海底管线淘空仿生防护技术试验研究

收稿 日期 ：０ １０ — ８ ２ １－４０ 基金项 目： 国家“ ６ ” 目“ ８３ 项 海底管线检测 与水 下结构物修复关键技术 ” 资助（ ０ １ Ａ ９ ３ ２１Ａ ００ ）
作者 简介 ： 杰（９８ ， ， 初新 １６ 一）男 山东东 营人 ， 高级工程师 ， 在读博士 ， 主要从事海洋工程 设计和试验研究 。 １ ９
现 ［ 同时 ， 洋 结 构 物 的 出现 ， 改 变 了水 流 的方 工费用等 问题无法解决 ，导致这一设想的实 际使用 ２ ］ 。 海 还 效 果并 不 理 想 。 向， 使之产生湍流和旋涡 ， 更加速了冲刷作用。
多年来 ， 海底冲刷及其 冲刷保护与控制技术 ， 一直 海底 冲刷 ，对海洋结构物的安全造成很大 的威 ７ 】 。 胁 。对于桩基平 台 ， 当桩周 围的土壤被 冲刷掉之后 ， 是各国海洋工程领域亟需解决 的重要研究课题之一ｒ
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０１ ｓ ， 验 地基 沙 即可起 动 ， ． ｒ 时 试 ４ｉ ｄ 这样 ， 据起 动 流 速
２ 海底 防冲刷 仿生技术的基本 原理
关键 词 ： 管线 ； 海底 防淘空 ； 生防护 ； 仿 物模试验
中图分 类号 ： Ｅ ８ Ｔ ５ 文献标识码 ： Ａ 文章编号 ：６ ２ ５ ５ ２ １ ）７ ０ １ — ３ １ ７ — ４ Ｘ（０ １ ０ － ０ ９ ０
胜 利 石 油 管 理 局 自 １７ ９５年 在 渤 海 湾 海 域 进 行
《 装备制造技术）０ １ ２ １ 年第 ７ 期
海底 管线淘 空仿 生 防护技术试验研 究
初 新杰 １ ． 。
（． １ 中国海洋大学 ， 山东 青 岛 ２ ６０ ；． ６０ ３２ 胜利石油管理局 钻井工艺研究 院， 山东 东营 ２７ １ ） ５０ ７
摘 要： 通过物模试 验研 究了海底 管线的冲 淘机 理和仿 生防护 的效果 ， 明仿 生植物 能有效起到 消波 、 证 减流和 固沙的 作 用。提 出的研 究思路 以及得 到的研究成果 ， 对解决胜利海 区粉 土地基 的冲淘防护难题 具有重要的参考价值。
海底防冲刷保护系统 ，是基于海 洋仿生学原理
确 定 的最小 试 验 比尺 为
Ａ ２
＝
（ ）１ ＝５ ： ４
１ 海底 冲刷 机理及 其防护措施
在海洋工程 中， 由于 波 浪 、 流 的作 用 而 造 成 海 水
些不怕冲刷的物体来阻止水下冲刷的发生。在实践 中， 这类方法虽然取得 了一定的防冲刷效果 ， 不过 由
于水下抛石、沙包 、混凝土沉排垫等固态物体的存
在， 同时也会导致海底 “ 二次 冲刷 ” 问题 的出现 。因 底 结构物底部及其附近海床 的泥沙运动 ，即为我们 此， 人们 曾设想采取 “ 疏导” 的办法 ， 来控制海底冲刷 通常所说 的海底 冲刷现象。根据海洋冲刷动力学原 问题网 。比如 ， 降低水流速度 、 改变水流方 向等 。早期 理分析 ， 海底冲刷的形成 ， 主要是 由于海洋结构物安 国外的研究者还尝试过采用某种水下粘滞阻尼装置 装在海 底之后 ， 打破 了原有水下流场 的平衡 ， 引起局 比如防冲刷 网 ）来控制海底结构 物的冲刷 ， 部水流速度加快 ，使正常流动 的水流形成一定 的压 的方式 （ 但 由于水下安装 和施 力梯度 ， 并构成对海底 的剪切力 ， 导致冲刷现象 的出 问题 ， 在具体海上工程应用 中，
பைடு நூலகம்
桩的摩擦 长度减少 ，承载力下降 ，在平台重力作用
勘探 以来 ， 经过 ２ ０多年 的不懈努力 ， 已建设数 十座 下 ， 桩和平 台会下沉 ， 不均匀下沉将导致平台结构损 各类大小 固定平台 ， 铺设 了海底管道 ， 原油产量 已从 坏以致倒塌 。对于 自升式平台 ， 当底部存在一层承载 １９ ９４年 的 ３ Ｏ万 ｔ 至 ２ ０ 升 ０ ２年 的 ２ ０万 ｔ ２ 以上 ， 上 力很大的薄砂层 ， 海 而下面又是承载力小 的软沙层 ， 则 油田成为战略资源接替 的重要战场。但是 ， 由于海上 可能由于冲刷而蚀 穿砂层 ，使平 台的一条腿 突然下 风浪 和潮流 的长期 冲淘作用 ，已经导致胜利滩海油 陷而导致平 台倾覆 。 对于海底管线 ， 冲刷会使管线外 田诸 多 海 底 管 线 的 基 础 出现 较 为严 重 的 冲淘 ，００ ２０ 露 ， 至 一 定 长度 的淘 空 ， 时 管 线 可能 会 因 波浪 和 甚 这 年 ７月 至 ９月 胜 利 油 田 ｚ 、Ｘ 、 Ｂ １ Ｃ １Ｄ、 潮 流 的 作 用 而破 坏 。在 北 美 墨 西 哥湾 和 欧 洲北 海 油 ｘ１Ｚ ２ Ｃ １Ｂ、 Ｂ １ Ｃ ６ Ｃ ２Ｂ等平 台处 海 底 油 管 周 围的典 型 冲 淘 深 Ｂ Ａ、 Ｂ ２ 气资源开发过程 中，就有不少因海洋 冲刷而造成海 度达 ２ ２ 输油管线悬空最大长度达 ３ ４ ， 洋结构物损坏 的事故实例 。 ～ ．ｍ， ５ Ｏ～ ０ ｎ ｉ 管线随着波浪运动来 回摆动【 １ ］ 。如果不采取有效 的冲 海底 冲刷与水 流（ 包括速度和方向 ） 及海床 特性 淘防护措施 ， 时间长 了， 管线有可能 因疲劳而发生断 （ 包括海底地形、 物质构成 ） 等因素有关 。 在海洋工 裂 ， 响平 台的正 常 生产 和造 成严 重 的海洋 污染 。笔 影 程实践中 ， 最为常见 的海底结构 物防冲刷措施有 ： 水 者通过试验研究了滩海油 田海底管线 的冲淘机理， 提 下 抛石 、 包堆 垒 、 沙 混凝 土沉 排 垫 ５ 】 是， 。但 上述 防 出了仿生防护技术措施 ， 探讨仿生防护的工程效果 。 冲刷方法 的主导思想都 是“ 截” 希望能够通过一 堵 ，