淺談座底式平臺(tái)作業(yè)中海底條件的影響

淺談座底式平臺(tái)作業(yè)中海底條件的影響

0海洋平臺(tái)基礎(chǔ)沖刷試驗(yàn)研究我國(guó)渤海道灘油田的極軟土壤資源廣泛。大港、遼河和遼東油田的海床表面為砂質(zhì)粘土，易于清理沉積物。在座底式平臺(tái)的作業(yè)過(guò)程中,由于基礎(chǔ)導(dǎo)致海洋環(huán)境因素的改變,會(huì)產(chǎn)生基礎(chǔ)周圍的沖刷,產(chǎn)生淘空,基礎(chǔ)的滑移甚至失穩(wěn),嚴(yán)重威脅平臺(tái)的安全,是困擾座底式平臺(tái)安全施工的一大難題。在勝利海域,自1985年勝利四號(hào)平臺(tái)在墾東11井施工中出現(xiàn)第一次淘空以來(lái),座底式平臺(tái)累計(jì)淘空與滑移事故已發(fā)生10余次,其危害是平臺(tái)傾斜,地基下沉,導(dǎo)致生產(chǎn)作業(yè)中斷,井口報(bào)廢等嚴(yán)重后果,影響生產(chǎn)時(shí)效和施工安全,造成較大的經(jīng)濟(jì)損失和人身安全隱患。從調(diào)研分析的情況來(lái)看,產(chǎn)生的原因主要與地基情況、平臺(tái)結(jié)構(gòu)情況、潮流情況和滑移情況等方面有關(guān)。在座底式海洋平臺(tái)的沖刷試驗(yàn)研究方面,王仲捷通過(guò)對(duì)海上石油座底式鉆井平臺(tái)在波、流聯(lián)合作用下的防沖刷實(shí)驗(yàn),得出相應(yīng)的平臺(tái)基礎(chǔ)沖刷規(guī)律。在單項(xiàng)水流的作用下,沉墊底部有少量淘刷現(xiàn)象,僅平臺(tái)前面與兩側(cè)形成較規(guī)則的“U”型沖刷坑。并指出波、流聯(lián)合作用大大增加了對(duì)海上平臺(tái)的沖刷性,其主要原因是大尺度旋渦的淘刷作用,再加上流的搬運(yùn)作用。仲德林等分析了埕島油田海上石油平臺(tái)基礎(chǔ)沖刷的過(guò)程及其規(guī)律,研究平臺(tái)樁基沖刷的成因機(jī)制、沖刷的速率、過(guò)程和規(guī)律,為平臺(tái)的設(shè)計(jì)施工和防護(hù)提供可靠依據(jù)。韓西軍等采用系列模型對(duì)粉砂質(zhì)海岸上棧橋樁基、粉砂質(zhì)海床上人工島以及建筑物周圍沖刷局部進(jìn)行了試驗(yàn)研究,分析得到了不同波流組合情況下的泥沙沖淤變化。為了更好的了解平臺(tái)基礎(chǔ)的沖刷特性,并采取相應(yīng)措施進(jìn)行防護(hù),避免或有效控制沉墊底部的沖刷,本文利用集團(tuán)公司海工重點(diǎn)試驗(yàn)室的46m×1.5m×1.5m波流水槽,針對(duì)坐底式平臺(tái)基礎(chǔ)的沖刷進(jìn)行系列模型試驗(yàn),為后期平臺(tái)防護(hù)措施的研究提供依據(jù)。1基于系列模型的沖淤變形模型在動(dòng)床模型試驗(yàn)中,要同時(shí)滿足懸移與起動(dòng)相似,或者僅滿足兩者之一,都要求模型沙重率較小。過(guò)細(xì)的模型沙會(huì)帶來(lái)絮凝及粘結(jié)力等各方面的問(wèn)題,反過(guò)來(lái)又使懸移和起動(dòng)相似難以滿足。如果找不到合適的模型沙,即可供模型使用的模型沙若重率較大、粒徑較粗,要滿足懸移和起動(dòng)相似,就要求模型做得較大,從而使模型中能出現(xiàn)較大的流速變化,而這些條件在許多情況下是很難做到的。系列模型就是為解決這類問(wèn)題而提供的一種試驗(yàn)方法。利用此方法,模型沙的重率可以較大,粒徑可以較粗,一直到使用原型沙,而模型不必做得很大。由于模型和原型泥沙運(yùn)動(dòng)不相似而帶來(lái)試驗(yàn)結(jié)果的偏差,通過(guò)做一系列由小到大的模型,將試驗(yàn)成果外延,來(lái)加以消除。這樣的模型試驗(yàn)方法,實(shí)質(zhì)上是利用不相似的模型取得相似試驗(yàn)成果的一種有效方法。系列模型不僅可以消除因選沙所帶來(lái)的泥沙運(yùn)動(dòng)不相似和由模型變化所帶來(lái)的豎直水流運(yùn)動(dòng)不相似等問(wèn)題,而且克服了因正態(tài)模型縮尺效應(yīng)所帶來(lái)的一系列問(wèn)題。系列模型不僅適用于研究河床單向沖淤變形的問(wèn)題,而且對(duì)局部沖刷坑問(wèn)題的研究有其獨(dú)特的優(yōu)越性。假定模型試驗(yàn)所研究的物理量與影響這一物理量的其他變量之間存在如下指數(shù)關(guān)系:式中:為所研究的物理量,可以是沖淤深度,也可以是沖淤時(shí)間;h為深度;Y、Z為深度以外的其他水力、泥沙因素變量;a1,a2,a3分別為這些變量的指數(shù);K為系數(shù)。這里自變量?jī)H取3個(gè),當(dāng)有較多自變量時(shí),也可同樣納入。對(duì)上述方程式寫成比尺關(guān)系式,其結(jié)果為:沙玉清認(rèn)為系數(shù)比尺lk是由模型縮小引起的,假定它與深度比尺成指數(shù)關(guān)系,即:另外,將有關(guān)水力因素變量的比尺通過(guò)一定的比尺關(guān)系式轉(zhuǎn)化成深度比尺的函數(shù),例如λu=λh1/2,λq=λh3/2等;而泥沙因素變量的比尺,則通過(guò)采用原型沙,均化為1,即等,這樣,上述比尺關(guān)系式將轉(zhuǎn)化為:式中:a為全部水力、泥沙因素變量比尺均轉(zhuǎn)化為深度比尺后的指數(shù)和。對(duì)于原型而言,λh=1,λx=1,故應(yīng)有C=1,最后得:由上式可見(jiàn),當(dāng)采用一定幾何比尺的模型進(jìn)行試驗(yàn)時(shí),λh為已知,Xm可以通過(guò)觀測(cè)求得,式中的未知量尚有a、Xp兩個(gè)。如果能做兩個(gè)模型就可建立兩個(gè)方程式,聯(lián)解后便可求得Xp,或?qū)⑺肵m及λh的數(shù)據(jù)點(diǎn)繪在雙對(duì)數(shù)紙上,連接1、2兩點(diǎn),與λh=1或lgλh=0的縱軸相交,交點(diǎn)縱坐標(biāo)即為所求原型物理量的數(shù)值Xp。按照系列模型試驗(yàn)的要求,模型必須做成正態(tài)。模型比尺的選擇除應(yīng)能滿足波浪、潮流及泥沙運(yùn)動(dòng)相似條件外,尚應(yīng)綜合考慮下列條件:工程區(qū)域范圍及試驗(yàn)場(chǎng)地的大小、試驗(yàn)設(shè)備供給能力、測(cè)量精度;模型水流應(yīng)滿足流態(tài)相似;模型應(yīng)滿足阻力相似,并同時(shí)考慮摩阻損失不能太大。由于本次試驗(yàn)中,原型沙的現(xiàn)場(chǎng)取樣有一定難度,無(wú)法用原型沙進(jìn)行試驗(yàn)。因此,綜合考慮各方面因素,以盡可能地接近工程實(shí)際為目的,最終選取了直徑為0.1mm的均勻沙進(jìn)行沖刷研究,沖刷試驗(yàn)的量化結(jié)果將按照系列模型理論進(jìn)行延伸處理。模型以清水沖刷為主,控制水流條件,當(dāng)模型沖刷坑形態(tài)基本穩(wěn)定,沖刷坑深隨時(shí)間變化較小時(shí),認(rèn)為沖刷坑已基本達(dá)到了穩(wěn)定狀態(tài),此時(shí)用超聲波地形儀對(duì)沖刷后的地形概況進(jìn)行測(cè)量。2試驗(yàn)計(jì)劃2.1結(jié)構(gòu)物的測(cè)量試驗(yàn)在46m×1.5m×1.5m的波流水槽中進(jìn)行,見(jiàn)圖2(a),最大工作水深1m,水槽配備的設(shè)備有:液壓伺服不規(guī)則波造波機(jī)系統(tǒng);尾門式潮汐模擬系統(tǒng);兩臺(tái)總流量為0.5m3/s的雙向造流設(shè)備。結(jié)構(gòu)物周圍局部沖刷地形的測(cè)量采用三維地形自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng),如圖2(b)所示。波高測(cè)量采用電容式波高傳感器2支。流速測(cè)量采用ADV聲學(xué)多普勒流速儀。2.2試驗(yàn)結(jié)果和分析為了更好地觀察泥沙起動(dòng)情況,并為后期的基礎(chǔ)沖刷試驗(yàn)奠定基礎(chǔ),首先在波流水槽內(nèi)進(jìn)行泥沙起動(dòng)試驗(yàn)。水槽前端為不規(guī)則造波機(jī)及其控制系統(tǒng),中部槽底留有長(zhǎng)5.0m,高0.15m的存泥槽(見(jiàn)圖3),后端設(shè)置消波箱。試驗(yàn)水流為自循環(huán)式,水流速由一個(gè)無(wú)極變速的電動(dòng)水泵控制。試驗(yàn)段布置在水槽中部的存沙槽內(nèi),鋪泥段長(zhǎng)5m,鋪沙段中端布置ADV流速儀測(cè)量近底處水質(zhì)點(diǎn)流速。試驗(yàn)前先將泥沙攪拌均勻,再均勻鋪在水槽底部,并將泥沙床面抹平,待泥沙自然沉降密實(shí)一天后,緩慢注入自來(lái)水至試驗(yàn)水深后進(jìn)行試驗(yàn)。之后每組試驗(yàn)開(kāi)始前均重新鋪沙,并在泥沙自然密實(shí)一天后開(kāi)始試驗(yàn)。試驗(yàn)中,通過(guò)增大水流流速使底沙起動(dòng),起動(dòng)時(shí)用ADV流速儀測(cè)量當(dāng)前流速。本次試驗(yàn)考慮到淤泥質(zhì)細(xì)粉沙的起動(dòng)以泥沙的卷起、懸揚(yáng)為主要特征,即泥沙起動(dòng)時(shí)直接進(jìn)入懸揚(yáng)狀態(tài)。當(dāng)懸揚(yáng)不明顯時(shí),床面無(wú)明顯破壞,此時(shí)泥沙并未起動(dòng);懸揚(yáng)開(kāi)始明顯增大時(shí),床面出現(xiàn)破壞性坑紋,此時(shí)泥沙進(jìn)入“大量起動(dòng)”階段,因此試驗(yàn)以底床泥沙大量懸揚(yáng)且床面出現(xiàn)破壞作為判斷起動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)。在泥沙起動(dòng)試驗(yàn)的過(guò)程中,使流速由小到大緩慢增大并維持足夠長(zhǎng)的沖刷時(shí)間,用ADV監(jiān)測(cè)水槽中的實(shí)際流速,同時(shí)密切觀察水槽中泥沙的運(yùn)動(dòng)情況。觀察的結(jié)果顯示:流速為30cm/s時(shí),泥沙少量起動(dòng);流速為40cm/s時(shí),泥沙普遍起動(dòng),并出現(xiàn)沖刷坑;流速為50cm/s時(shí),泥沙大量起動(dòng),沖刷坑形態(tài)更加明顯。因此認(rèn)為該均勻沙的起動(dòng)流速為40cm/s,這將作為后期進(jìn)行模型沖刷試驗(yàn)的參考起動(dòng)流速。起動(dòng)試驗(yàn)之后的鋪沙層沖刷情況如圖4所示。3平臺(tái)基礎(chǔ)形態(tài)變化由于目標(biāo)平臺(tái)的沉墊尺寸長(zhǎng)、寬與高度相差非常大,同時(shí)考慮水槽寬度的限制,為了更好地觀察模型邊角位置的泥沙沖淤情況,根據(jù)系列模型理論,在試驗(yàn)中將模型尺寸進(jìn)行概化處理,同時(shí)考慮到水槽邊壁效應(yīng)的影響,在經(jīng)過(guò)系列嘗試性試驗(yàn)后,將平臺(tái)基礎(chǔ)的長(zhǎng)度與寬度設(shè)定為40cm與24cm?；A(chǔ)的高度,按照比尺進(jìn)行縮放(見(jiàn)表1、圖5)。沖刷開(kāi)始時(shí),平臺(tái)基礎(chǔ)周圍出現(xiàn)泥沙的躍移,隨著時(shí)間的推移,逐漸形成小的沖刷坑,由平臺(tái)基礎(chǔ)的拐角向周圍延展。隨著時(shí)間的延長(zhǎng),沖刷范圍逐漸擴(kuò)大,在縱向和橫向出現(xiàn)了不同程度的擴(kuò)大和延伸。最為明顯的是沖刷坑除了在向模型外側(cè)和深度方向發(fā)展外,還不斷向模型的迎流向演化,并有不斷擴(kuò)展的趨勢(shì)。試驗(yàn)過(guò)程中,目測(cè)到?jīng)_刷坑范圍明顯擴(kuò)大,為了觀察沖刷坑是否繼續(xù)演化,沖刷過(guò)程持續(xù)進(jìn)行到兩側(cè)沖刷坑的形態(tài)變化很小時(shí),認(rèn)為已經(jīng)達(dá)到了沖刷的穩(wěn)定狀態(tài),停止試驗(yàn),此時(shí)歷時(shí)8.5h。利用超聲波地形儀對(duì)沖刷后的地形進(jìn)行測(cè)量,得到量化的沖刷坑的深度(見(jiàn)圖7),由地形文件分析得到,此次沖刷后沖刷坑的最深深度為3.25cm。3.2沖刷穩(wěn)定結(jié)果比尺為18時(shí)模型基礎(chǔ)深度17cm,臺(tái)上水深33.3cm。根據(jù)模型比尺及系列模型理論的要求,選定流速11.84cm/s進(jìn)行沖刷試驗(yàn)。沖刷的最初3h后,模型的南北兩側(cè)均出現(xiàn)了沖刷坑,但總體上并不明顯;6h后,模型兩側(cè)均出現(xiàn)了連續(xù)的沖刷坑,正前方尚未出現(xiàn)沖刷跡象;8.5h后,兩側(cè)的沖刷范圍變寬,同時(shí)淘蝕的深度也有所加深,模型前方尚未受到?jīng)_刷影響;沖刷持續(xù)12h后,對(duì)比前一時(shí)間段的沖刷結(jié)果,沖刷坑的深度和范圍變化都已經(jīng)很小,可以認(rèn)定為穩(wěn)定狀態(tài)。沖刷穩(wěn)定后的地形情況如圖8所示。利用超聲波地形儀測(cè)得模型的沖刷最大深度為4.3cm。沖刷的地形圖如圖9。3.3模型試驗(yàn)法確定刷坑深度在對(duì)量化的沖刷結(jié)果按照系列模型的要求進(jìn)行推演時(shí),取各個(gè)比尺下的最大沖刷坑深度,推得極端情況。根據(jù)系列模型理論,將兩組不同比尺的模型試驗(yàn)結(jié)果在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)下標(biāo)出,這兩點(diǎn)的延長(zhǎng)線與縱坐標(biāo)的交點(diǎn)即為原體的沖刷深度。因此可以推得實(shí)際情況下原型的最大深度約為0.505m(見(jiàn)圖10)。4模型試驗(yàn)研究本文介紹了兩個(gè)比尺條件下的平臺(tái)基礎(chǔ)沖刷試驗(yàn),定性地分析了沖刷的演變過(guò)程,并通過(guò)采用系列模型理論定量地研究了平臺(tái)沖刷坑的最大深度,得到了以下結(jié)論:通過(guò)泥沙起動(dòng)試驗(yàn)與平臺(tái)基礎(chǔ)嘗試性的試驗(yàn),確定了平臺(tái)基礎(chǔ)沖刷的概化形式;根據(jù)系列模型試驗(yàn)的要求進(jìn)行了平臺(tái)基礎(chǔ)沖刷的模型試驗(yàn)研究,定性地分析了平臺(tái)基礎(chǔ)的沖刷形態(tài);借助系列模型理論將試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行延伸,定量地分析了沖刷坑可能出現(xiàn)的最大深度,對(duì)工程試驗(yàn)具有一定的指導(dǎo)意義;當(dāng)沖刷達(dá)到一定程度時(shí),模型基礎(chǔ)的拐角部分可能會(huì)出現(xiàn)淘空,這一位置的沖刷情況將是后期進(jìn)行防護(hù)措施試驗(yàn)研究的重點(diǎn)內(nèi)容,為尋找合適的防護(hù)方法奠定了基礎(chǔ)。針對(duì)試驗(yàn)要求并結(jié)合現(xiàn)有試驗(yàn)條件,首先進(jìn)行了30