN Ning，WAN Zhao-hui.Dynamics of uniformsediment［M］.Beijing：Science Press，1983.）［2］陈士荫，顾家龙，吴宋仁.海岸动力学［M］.北京：人民交通出版社，1988.（CHEN Shi-yin，GU Jia-long，WU Song-ren.Seacoastdynamics［M］.Beijing：China Communications Press，1988.）［3］韩其为，何明民.泥沙起动规律及起动流速［M］.北京：科学出版社，1999.（HAN Qi-wei，HE Ming-min.On incipient mechanismand incipient velocity of uniform sediment［M］.Bei-jing：Science Press，1999.）［4］Randkivi A J，Ettema R.Clear 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