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1、影响海底管道安全因素管君阳 51082601024海底管线是一种经济、高效的近海油气输送设施，在海洋石油工程中应用非常广泛。海底管线的液化失稳问题是海底管线设计中需考虑的关键问题之一。波浪在传播过程中，会在海床表面引起周期性的波压力。这种周期性的波压力作用会在海床中引起超静孔隙水压力及腿且道丝座立，改变了海床中的应力分布。海线亦会对其附近海床中的超静孔隙水压力及附加有效应力产生影响，使海分布更加复杂，最终可能使海床发生变形、剪切破坏及液化等现象，导致海床的失稳破坏。因此，研究波浪一管线一土体的相互祸合作用具有十分重要的理论意义和工程实用价值。1 海流作用对海底管线稳定性的影响海流对管线稳定性的
2、影响主要是通过其对海底沉积物的作用。尤其是当管线周围土体主要是非粘性土时, 海流作用将会导致土体被冲蚀, 进而影响管线稳定。水流对沉积颗粒的作用力主要用Sh ields 参数表达:式中, 为施加于颗粒上的剪应力; 为海水密度; s = 为颗粒相对密度; g 为重力加速度; d 为颗粒直径。由海流的粘滞力和压力梯度2 部分组成。对于相对稳定的海流, 剪应力可以由下式计算得出:式中, 为摩擦系数;U为平均流速。当的值超过临界Sh ields 参数时, 沉积颗粒开始起动。对于完全紊流, 为常数, 约为0. 06。在相对稳定的海流作用下, 直径为D 的管线所受的作用力为:式中, 代表水平分力, 称之为
3、拖曳力;代表垂直分力, 称之为上举力; 和分别为拖曳和上举系数。当管线所受的拖曳力满足下式时, 管线可发生移动:式中, 为管线与沉积物间摩擦系数; 管线的水中自重W 用下式计算:式中, 为管线的比重。用传统方法计算得到的使管线发生移动所需的流速, 与使沉积颗粒发生起动的流速比较, 前者约比后者大一个数量级左右 1 , 所以在管线发生移动之前, 其周围沉积颗粒早已失稳。海流通过对管线周围土体颗粒的冲蚀, 使管线暴露、悬空, 进而导致管线失稳。2 波浪作用对海底管线稳定性的影响波浪对海底沉积物的作用很早就引起了人们的关注。Sleath (1994) 2 提出了一个表征波浪对沉积物作用的参数S :式
4、中,代表波浪的轨迹速率;代表波浪的循环频率; Sleath 参数S 的本质是波浪作用在海底沉积物上的惯性力与沉积物自重的比率。波浪运动的Sh ields 参数为:式中, 为波浪与沉积物间的摩擦系数。Sou lsby (1997) 3 认为, 为的函数：将上3 式合并, 可得出波浪作用下泥砂起动的临界S 值:波浪对海底管线作用力的数学模型很多, 目前应用较多的是Mo rison 方程, 表达形式如下:式中,垂向分量向上为正; d为管线直径;为海水密度; ,为相关系数。在计算波浪对管线水平方向作用力时,将此等式右侧分为2项,第一项表示拖曳力,主要为粘性阻力和压差阻力;第二项表示惯性力,也就是流体加
5、速流动时对管线的作用力 4 。在计算的等式中, 当A /d 较大时,第一项“拖曳力”起主要作用;当A /d 较小时,第二项“惯性力”起主要作用。波浪作用下管线的Sleath 参数为:Dam gaard 1 假定的摆动变化是单频和正弦的, 在惯性力为主的条件下, 当管线的S值超过临界时, 管线失稳, 即:Wilkinson和Palmer 5 , 对管线承受的波浪作用力进行了现场量测, 得出当A/d 的值接近1. 5 时, 值的范围为2 5, 由此得出管线发生移动的临界的值为0. 1 0. 3 。近似地, 当拖曳力为主时,Damgaard 1 提出下式:当S 值超过S p 时, 管线失稳。Damg
6、gard 1 在假定D /d为3000时, 以A/d和为主要参数分析了海底失稳过程, 认定惯性力与拖曳力二者谁取主导作用的分界线为A /d = 104。周期性的波浪荷载作用会影响海底土的抗压与抗剪能力, 海底土的临界值远比管线值低。李玉成等 6 研究了圆柱周围的速度矢量场(图1) , G/D为有限元网格间隙比。从图1 可看出, 管线周围发生绕流, 流场相对集中。表明管线周围土体受波浪应力较为集中, 加速了土体的侵蚀, 从而影响了管线稳定性。另外, 重力波的存在, 将会增加直接作用在管线和沉积物上的水力荷载, 进而影响海底土的抗压和抗剪能力。图1圆柱周围速度矢量场3 管线周围土体性质及液化发生对
7、管线稳定性的影响管线下部的土体作为持力层, 需能承受管线自重, 并且对管线的横向移动产生阻力。因此周围土体的力学性质对管线的稳定性影响较大。尤其是海底表层土多为砂土,在受到波浪海流的振动荷载作用下, 可能会发生液化, 自身承载力丧失, 导致管线下沉或横向移动。如果土体受波浪、海流侵蚀严重, 甚至会导致管线悬空, 对其稳定性构成严重威胁。3. 1土体对管线的极限承载力铺设在海底的管线, 会因其自重作用而部分沉入土中, 直至承重土体对管线产生足够的支撑能力, 此时土体达到极限平衡状态。海底土的极限荷载的一般公式:式中,为海底土极限荷载(kPa) ; r 为管线下海底土的天然重度(kN/) ; c为
8、管线底面以下地基土的粘聚力(kPa) ; q为管线的旁侧荷载,其值为管线埋深范围土的自重压力(kPa) ; ,为海底土承载力系数, 为摩擦角的函数, 可查有关图表确定。影响土体极限荷载的因素很多, 主要包括:(1) 土的物理力学指标土的物理力学指标很多, 与土体极限荷载有关的主要是土的强度指标, c和密度指标r。凡土体的, c, r 越大, 则极限荷载相应也越大。其中土的内摩擦角值的大小, 对极限荷载影响最大。(2) 荷载作用方向若荷载为倾斜方向, 倾斜角越大, 则相应的倾斜系数越小, 因而极限荷载也越小, 反之则大。倾斜荷载为不利因素。(3) 荷载作用时间若荷载作用时间很短, 如地震荷载,
9、则可使极限荷载提高; 如管线周围土体为粘土,可塑性较高, 在长期荷载作用下, 可使土产生蠕变降低土的强度, 即极限荷载降低。3. 2土体对管线的横向阻力放置在海底表面的管线受波、流等横向荷载作用, 会对管线的稳定性带来影响。为保持管线稳定, 土体需要产生足够的阻力来抵消波、流产生的横向荷载。土对管线的横向阻力一般认为由两部分组成, 一部分是土与管线界面的摩阻力, 一部分是土在管线横向挤压作用下产生的被动土压力。管线与土体之间的摩阻力大小主要取决于两者之间的摩擦系数, 摩擦系数大小随土体类型变化而不同, 一般砂土的摩擦系数为0. 70 0. 40, 粉质粘土的摩擦系数可取0. 55 0. 25,
10、 对于粘土一般取0. 60 0. 25 7 。土体与管线之间的被动土压力的计算一般依据如下公式:式中, 为被动土压力(kPa) ; r为土体的天然重度, 在水下需用浮容重(kN/m 3) ; z为管线的埋设深度(m ) ; 为被动土压力系数, = tg (45+ /2) ; c 为土的粘聚力(kPa)。如果土体为非粘性土, 则计算被动土压力式(15) 仅取第一项即可。由式(15) 可见,影响土与管线之间的被动土压力大小的因素主要为埋设深度与土的强度指标和密度指标。3. 3土体液化对海底管线稳定性的影响海底表层土多为砂或粉土, 两者主要是单粒结构, 处于不稳定状态。在地震或波浪海流的循环荷载作用
11、下, 疏松不稳定的砂粒与粉粒移动到更稳定的位置, 海底表层土多为饱和状态, 土孔隙完全被水充满, 在地震或波浪的循环荷载作用下, 土中的孔隙水无法快速排出, 砂粒与粉粒被孔隙水漂浮。此时土体的有效应力为零, 丧失承载力。当海底土体发生液化时, 如果管线的比重大于液化土的比重, 则管线会下沉, 否则管线会悬空, 有发生断裂的危险。海底土的液化判别可分为“两步判别”, 即初步判别和标准贯入试验判别。凡经初判划为不液化或不考虑液化影响, 可不进行第二步判别, 以减少勘察工作量。当海底土满足以下条件之一时, 可初步判别为不液化或不考虑液化的影响 8 :(1) 地质年代为第四纪晚更新世(Q 3) 及其以
12、前时, 可判为不液化土;(2) 粉土的粘粒(粒径小于0. 005 mm 的颗粒) 含量百分率, 在地震烈度7 度、8 度、9度分别不小于10, 13, 16 时, 可判为不液化土。当初步判别认为需进一步进行液化判别时, 应采用标准贯入试验判别法。在海底以下15 m 深度范围内的液化土应符合下式要求:式中,为饱和土标准贯入锤击数实测值(未经杆长修正) , 地震烈度为7, 8, 9 时分别取6, 10, 16;为液化判别标准贯入锤击数临界值; d s 为饱和土标准贯入点深度(m ) ;为地下水位深度(m ) ; 为粘粒含量百分率, 当小于3或为砂土时均应采用3。如计算结果符合式(16) 的要求, 则认为砂土或粉土不液化; 反之则认为其可能发生液化。4结语影响海底管线稳定性的因素较多,波浪、海流的作用以及管线周围土体力学性质及液化发生对管线稳定性的影响。波浪、海流主要作用在管线周围土体,通过冲刷、侵蚀或振动液化使其丧失承载力, 进而导致管线失稳。因此, 海底管线铺设前应对其路由进行详细调查, 查明海底土体性质及力学参数。同时, 注重对海底水动力特征的研究, 从动力机制方面对影响管线稳定因素进行深入分析。6 / 6
