波浪對(duì)管線的作用

1、影響海底管道安全因素管君陽(yáng) 51082601024海底管線是一種經(jīng)濟(jì)、高效的近海油氣輸送設(shè)施，在海洋石油工程中應(yīng)用非常廣泛。海 底管線的液化失穩(wěn)問(wèn)題是海底管線設(shè)計(jì)中需考慮的關(guān)鍵問(wèn)題之一。波浪在傳播過(guò)程中，會(huì)在 海床表面引起周期性的波壓力。這種周期性的波壓力作用會(huì)在海床中引起超靜孔隙水壓力及 腿且道絲座立，改變了海床中的應(yīng)力分布。海線亦會(huì)對(duì)其附近海床中的超靜孔隙水壓力及附 加有效應(yīng)力產(chǎn)生影響，使海分布更加復(fù)雜，最終可能使海床發(fā)生變形、剪切破壞及液化等現(xiàn) 象，導(dǎo)致海床的失穩(wěn)破壞。因此，研究波浪一管線一土體的相互禍合作用具有十分重要的理 論意義和工程實(shí)用價(jià)值。海流作用對(duì)海底管線穩(wěn)定性的影響海流對(duì)管線

2、穩(wěn)定性的影響主要是通過(guò)其對(duì)海底沉積物的作用。尤其是當(dāng)管線周圍 土體主要是非粘性土?xí)r，海流作用將會(huì)導(dǎo)致土體被沖蝕，進(jìn)而影響管線穩(wěn)定。水流對(duì)沉積顆粒的作用力主要用Sh ields參數(shù)表達(dá)：9 = Tp (s 1) gd式中，T為施加于顆粒上的剪應(yīng)力；P為海水密度;s = Ps / P為顆粒相對(duì)密度;g為重力加速度;d為顆粒直徑。T由海流的粘滯力和壓力梯度2部分組成。對(duì)于相對(duì)穩(wěn)定的海流，剪 應(yīng)力T可以由下式計(jì)算得出：T= 1 PfU 22。式中，fc為摩擦系數(shù);U為平均流速。當(dāng)9的值超過(guò)臨界Sh ields參數(shù)9 cr時(shí)，沉積顆粒開始起動(dòng)。對(duì)于完全紊流，9 cr為常數(shù)，約為0. 06。在相對(duì)穩(wěn)定的海

3、流作用下，直徑為D的管線所受的作用力為:F = 2 pCDDU / U /F = 2 pCDU 2式中，F(xiàn)x代表水平分力，稱之為拖曳力；F代表垂直分力，稱之為上舉力；CD和CL分別 為拖曳和上舉系數(shù)。當(dāng)管線所受的拖曳力滿足下式時(shí)管線可發(fā)生移動(dòng)：F r (W F )式中，口為管線與沉積物間摩擦系數(shù)；管線的水中自重可用下式計(jì)算：兀W = gp (s 1) D 2p 4式中，SP為管線的比重。用傳統(tǒng)方法計(jì)算得到的使管線發(fā)生移動(dòng)所需的流速 與使沉積顆粒發(fā)生起動(dòng)的流速比 較，前者約比后者大一個(gè)數(shù)量級(jí)左右1 ,所以在管線發(fā)生移動(dòng)之前，其周圍沉積顆粒早已失 穩(wěn)。海流通過(guò)對(duì)管線周圍土體顆粒的沖蝕，使管線暴露、

4、懸空，進(jìn)而導(dǎo)致管線失穩(wěn)。波浪作用對(duì)海底管線穩(wěn)定性的影響波浪對(duì)海底沉積物的作用很早就引起了人們的關(guān)注。Sleath (1994) 2 提出了一個(gè)表征波 浪對(duì)沉積物作用的參數(shù)S :S =Mg (s -1)式中，0代表波浪的軌跡速率；冬代表波浪的循環(huán)頻率;Sleath參數(shù)S的本質(zhì)是波浪 作用在海底沉積物上的慣性力與沉積物自重的比率。波浪運(yùn)動(dòng)的Sh ields參數(shù)為：1何口 220g (s -1) dd_式中，可為波浪與沉積物間的摩擦系數(shù)。Sou lsby (1997) 3 認(rèn)為，f 為A的函數(shù):A -0.52 件g萬(wàn))將上3式合并，可得出波浪作用下泥砂起動(dòng)的臨界S值:dS = 29cr cr A波浪

5、對(duì)海底管線作用力的數(shù)學(xué)模型很多，目前應(yīng)用較多的是Mo rison方程，表達(dá)形式 如下：一 1_,，兀切F = 2 pC D / 日 / + pC D 2-0-F = pC Du 2z 2 L0式中，垂向分量F向上為正;d為管線直徑;p為海水密度;CD CL CM為相關(guān)系數(shù)。在計(jì)算波浪對(duì)管線水平方向作用力七時(shí)，將此等式右側(cè)分為2項(xiàng)，第一項(xiàng)表示拖曳力，主要為粘 性阻力和壓差阻力;第二項(xiàng)表示慣性力，也就是流體加速流動(dòng)時(shí)對(duì)管線的作用力4 。在計(jì)算七的等式中，當(dāng)A /d較大時(shí)，第一項(xiàng)“拖曳力”起主要作用;當(dāng)A /d較小時(shí)，第二項(xiàng)“慣性力”起主要作用。波浪作用下管線的Sleath參數(shù)為：H 0（t）g （

6、S；_1）Dam gaard 1 假定H0的擺動(dòng)變化是單頻和正弦的，在慣性力為主的條件下，當(dāng)管線的S值超S過(guò)臨界p時(shí)，管線失穩(wěn)，即：S = H / CMWilkinson和Palmer 5 ,對(duì)管線承受的波浪作用力進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)，得出當(dāng)A/d的值 接近1. 5時(shí)，CM值的范圍為25,由此得出管線發(fā)生移動(dòng)的臨界Sp的值為0.10. 3。 近似地，當(dāng)拖曳力為主時(shí),Damgaard 1】提出下式：2（CA（7D+CL）R 0.6 AD當(dāng)S值超過(guò)S p時(shí)，管線失穩(wěn)。Damggard 1 在假定D/d為3000時(shí)，以A/d和%為主要參數(shù)分析了海底失穩(wěn)過(guò)程 認(rèn)定 慣性力與拖曳力二者誰(shuí)取主導(dǎo)作用的分界線為A

7、 /d = 104。周期性的波浪荷載作用會(huì)影響海 底土的抗壓與抗剪能力，海底土的臨界七值遠(yuǎn)比管線值低。李玉成等6 研究了圓柱周圍的速度矢量場(chǎng)（圖1） , G/D為有限元網(wǎng)格間隙比。從圖1可看出，管線周圍發(fā)生繞流，流場(chǎng)相對(duì)集中。表明管線周圍土體受波浪應(yīng)力較為 集中，加速了土體的侵蝕，從而影響了管線穩(wěn)定性。另外，重力波的存在，將會(huì)增加直接作用 在管線和沉積物上的水力荷載，進(jìn)而影響海底土的抗壓和抗剪能力。圖1圓柱周圍速度矢量場(chǎng)管線周圍土體性質(zhì)及液化發(fā)生對(duì)管線穩(wěn)定性的影響管線下部的土體作為持力層，需能承受管線自重，并且對(duì)管線的橫向移動(dòng)產(chǎn)生阻力。因 此周圍土體的力學(xué)性質(zhì)對(duì)管線的穩(wěn)定性影響較大。尤其是海底

8、表層土多為砂土在受到波浪 海流的振動(dòng)荷載作用下，可能會(huì)發(fā)生液化，自身承載力喪失，導(dǎo)致管線下沉或橫向移動(dòng)。如 果土體受波浪、海流侵蝕嚴(yán)重，甚至?xí)?dǎo)致管線懸空，對(duì)其穩(wěn)定性構(gòu)成嚴(yán)重威脅。3. 1 土體對(duì)管線的極限承載力鋪設(shè)在海底的管線，會(huì)因其自重作用而部分沉入土中，直至承重土體對(duì)管線產(chǎn)生足夠的 支撐能力，此時(shí)土體達(dá)到極限平衡狀態(tài)。海底土的極限荷載的一般公式： p = 2 rbN + cN + qN式中，pu為海底土極限荷載(kPa) ; r為管線下海底土的天然重度(kN/m 3) ; c為管線底面以 下地基土的粘聚力(kPa) ; q為管線的旁側(cè)荷載，其值為管線埋深范圍土的自重壓力(kPa);Nr,

9、 Nc , Nq為海底土承載力系數(shù)，為摩擦角甲的函數(shù)，可查有關(guān)圖表確定。影響土體極限荷載的因素很多，主要包括：(1) 土的物理力學(xué)指標(biāo)土的物理力學(xué)指標(biāo)很多，與土體極限荷載有關(guān)的主要是土的強(qiáng)度指標(biāo)中，c和密度指標(biāo)r。凡土體的甲,c, r越大，則極限荷載Pu相應(yīng)也越大。其中土的內(nèi)摩擦角甲值的大小，對(duì)極限 荷載影響最大。荷載作用方向若荷載為傾斜方向，傾斜角越大，則相應(yīng)的傾斜系數(shù)越小，因而極限荷載Pu也越小，反之則 大。傾斜荷載為不利因素。荷載作用時(shí)間若荷載作用時(shí)間很短，如地震荷載，則可使極限荷載提高；如管線周圍土體為粘土，可塑性較 高，在長(zhǎng)期荷載作用下，可使土產(chǎn)生蠕變降低土的強(qiáng)度，即極限荷載降低。3

10、. 2 土體對(duì)管線的橫向阻力放置在海底表面的管線受波、流等橫向荷載作用會(huì)對(duì)管線的穩(wěn)定性帶來(lái)影響。為保持 管線穩(wěn)定，土體需要產(chǎn)生足夠的阻力來(lái)抵消波、流產(chǎn)生的橫向荷載。土對(duì)管線的橫向阻力一 般認(rèn)為由兩部分組成，一部分是土與管線界面的摩阻力，一部分是土在管線橫向擠壓作用下 產(chǎn)生的被動(dòng)土壓力。管線與土體之間的摩阻力大小主要取決于兩者之間的摩擦系數(shù)摩擦系 數(shù)大小隨土體類型變化而不同，一般砂土的摩擦系數(shù)為0. 700. 40,粉質(zhì)粘土的摩擦系數(shù) 可取0. 550. 25,對(duì)于粘土一般取0. 600. 25 7 。土體與管線之間的被動(dòng)土壓力的計(jì)算一般依據(jù)如下公式：P = rzK + 2cJK式中，Pp為被動(dòng)

11、土壓力(kPa) ; r為土體的天然重度，在水下需用浮容重(kN/m 3) ; z為管線的埋設(shè)深度(m ) ; KP為被動(dòng)土壓力系數(shù)，KP = tg (45 +中/2) ; c為土的粘聚力(kPa)。如果土體為非粘性土，則計(jì)算被動(dòng)土壓力式(15)僅取第一項(xiàng)即可。由式(15)可見(jiàn)，影響 土與管線之間的被動(dòng)土壓力大小的因素主要為埋設(shè)深度與土的強(qiáng)度指標(biāo)和密度指標(biāo)。3. 3 土體液化對(duì)海底管線穩(wěn)定性的影響海底表層土多為砂或粉土，兩者主要是單粒結(jié)構(gòu)，處于不穩(wěn)定狀態(tài)。在地震或波浪海流 的循環(huán)荷載作用下，疏松不穩(wěn)定的砂粒與粉粒移動(dòng)到更穩(wěn)定的位置海底表層土多為飽和狀 態(tài)，土孔隙完全被水充滿，在地震或波浪的循環(huán)

12、荷載作用下，土中的孔隙水無(wú)法快速排出， 砂粒與粉粒被孔隙水漂浮。此時(shí)土體的有效應(yīng)力為零，喪失承載力。當(dāng)海底土體發(fā)生液化時(shí), 如果管線的比重大于液化土的比重則管線會(huì)下沉，否則管線會(huì)懸空，有發(fā)生斷裂的危險(xiǎn)。 海底土的液化判別可分為“兩步判別”，即初步判別和標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)判別。凡經(jīng)初判劃為不 液化或不考慮液化影響，可不進(jìn)行第二步判別，以減少勘察工作量。當(dāng)海底土滿足以下條件 之一時(shí)，可初步判別為不液化或不考慮液化的影響8】：地質(zhì)年代為第四紀(jì)晚更新世(Q 3)及其以前時(shí)，可判為不液化土；粉土的粘粒(粒徑小于0. 005 mm的顆粒)含量百分率，在地震烈度7度、8度、9 度分別不小于10, 13, 16時(shí)，可判為不液化土。當(dāng)初步判別認(rèn)為需進(jìn)一步進(jìn)行液化判別時(shí)，應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)判別法。在海底以 下15 m深度范圍內(nèi)的液化土應(yīng)符合下式要求：N63.5 七-3N = N 0.9 + 0.1(d - d )； P c式中，N63.5為飽和土標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)實(shí)測(cè)值(未經(jīng)桿長(zhǎng)修正),地震烈度為7, 8, 9時(shí)分別取6, 10, 16; Ncr為液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)臨界值;d s為飽和土標(biāo)準(zhǔn)貫入點(diǎn)深度(m ) ; dw為地 下水位深度(m ) ; c為粘粒含量百分率，當(dāng)小于3或?yàn)樯巴習(xí)r均應(yīng)采用3。如計(jì)算結(jié)果符合式(16)的要求，