随着我国海上油气、海上风电开发力度的不断加大, 海底管线/电缆的铺设量也大大增加, 海底管线的维护和建设正处于一个重要的发展期。海底管线的广泛应用, 使得外动力作用下管线附近海床冲刷等问题引起越来越多的关注。特别是, 在海底波浪、潮流等多种因素的作用下, 海底管道底部的砂质海床局部时常会发生冲刷, 从而造成海管悬空, 给海底管线安全带来了巨大风险。出现悬空的管线段需要及时进行维护, 目前, 生产实践中经常采用的方法有抛石、土工布、挠性软管跨接、仿生水草等不同的管线防护技术^[1], 其中抛石方法由于成本较低、效果较好而经常被采用。人工抛石通过人工铺设砾石, 在底床上构建抗冲刷粗化层, 强化海底底床的抗冲刷能力, 制约海底底床冲刷的进一步发展, 能够对海底管线有效防护(图 1)。

在实际操作过程中, 由于砾石或石块抛放到底床表面后, 不可能是均一密实的, 会有细颗粒充填在粗颗粒的空隙中。而在不同水动力条件的作用下, 空隙中泥沙不断被输移, 下层泥沙加以补充, 这种反滤作用可能会导致底床高程下降。如果抛石颗粒太大, 即便抛石是均匀的, 也可能在抛石周围产生二次冲刷, 对底床的原始床沙的保护效果也会较差。目前, 利用抛石防护海底管线的方法得到了广泛使用, 但对抛石层稳定性影响因素的分析研究明显欠缺。为了能在实际工程中优化构建稳定的底床抛石粗化层, 使抛石方法以最优成本达到较好的防护效果, 本文以海南东方岸外海域为例, 根据工区实际, 合理选择抛石粒径, 同时对影响抛石粗化层稳定性的因素进行了分析和讨论, 并给出构建稳定粗化层的合理建议。期望能为实际海底管线抛石防护方法的高效优化利用提供科学依据。

1 研究区域环境概况 1.1 海床地质特征

东方岸外海域位于海南岛西岸, 北部湾东南部, 该海域远岸海区海底地形变化迅速, 近岸区域海底地貌广泛发育^[2], 沉积物较粗, 多为粗砂质沉积物; 远岸区域海底相对平坦, 发育麻坑等地貌, 沉积物较细^[3]。与活动型地貌(如沙波等)广泛发育的区域相比, 由于物源供应有限, 细粒海底沉积物覆盖的区域在短期受到强侵蚀之后难以自我修复, 更容易造成海底管线路由的悬跨风险。本文选取的研究区域位于海南岛岸外的远岸区, 水深30~60 m, 海底地形较为平坦, 沉积物多为细粒沉积物。

1.2 气象特征

根据东方海洋站资料, 研究区平均气温24.7℃, 受热带季风控制, 季风特征明显, 每年10月至翌年3月盛行东北风, 5~8月盛行偏南风。冬季汉朝大风及夏季热带气旋或台风等灾害性天气频繁发生。资料显示, 1954~1973年, 风力大于8级的强冷空气年平均为5.8次; 1945~1994年出现热带气旋年平均4.16次^[3]。

1.3 水动力条件

研究区东方岸外海域潮汐超差最大可以达到3.5 m^[4]。潮流以南北往复流为主, 涨、落潮流分别为北向和南向。实测资料表明近岸表层流速最大可以达到1.4 m/s, 远岸的底床流速也可接近0.7 m/s^[5]。波高和波向、周期的联合分布统计结果表明, 海南东方外岸附近海域经常出现的是波高≤1.2 m, 周期在2.1~4.0 s的波浪, 最大波高为4.2 m, 出现月份在10月份。东方气田点附近海域经常出现的是波高≤1.2 m, 周期在3.1~5.0 s之间, 最大波高为9.3 m, 出现在8月份^[6]。

2 泥沙起动判别标准及计算方法

泥沙起动是指泥沙由静止状态转为运动状态时的临界状态。在对泥沙起动临界条件的判定标准并不统一, 其中1935年的Kramer标准最为著名^[7], 他在针对非均匀沙, 把推移质运动分为4个阶段, 即无泥沙运动、弱动、中动及普动。在我国, 窦国仁^[8]也提出了与Kramer推移质泥沙运动3种状态相对应的起动概率:即个别起动、少量起动及大量起动, 其相应的起动概率分别为0.013 5、0.022 7及0.159。关于泥沙起动标准, 主要有3种, 即起动流速、起动功率、临界切应力, 何文社等^[9]将泥沙起动的判别标准分为概率标准、颗粒数标准、输沙率标准、可动层标准, 对不同的起动标准进行了分析, 认为泥沙的起动标准应同时考虑水流条件及颗粒在床面的位置。他采用泥沙颗粒沿床面滚动的模式, 推得了非均匀沙起动临界无因次切应力公式^[10]。唐造造等^[11]对非均匀泥沙起动标准作了比较, 建议以推移质输沙率标准或取样标准作为非均匀沙的起动标准。

考虑到紊动对泥沙起动的影响, 则起动拖曳力作为一个临界指标, 较起动流速为优^[7]。Soulsby临界希尔兹参数为${{\theta }_{\text{cr}}}=\frac{\text{0}.\text{3}}{\text{1}+\text{1}.\text{2}{{D}_{*}}}+\text{0}.\text{055}\left( \text{1}-\text{exp}\left( -\text{0}.\text{02}{{D}_{*}} \right) \right)$^[12], 根据Meyer-Peter公式及Einstein公式所导出的起动条件, 起动拖曳力分别相当于θ_cr=0.047和0.037^[7], 当θ > θ_cr时, 认为泥沙颗粒处于起动状态。由于Meyer- Peter推移质公式是建立在大量试验资料的基础上的, 在应用到粗颗粒上把握性更大一些, 因此Meyer- Peter公式曾在欧洲得到广泛应用, 而且一般能给出令人满意的结果^[7]。本文选择Meyer-Peter导出的起动剪切力(θ_cr=0.047)作为判别标准。

在本研究中, 无量纲希尔兹参数分别按下面的表达式计算:

式中, θ为无量纲希尔兹参数; D₅₀为中值粒径; ρ_w为海水密度, 取1 025 kg/m³; ρ_s为沉积物密度, 取2 650 kg/m³; τ_w为波浪底床剪切应力; τ_c为潮流底床剪切应力; τ为浪流联合作用产生的底床剪切应力; ϕ为波浪和潮流方向夹角; u_b为波浪近底轨道速度; u_c为垂线平均流速; h为水深; g为重力加速度。

3 抛石粒径的选取

将研究海域最经常出现的波浪范围作为正常天气中的常浪条件, 取波高1.2 m, 周期5 s, 假设波流同向, 最大潮流流速1.5 m/s。计算得到常浪条件下能够起动的泥沙粒径。结果表明, 常浪条件下在水深30~60 m深处沉积物的起动粒径较小(0.535~0.615 mm), 同时起动粒径的变化也很小。由于一般情况下人工抛石的颗粒粒径较粗(> 2 mm), 研究区的常浪条件不能起动大于2 mm的颗粒。水深较深时常浪对海底底床泥沙的影响较小, 常浪条件对人工抛石产生的粗化层的影响不大。

东方岸外海域经历灾害性极端天气条件(台风和强寒潮)时, 假定该海域的波浪最大有效波高为8 m, 周期为11.2 s, 波浪传播方向与潮流方向同向, 最大潮流流速为1.5 m/s。若底床平整且不考虑黏性作用, 表层沉积物的希尔兹参数大于临界值(θ_cr > 0.047)时, 沉积物就能够被假定水动力条件起动。因此根据公式计算获得了抛石的临界中值粒径(表 1), 抛石若大于此值则认为其能够抵御假定极端天气条件的冲刷。结果表明, 水深为30 m时, 极端浪流可以起动30.33 mm的泥沙, 水深为60 m时则能起动3.99 mm的泥沙。随着水深的增大, 起动粒径非线性变小, 水深越浅, 起动粒径也增大得越明显。由此可见, 极端条件下波浪对海底的作用显著, 与常浪时相比, 起动粒径急剧增大, 即需要更大的抛石才能起到防护作用。

人工抛石并非由均一颗粒构成。孙志林等^[13]根据试验资料, 将粗化层完全破坏形式下的最大粒径作为稳定粗化层沉积物的临界起动粒径。但是试验表明, 并不是粗化层最大粒径起动时粗化层就被破坏。实际上, 粗化层遭受破坏时所需要的流速一般比粗化层中沉积物平均粒径的起动流速还要大。因此, 随着粗化层沉积物粒径的增大, 抵御能力会增加得更加显著, 即破坏粗化层所需的流速增大更明显^[14]。Chin等^[15]对不同床沙组成条件进行了一系列的水槽试验, 研究粗化层随剪切力增大的演变到破坏的过程, 研究了临界粗化层具有最大粒径为中值粒径1.8倍的组成特点。利用这一组成特点(D_max=1.8D₅₀)得到临界粗化层中的最大颗粒粒径(表 1)。如果人工抛石颗粒直径大于临界粗化层的中值粒径, 抛石层的临界剪切力也会相应增加, 因此能够抵抗更强水动力条件的冲刷。由此可见, 计算得到的泥沙粒径能够抵抗假设极端条件的冲刷。

4 粗化层稳定性影响因素 4.1 隐蔽暴露效应

对于人工抛石产生的粗化层, 颗粒的暴露程度是决定其起动条件的重要参数。实际操作中, 抛石可能是不均一的。人工抛石覆盖在细粒泥沙上之后, 细粒泥沙颗粒会充填到粗颗粒之间的空隙中。此时粗细颗粒的相互影响将改变细颗粒沉积物颗粒的临界起动条件。Wilcock^[16]研究了自然沉积物的临界剪切力, 认为双峰组分沉积物中两个组分的起动条件不同。相比细颗粒, 底床上的粗颗粒暴露程度更大, 起动所需的剪切力变小; 而细颗粒则被较大颗粒遮挡, 起动所需的剪切力增大。由于粗颗粒的保护作用, 细粒泥沙所需要的临界起动应力比均一粒径泥沙大, 而粗颗粒则比均一粒径时要小。Van Rijn^[17]根据Egiazaroff的研究给出了隐暴系数的表达式:

图 2显示了水深40 m和60 m条件下混入不同大小抛石后隐蔽暴露效应对不同粒径颗粒临界剪切力的影响。在水深40 m条件下混入粒径为13.98 mm的抛石, 发现小于该粒径的沉积物颗粒的临界剪切力开始受到隐蔽暴露效应的影响, 粒径越小的颗粒, 受到的影响越明显, 也即是说, 在抛石的阻挡下, 起动小颗粒沉积物需要更大的剪切力, 粒径越小的颗粒越难以被起动; 而大于该粒径的沉积物颗粒则未受到明显影响。同样, 在水深60 m条件下, 假设混入了粒径为3.99 mm的抛石后, 小于该沉积物的颗粒也明显受到了隐蔽暴露效应的影响。通过隐暴系数的修正, 可以看出由于隐蔽暴露效应, 人工抛石与自然沉积物颗粒粒径相差越大, 人工抛石的隐蔽暴露效应越明显; 随着颗粒粒径的减小, 细颗粒的临界剪切力增大得越显著, 这意味着在抛石的阻挡下细粒沉积物越难以被冲刷。

4.2 粗化层内部砂组分百分比

人工抛石层形成的粗化层中砾组分、砂组分的活动性与砂组分的占比有关。对于砂组分和砾组分来讲, 组分内部不同粒径泥沙的输运率的差异要小于组分间的差异^[18]。Kuhnle^[19]用双峰组分的砂砾混合物(砾组分百分比分别为10%、25%、40%)作试验, 发现随着砾组分的增加, 砂颗粒的活动性没有太多的改变, 但是砾石的活动性迅速下降, 当底床沉积物趋向于双组分时, 砾石显示微弱的选择性输运, 而砂颗粒则表现出相同的活动性。Wilcock^[18]研究了砂的含量对沉积物输运的影响, 提出了砂-砾双峰组分的输运模型, 并给出无量纲希尔兹参数与砂的含量的关系, 认为砂组分不仅控制了输运过程中可供砾石和砂的量, 也影响两种组分中沉积物颗粒的活动性, 砾石和砂组分中颗粒粒径的差异程度影响砂组分的起动过程。当砾组分和砂组分的粒径差别(D_g/D_s)较大时, 受到较大颗粒的隐蔽作用, 砂组分颗粒起动所需的剪切力更大, 更加难以搬运。

事实上, 砂组分百分比也影响了不同组分的起动条件, 进而将影响粗化层的稳定性(图 3)。图 3显示当砂组分百分比大于30%时, 砾组分临界希尔兹参数未受明显影响; 当砂组分百分比小于30%时, 砾组分临界希尔兹参数也随之增大, 说明砾组分越来越难以被起动。进一步考虑砾和砂粒径差异下的砂组分对砂组分临界希尔兹参数的影响, 发现当砂组分百分比大于30%时, 砾砂组分的相对含量对砂质颗粒的临界希尔兹参数没有明显影响, 砂颗粒和砾颗粒的相对大小也未影响砂组分的临界希尔兹参数(图 3)。而当砂组分百分比小于30%时, 砾组分颗粒粒径较砂颗粒粒径越大, 砂质颗粒的临界希尔兹参数也随之急剧增大, 这是由于粗颗粒的隐蔽作用导致砂颗粒难以被起动。因此, 砂组分将影响其颗粒的稳定性, 同时也影响了粗化层的稳定性。(1)当粗化层中砂组分较少时(f_s < 10%), 底床表层主要由砾石等粗颗粒组成的骨架结构组成, 由于没有充足的泥沙颗粒, 细颗粒泥沙可以很好地隐蔽在砾石间的空隙中。如果泥沙颗粒足够小, 可以沉降至更下层砾石中使得水流不能将其冲刷^[18]。此时细粒泥沙的输沙率很小, 粗化层较为稳定。当f_s增大时, 其主要结构仍会由砾石和粗颗粒构成, 但是空隙中会充填泥沙。(2)当10% < f_s < 30%时, 空隙充填基本完成, 移动的细砂颗粒可能在表层聚集成小的碎片, 从而减小隐蔽暴露效应的影响, 使得颗粒更易发生输运。而细颗粒泥沙的充填和部分覆盖会导致粗化层内组分级配发生较大变化, 细粒泥沙容易被冲蚀, 此时可能发生反滤现象导致底床高程降低。细粒组分快速增多时, 粗颗粒的直接接触会减少。(3)当f_s > 50%时, 底床表层主要结构由细颗粒组成, 泥沙变得容易起动, 且混合较为均匀的沉积物会在近乎相同的剪切力下发生输移, 此时泥沙输沙率与均匀颗粒相似, 表现出相近的活动性。粗化层此时起不到保护作用, 不能阻止原始床沙的大量输移, 而且自身也很容易发生破坏。f_s由0增大至30%, 砂组分的临界希尔兹参数则减小了90%。这也意味着, 当f_s > 30%时, 细颗粒和粗颗粒都变得更加容易被冲刷, 从而减弱抗冲刷能力。

4.3 粗化层级配、厚度和覆盖百分比

粗化层的级配是决定粗化层是否稳定的关键, 粗化层厚度和覆盖百分比也可以用来表征冲刷粗化层的稳定性。最大粒径是粗化层的一个重要参数, 床面表层形成稳定粗化层需要一定量的较大颗粒产生的骨架作用^[20]。当床表面泥沙大约有65%为不动粗颗粒时, 粗化层便告形成, 而不必全部由粗颗粒所覆盖。实验也表明, 当覆盖层百分比达到70%时, 输沙率为0^[13]。对于粗化层内部颗粒来讲, 不同粒径组分的含量越均匀, 粗化层破坏所需要的临界剪切力越大, 对水流的抗冲能力也越强^[20]。缺少中等粒径的床沙可以形成粗化层, 但较大粒径间的空隙粗砂很难有效充填, 需要较大粗化层厚度, 且对下层原床沙的保护效果较差^[15]。一般来说, 粗化层厚度越大, 则抵抗水流冲刷的能力越强。但是对于粗化层厚度的选取, 并没有统一的认识。孙志林将活动层厚度近似地取床沙最大粒径的1~1.5倍^[13]。Niekerk等^[21]根据海底活动层对水流的敏感度实验, 把活动层厚度表示为底应力的函数: ${{T}_{\text{a}}}=2{{D}_{50}}\frac{\tau -{{\tau }_{\text{c}}}}{{{\tau }_{\text{c}}}}$, 式中τ为潮流底应力。

研究区形成的粗化层中人工抛石的中值粒径不应小于计算得到的结果, 粗化层厚度也应大于活动层厚度。根据工区极端天气条件计算得到的稳定粗化层最大粒径(表 1)选择抛石的大小, 同时也应选择适量中等粒径加以补充, 使粗化层空隙减小, 可以增大其抗冲能力, 增强其对原始床沙的保护。按照孙志林的近似结果, 粗化层厚度应至少为1.5倍的最大粒径。因此, 对于假设极端条件, 按照1.5倍的最大粒径计算粗化层厚度, 则35、40、45、50、55、60 m水深的抛石层厚度应至少为80.9、54.6、37.7、26.8、19.4、14.3、10.8 mm。

5 建议

抛石构建的粗化层在水下经过不同水动力条件的作用, 粗化层的级配会发生改变, 导致其内部颗粒的活动性发生改变, 进而影响粗化层的稳定性。在实际施工过程中, 应着眼于人工构建粗化层的稳定性和持久有效性, 因此, 为了保证抛石形成稳定粗化层, 在抛石维护管线时, 应注重抛石级配的合理选择, 在施工过程中则要保证覆盖百分数和粗化层的覆盖厚度。

抛石构建稳定粗化层的实质是对临界粒径的选取, 及对细粒组分的有效控制。以本文为例, 计算所得最大粒径可以抵御东方岸外海域绝大部分台风等极端条件对底床的冲刷, 如果能够在施工过程中注意抛石中不同组分的含量, 特别是降低砂组分的含量, 则可以构建较为稳定的粗化层, 达到良好效果。而实际工程应用中, 可以通过两种方式降低粗化层中砂组分的占比:第一是选择好砾石级配, 增加适量中等粒径颗粒, 使抛石尽量密实, 砾石之间的空隙变小; 同时增加砾石层厚度, 保证水流不能冲刷底层床沙。另一种方法是减小下层细沙的供应, 可以先铺放较小颗粒的砂砾层, 然后在细砂砾层上面再抛放较大砾石, 使得较大砾石空隙中的泥沙被输移后, 避免下层泥沙不断补充导致底床高程下降。

6 结语

抛石方法是海底管线维护中经常采用的方法, 而目前对抛石维护的机理和影响因素的研究并不多见。本文以临界切应力作为判别标准, 计算得到临界粗化层的中值粒径, 分析了影响粗化层稳定的不同因素, 对人工抛石构建粗化层的工程实施提出了建议。以东方岸外为例, 对抛石颗粒选择和抛石粗化层稳定性影响因素的分析对工程实践具有指示意义。

东方岸外常浪条件下起动粒径较小, 认为常浪条件对较粗抛石颗粒构成的粗化层影响不大。极端条件起动粒径则显著增大, 将计算得到的起动粒径作为临界粗化层的中值粒径, 能够抵抗假设极端条件的冲刷。粗化层稳定性受隐蔽暴露效应、砂组分占比、粗化层级配、厚度及覆盖百分比的共同影响。抛石颗粒可以根据计算结果来选择, 并搭配适量中等粒径, 粗化层厚度应至少为最大粒径的1.5倍, 抛石粗化层则至少需要覆盖原始床沙的65%。抛石构建的粗化层粗细颗粒混合后, 细颗粒在粗颗粒的隐蔽下变得不容易起动, 粗颗粒则相反; 当粗化层中的砂组分的占比变化时, 粗化层内不同组分的活动性也有显著变化。当f_s由0增大至30%, 砾和砂的临界希尔兹参数均减小了90%, 当f_s > 30%时, 细颗粒和粗颗粒都变得更加容易被冲刷。

抛石构建稳定粗化层的实质是对临界粒径的选取, 及对砂组分的有效控制。在实际施工过程中, 应着眼于人工构建粗化层的稳定性和持久有效性, 因此, 为了保证抛石形成稳定粗化层, 在抛石维护管线时, 应注重抛石级配的合理选择, 在施工过程中则要保证覆盖百分比和粗化层的厚度, 可以粗细混合铺设或分层铺设以构建稳定粗化层。