混凝土联锁排应用于海底管线冲刷防护试验研究_张宗峰

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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
（ 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
图 4 海底管道模型
Fig． 3 Test model of interlocking mattress
－ cn2
2F( k)
x L
－
t T
，k
（ 3）
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，
[ ( ) ] cn2 2F( k)
x － t ，k 为模数 k 的雅可比椭圆函数。 LT
当模数 k 位于 0． 88 ～ 1． 0 之间时，公式可简化为 δm
=
0． 298
(1 － λ)H r'r
，通过计算得出波浪作用（
H
=
3． 48 m） 时的稳定厚度为 0． 167 m。
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
工布的反滤防护作用，经过分析对比表明“混凝土连锁排 + 土工布”防护型式适用于海底管线的防护。
关键词： 混凝土联锁排； 海底管线； 稳定厚度； 冲刷防护； 抗浮稳定
中图分类号：
文献标志码： A
DOI： 10． 16483 / j． issn． 1005-9865． 2015． 02． 009
Model test on concrete slab interlocking mattress applied in anti-scour protection of subsea pipeline
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。
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海洋工程
第 33 卷
表 1 试验环境参数 Tab． 1 Test environmental parameter
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，
第 33 卷第 2 期 2015 年 3 月
海洋工程 THE OCEAN ENGINEEＲING
文章编号： 1005-9865（ 2015） 02-0077-07
Vol． 33 No． 2 Mar． 2015
混凝土联锁排应用于海底管线冲刷防护试验研究
张宗峰1，2 ，丁红岩1 ，刘锦昆2
（ 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）
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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。
ZHANG Zongfeng1 2 ，DING Hongyan1 ，LIU Jinkun2
（ 1． School of Civil Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China； 2． Sinopec Petroleum Engineering Co． ，Ltd． ，Dongying 257026，China）
δm
=
αH r'r
（ 1）
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：
α = (1 － λ)β
（ 2）
式中： λ 取 0． 78，为试验修正系数； β 为理论系数：
[ [ ] ] β
=
1
－
F( k) － E( k) k2 F( k)
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
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。
Abstract： Anti-scour protection is one of research focuses for subsea pipeline． There are various protective measures，one of which is the concrete interlocking mattress widely applied in beach bottom protection engineering with the advantage of good integrity and mechanization of construction． In this study，concrete interlocking mattress with geotextile is first applied in subsea pipeline anti-scour protection and its protection mechanism is analyzed． Based on the theoretical analysis，flume experiments were carried out and different scour protection effects for different water depths were compared． Moreover，geotextile filter effect was rerified． It can be concluded that concrete interlocking mattress with geotextile is an efficient protection form for subsea pipelines． Keywords： concrete slab interlocking mattress； subsea pipeline； stability thickness； anti-scour； safety against uplift
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
摘 要： 海底管道冲刷防护是海管研究的热点之一，混凝土联锁排具有整体性好、易于机械化施工等优点在保滩护底工程中
得到广泛应用。在易受意外荷载作用的近海冲刷区域，将“混凝土联锁排 + 土工布”防护型式引入海底管道冲刷防护中，针对
裸露或悬空海底管线，探讨混凝土联锁块的防护机理，开展室内水槽试验，选取不同水深工况对比冲刷防护效果并验证了土
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：
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