東海海底管道海流沖刷作用的影響因素探討

蔡春麟，張異彪，胡 斌，施 健

（中國(guó)石化集團(tuán)上海海洋石油局第一海洋地質(zhì)調(diào)查大隊(duì)，上海 201208）

東海海底管道海流沖刷作用的影響因素探討

蔡春麟，張異彪，胡 斌，施 健

（中國(guó)石化集團(tuán)上海海洋石油局第一海洋地質(zhì)調(diào)查大隊(duì)，上海 201208）

依據(jù)以往多次東海海底管道檢測(cè)成果資料，分析和探討了形成海流沖刷作用的各種因素，可以歸結(jié)為內(nèi)部海洋環(huán)境和外部環(huán)境變化兩大因素，以及這些因素可能對(duì)海底管道產(chǎn)生危害影響的程度，并總結(jié)了在長(zhǎng)期的海流沖刷作用下海管的空間狀態(tài)、海底受沖蝕的表現(xiàn)形式和海床沖淤變化，提出了今后檢測(cè)和維護(hù)工作的一些建議。

海底管道；危害因素；沖蝕形式；沖淤變化

在海洋油氣開發(fā)中，確保油氣田海底管道的安全使用一直是整個(gè)開發(fā)過程中的首要問題。由于海底管道涉及到使用年限、海水腐蝕和海流沖刷等不利因素的影響，同時(shí)還面臨船只拖錨、漁網(wǎng)漁具（或其它掉落物）和可能的沉船撞擊等破壞性威脅。因此，在使用和運(yùn)營(yíng)過程中，必須定期進(jìn)行檢測(cè)和維護(hù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)各種潛在危害因素，如海底管道懸空、管道下海底存在的淺層氣、斷層和滑坡等地質(zhì)災(zāi)害等，以防止這些災(zāi)害因素對(duì)管道的危害影響進(jìn)一步擴(kuò)大[1-3]。

本文主要依據(jù)歷年來多次在東海海底管道路由檢測(cè)中的成果，分析由海洋環(huán)境變化而形成的海流沖刷作用對(duì)海底管道的影響，探討海底管道空間狀態(tài)的發(fā)展演化規(guī)律，為海底管道維護(hù)工作提供必要的技術(shù)資料。

目前采用多種手段進(jìn)行海底管道路由檢測(cè)，包括：?jiǎn)尾ㄊ投嗖ㄊ鴾y(cè)深、聲納掃測(cè)和高頻淺地層測(cè)量等方法。其中，海底管道空間狀態(tài)數(shù)據(jù)主要從高頻淺地層剖面中直接提取，再結(jié)合聲納掃測(cè)資料，可以得到全面的海底管道路由數(shù)據(jù)[4]。

1 海底沖刷作用的影響因素

輔設(shè)海底管道時(shí)，一般是將管道放置于一定深度的槽溝（該槽溝預(yù)先開挖或者鋪管后用水射式開溝機(jī)形成）中，再通過人工掩埋或者自然沖淤，經(jīng)過一段時(shí)間海底沖淤作用后一部分管道可能仍然掩埋在海底之下，一部分管道則可能會(huì)裸露于海底。而有些管道輔設(shè)時(shí)并沒有挖溝，而是直接輔設(shè)于海床上。因此，海底管道的空間狀態(tài)是多種多樣的。對(duì)于長(zhǎng)距離海底管道來說，由于穿越多個(gè)海洋條件復(fù)雜的海域，隨著時(shí)間推移，在各種因素的影響下，不僅塑造了不同的海底地形地貌單元，也對(duì)各個(gè)區(qū)域的海底管道空間狀態(tài)產(chǎn)生了不同程度的危害影響，如受海流沖蝕有的管道從出露逐漸到懸空，最終造成管道失穩(wěn)而損壞。

檢測(cè)結(jié)果表明，影響海底管道空間狀態(tài)的因素是多方面的，但總的來說，可以歸結(jié)為內(nèi)部海洋環(huán)境和外部環(huán)境變化兩大因素。

1.1 內(nèi)部海洋環(huán)境

1.1.1 強(qiáng)潮區(qū)海流沖刷作用影響

東海海域受多種水動(dòng)力條件控制，流場(chǎng)復(fù)雜，水動(dòng)力作用活躍，沿海潮汐性質(zhì)受地形影響明顯。一般來說，外陸架潮差較小，向近岸海區(qū)逐漸增大，近河口海灣地區(qū)，由于潮波受到河道形狀及地形的影響，潮差變化較大。在近岸區(qū)、河口區(qū)或海底地形復(fù)雜區(qū)潮流特征多為往復(fù)流，流速?gòu)?qiáng)。

當(dāng)海底管道所在海域處于以沖為主的水動(dòng)力環(huán)境，而海底管道埋深又不足時(shí)，在波浪、海流的長(zhǎng)期、反復(fù)作用下，海底泥沙被沖走，淺埋海底管道逐漸裸露出海底，進(jìn)一步發(fā)展便呈懸跨狀態(tài)。這在近岸淺水區(qū)域表現(xiàn)得尤為突出，在所謂“波浪掀沙、潮流輸沙”的作用下，海底管道很容易裸露、懸空和破裂[5]。

1.1.2 海底地形影響

主要指在海底沖溝和地形轉(zhuǎn)折變化較大處，如地形由平緩變?yōu)榧倍?。這兩種地形由于海流較為集中而成為強(qiáng)沖刷區(qū)，往往是地層減薄和管道連續(xù)出露容易發(fā)生的區(qū)段。

1.1.3 海底沉積物影響

主要是指管道周圍土體性質(zhì)，在黏性土中管道一般能保持較穩(wěn)定的埋藏狀態(tài)，而在砂性土中則極易發(fā)生管道出露和懸空。特別是砂性土含水量高，在海底中不易凝結(jié)，抗沖能力弱，在強(qiáng)海流沖刷下容易起動(dòng)而懸揚(yáng)，而且容易發(fā)生液化而導(dǎo)致管道受到危害。

另外，在沙波發(fā)育區(qū)，潮流和波浪都對(duì)砂質(zhì)底質(zhì)影響很大，進(jìn)而改變海底管道空間狀態(tài)。

1.2 外部環(huán)境變化

1.2.1 臺(tái)風(fēng)影響

熱帶氣旋是東海最具災(zāi)害性的天氣過程，對(duì)海上油氣勘探和地質(zhì)調(diào)查都會(huì)帶來嚴(yán)重影響。影響東海的熱帶氣旋等級(jí)多為熱帶風(fēng)暴～臺(tái)風(fēng)。其發(fā)生和影響均具季節(jié)性特點(diǎn)，以7～9月為最頻繁月份。

在臺(tái)風(fēng)季節(jié)前后對(duì)海底管道的檢測(cè)結(jié)果大不一樣。在臺(tái)風(fēng)季節(jié)，由熱帶風(fēng)暴引起的風(fēng)、浪、流共同作用，不僅加強(qiáng)海流的往復(fù)運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度，更可直達(dá)近岸段海域的海底，擾動(dòng)海底沉積物，使之發(fā)生遷移，從而改變了海底地貌形態(tài)，也改變了海底管道空間狀態(tài)。

隨著臺(tái)風(fēng)的影響逐漸減小，海底底質(zhì)很難被起動(dòng)、搬運(yùn)，路由區(qū)海底將會(huì)呈現(xiàn)先沖后淤的動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，出現(xiàn)一種淤積大于沖刷的自然回淤環(huán)境，從而保持了管道狀況的相對(duì)穩(wěn)定。

1.2.2 人類活動(dòng)影響

人類活動(dòng)主要是指在管道路由區(qū)附近沿岸和海域的大型工程建設(shè)，包括近岸圍海工程、水上大型工程。這些人工工程在一定程度上改變了海區(qū)原來的水文地質(zhì)環(huán)境，引起海床大面積的侵蝕沖刷，如近岸工程建設(shè)時(shí)，在附近海域抽取大量海沙，局部海底形成深坑，隨后在海流的作用下，海底管道附近沉積物將搬遷、運(yùn)移，回填這些抽沙坑，導(dǎo)致了管道上方沉積物蓋層減薄。甚至在遠(yuǎn)處的人類活動(dòng)也會(huì)影響到海域環(huán)境變化，如三峽大壩的建成，使得輸入杭州灣的泥沙量日趨減少，導(dǎo)致灣口的沉積作用不斷減弱，從而相對(duì)增強(qiáng)了潮流對(duì)海底的沖刷侵蝕作用，造成了海底沖刷溝槽與沖蝕凹地等地貌形態(tài)發(fā)育。歷年來的沖淤變化趨勢(shì)與長(zhǎng)江入海輸沙量逐年減少有直接關(guān)系。

1.2.3 管道出露、沙包回填及挖溝影響

管道出露包括了管道相對(duì)于海底的正突起地形和管道兩側(cè)出現(xiàn)的槽溝地形。這兩者都將改變海流的沖刷方向和強(qiáng)度。在高突起的管道周圍常產(chǎn)生強(qiáng)烈紊動(dòng)的旋渦水流，而掀起管道周圍的泥沙。在長(zhǎng)期的沖刷作用下，管道與海底接觸的部位受到的沖蝕將進(jìn)一步加大，從而向淘空趨勢(shì)發(fā)展。

在回填區(qū)，與出露管道一樣，沙包形成了相對(duì)于海底的正突起地形，由于回填沙包的阻擋，旋渦水流將向兩側(cè)流動(dòng)，加大了對(duì)回填區(qū)兩端管道的沖蝕，并使之懸空。其對(duì)管道的危害是，不僅使受沖蝕沙包容易滑塌，而且使得非回填區(qū)的管道遭受更大的壓力——海流沖刷作用得以加大。

對(duì)于一些挖溝明顯區(qū)域，一方面挖溝兩側(cè)的高度不一，另一方面向下凹陷的溝槽也能導(dǎo)致旋渦水流的發(fā)生，從而加大對(duì)海底的沖蝕，最終使掩埋于海底的管道上覆物減薄。

綜上所述，無論是內(nèi)部海洋環(huán)境還是外部環(huán)境的變化，最終都體現(xiàn)在潮流對(duì)海底的沖刷強(qiáng)度上。由潮流（海流）引起的沖刷作用，將使海床表面形態(tài)發(fā)生變化，海底沉積物原來的平衡條件被打破而發(fā)生運(yùn)移，在管道附近底沙極易發(fā)生搬運(yùn)、侵蝕，導(dǎo)致管道受到?jīng)_刷掏空。

而在淺海區(qū)，特別是近岸區(qū)波浪作用也非常重要。波浪作用下也能造成海底管道周圍海床的沖刷，這是波浪、管道和海床三者之間的動(dòng)力耦合，在管道周圍產(chǎn)生旋渦流動(dòng)而發(fā)生泥沙流動(dòng)，可在管道周圍形成沖刷坑。

2 海流沖刷作用下海底管道的空間狀態(tài)

對(duì)于海底管道而言，其空間狀態(tài)有如下幾種：

2.1 掩埋狀態(tài)

掩埋深度在各區(qū)域由于海底地形或回淤程度不同而不同，有淺埋0～1 m的，也有深埋1～2 m的。一般來說，掩埋深度大于1 m以上者，該處管道相對(duì)處于穩(wěn)定狀態(tài)。

2.2 出露狀態(tài)

出露一般指管頂裸露于海底，而管底還掩埋于海底一定深度。管道直接輔設(shè)于海底或者原來淺埋管道上覆物逐漸減薄都會(huì)使管道出露。如果出露管道未得到外來沉積物的回淤，將很可能發(fā)展到管道懸空狀態(tài)。因此，對(duì)出露管道的監(jiān)測(cè)應(yīng)與海底沖淤趨勢(shì)結(jié)合起來。

2.3 懸空狀態(tài)

懸空是指管底已離開海底一定深度。管道懸空有多種表現(xiàn)形式（圖1）。懸空或出露很大的海底管道很容易在海流及海浪的作用下，產(chǎn)生渦激共振。由于渦激是一種高頻載荷，一旦這種振動(dòng)引起的動(dòng)應(yīng)力超過疲勞極限，管線就會(huì)在海管底部懸空最嚴(yán)重的部分產(chǎn)生應(yīng)力集中以至產(chǎn)生疲勞裂紋，從而造成海管斷裂，引發(fā)原油外漏等海上重大安全事故。

圖1 管道懸空狀態(tài)

2.4 回填狀態(tài)

當(dāng)檢測(cè)海底管道已懸空時(shí)，必須及時(shí)進(jìn)行回填沙包，以防止懸空進(jìn)一步加大，回填后的管道在一段時(shí)間內(nèi)將保持穩(wěn)定狀態(tài)。在檢測(cè)中，回填過的管道在檢測(cè)剖面中反射信號(hào)圖像十分清楚，其回填高度、寬度和長(zhǎng)度都可以確定（圖2）。

圖2 沙包回填后在海底的反映圖像

3 海流沖刷作用下海底表現(xiàn)形式

3.1 懸空海底沖溝

當(dāng)海底管道長(zhǎng)期受到海流沖刷作用或者局部流場(chǎng)發(fā)生變化時(shí)，管道下及其周圍海底容易發(fā)生沖蝕現(xiàn)象，在管道下、管道單側(cè)和兩側(cè)形成海底沖溝（圖3）。

3.2 回填沙包滑塌

當(dāng)一側(cè)海流作用增強(qiáng)時(shí)，海底受到?jīng)_蝕而形成沖溝，對(duì)于已經(jīng)進(jìn)行過沙包回填的管道，同樣是一種較大危害，由于沙包不斷滑失而導(dǎo)致管道重新處于懸空狀態(tài)（圖4）。

圖3 懸空管道下海底被沖蝕呈溝

圖4 沙包滑塌導(dǎo)致管道單側(cè)懸空

3.3 海底沖刷和挖溝痕跡長(zhǎng)期存在

在聲納掃測(cè)資料上，海流對(duì)海底的沖刷作用而形成的沖刷痕跡清晰可見，在強(qiáng)沖刷區(qū)，往往海底沖刷溝槽、凹地發(fā)育。有的還可見鋪設(shè)管道時(shí)挖溝痕跡，其深度有深有淺。在出露管道兩側(cè)，海底存在一定高差，其高差在幾厘米至幾十厘米之間。管道出露高度與海底兩側(cè)高差具有對(duì)應(yīng)關(guān)系，高差的大小可以判斷海流和潮流的沖刷和侵蝕作用強(qiáng)弱。

3.4 整體海床運(yùn)動(dòng)變化（沖淤對(duì)比）

3.4.1 由相鄰兩次檢測(cè)水深變化反映的沖淤演變

通過對(duì)比臺(tái)風(fēng)季節(jié)前后路由區(qū)海底水深變化，分析整體沖淤演變，從而判斷不同區(qū)域的海床運(yùn)動(dòng)變化情況。

圖5是從2009年下半年至2011年下半年來某區(qū)段共四次通過相鄰兩次檢測(cè)水深對(duì)比來反映的海底沖淤變化圖。從圖中可以看出，上半年海區(qū)為淤積環(huán)境，下半年為沖刷環(huán)境。

3.4.2 由管道出露與沙包回填對(duì)應(yīng)關(guān)系反映的沖淤變化

一般來說，在檢測(cè)中所確定的回填長(zhǎng)度，加上之后的維護(hù)回填長(zhǎng)度，應(yīng)該與下一次檢測(cè)所確定的回填長(zhǎng)度相當(dāng)（表1）。

圖5 相鄰兩次檢測(cè)海底沖淤對(duì)比（綠底色表示淤積，紅底色表示沖刷）

從表中可以看出，在同一區(qū)段內(nèi)，從2009年下半年至2010年下半年，其檢測(cè)回填加上之后的維護(hù)回填總長(zhǎng)度，與下一次檢測(cè)發(fā)現(xiàn)的回填長(zhǎng)度相當(dāng)吻合；而從2010年下半年至2011年下半年，其檢測(cè)回填加上之后的維護(hù)回填總長(zhǎng)度，與下一次檢測(cè)發(fā)現(xiàn)的回填長(zhǎng)度并不吻合，尤其2010年下半年與2011年上半年之間的回填長(zhǎng)度相差很大。這反映了該區(qū)段整體海洋環(huán)境在不同時(shí)間的差異：2009年下半年～2010年上半年，以沖刷為主，局部出現(xiàn)淤積；2010年上半年～2010年下半年，以沖刷為主，局部出現(xiàn)淤積；2010年下半年～2011年上半年，以淤積為主，且淤積程度較大，導(dǎo)致部分低回填區(qū)被覆蓋；2011年上半年～2011年下半年，以沖刷為主，回填區(qū)長(zhǎng)度增加。

表1 同一區(qū)段多次檢測(cè)前后回填長(zhǎng)度對(duì)比

檢測(cè)回填長(zhǎng)度與懸空長(zhǎng)度具有一定的正相關(guān)性，即當(dāng)回填長(zhǎng)度較大時(shí)，管道懸空也較大；回填長(zhǎng)度較小時(shí)，管道懸空也較小。大部分回填沙包在一定時(shí)間內(nèi)是穩(wěn)定的。在檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)的回填長(zhǎng)度也能反映出海底沖刷或淤積變化的情況。

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

歷年來多次檢測(cè)結(jié)果表明，影響海底管道空間狀態(tài)的因素是多方面的，包括海流、海底底質(zhì)、臺(tái)風(fēng)、海底障礙物（水上建筑物）以及管道自身等等。

在長(zhǎng)期的海流沖刷作用下，部分海底管道將經(jīng)歷：埋藏海底—淺埋—出露—臨界懸空—懸空—回填—出露—懸空這一演化過程。很顯然，推動(dòng)力量主要來自于內(nèi)在和外部海洋環(huán)境的變化，是一個(gè)綜合因素作用的結(jié)果。經(jīng)過定期檢測(cè)，基本能確定其長(zhǎng)期存在的、集中出露懸空的區(qū)域，即出露或懸空多發(fā)地段，這對(duì)檢測(cè)工作和維護(hù)工作都是有利的一面。

充分認(rèn)識(shí)到對(duì)海底管道存在危害影響的各種因素及產(chǎn)生的危害程度，進(jìn)一步分析海底管道空間狀態(tài)的發(fā)展變化規(guī)律，并在進(jìn)行維護(hù)工作時(shí)具有針對(duì)性，從而提高效率。

4.2 建議

（1）根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，加強(qiáng)對(duì)已知管道出露和懸空重點(diǎn)段的檢測(cè)和監(jiān)控，并及時(shí)進(jìn)行沙包回填維護(hù)，仍是一種直接而有效的方法。

（2）關(guān)注上覆地層減薄較大或較快的地方。（3）根據(jù)管道出露和懸空的特點(diǎn)，結(jié)合海流流向和沖刷作用，研究沙包回填工藝，盡量降低因高突起沙包對(duì)回填段兩端產(chǎn)生強(qiáng)海流沖刷，盡量避免在回填段產(chǎn)生渦流對(duì)海底的沖刷而導(dǎo)致沙包滑失沉陷，出現(xiàn)再出露和再懸空的現(xiàn)象。

（4）對(duì)于地形復(fù)雜和變化較大區(qū)段，有必要進(jìn)一步研究更為有效的、有針對(duì)性的防范措施，最終消除其對(duì)管道的危害影響，仍是未來一個(gè)重要的課題。

（5）繼續(xù)探索尋求科學(xué)有效、適合本區(qū)海底管道維護(hù)的方法。如對(duì)于檢測(cè)發(fā)現(xiàn)管道出露乃至懸空后的維護(hù)方法，大致有：支撐管道法，回填法，加壓載塊法，錨樁錨固定位法，砂被防沖刷法等等。這些方法是否實(shí)用，必須經(jīng)過試驗(yàn)和長(zhǎng)時(shí)間的觀察才能確定。但從長(zhǎng)遠(yuǎn)來說，可以選取某一重點(diǎn)段進(jìn)行試驗(yàn)，采用其中一種方法進(jìn)行維護(hù)，只要在臺(tái)風(fēng)季前后能夠保持較好的穩(wěn)定，就說明其能夠起到好的效果。

[1] 崔征科．海底輸油氣管道維護(hù)性檢測(cè)中的工程物探技術(shù)[J]．海洋石油，2006，26（2）：104-107．

[2] 李斌，楊文達(dá)，張異彪，等．海底管道的淺地層剖面圖上反射特征與判讀方法[J]．海洋測(cè)繪，2010，30（5）：56-58．

[3] 欒振東，范奉鑫，李成鋼，等．地貌形態(tài)對(duì)海底管線穩(wěn)定性影響的研究[J]．海洋科學(xué)，2007，31（12）：53-58．

[4] 蔡春麟，張異彪，顧兆峰．參量陣淺地層剖面技術(shù)在海底管道檢測(cè)中的應(yīng)用[J]．海洋地質(zhì)動(dòng)態(tài)，2007，23（4）：38-42．

[5] 楊文達(dá)，崔征科，張異彪．東海地質(zhì)與礦產(chǎn)[M]．北京：海洋出版社，2010．

Currents Scour Infuence of Submarine Pipeline

CAI Chunlin, ZHANG Yibiao, HU Bing, SHI Jian

（Marine Geological Party, Shanghai Offshore Petroleum Bureau, SINOPEC, Shanghai 201208, China）

On the basis of previous submarine pipeline survey results many times in the East China Sea, this article analyses and discusses the varied factors of cause current scour action, which can be divided into two major factors of the internal marine environment and the external environment change, and probably harm to the pipeline, and sums up the space condition of the pipeline, the sea foor form and the sea-bed erosion and deposition changes under the long-term current erosive, put forward some suggestions to inspection and maintenance of submarine pipeline.

submarine pipeline; harmful factors; erosion form; erosion and deposition changes

TE973.6

A

10.3969/j.issn.1008-2336.2013.04.096

1008-2336（2013）04-0096-05

2013-03-13；改回日期：2013-04-10

蔡春麟，男，1970年生，高級(jí)工程師，碩士，從事海洋地質(zhì)調(diào)查研究工作。E-mail：yanshi70@163.com。