海底管线在海底的稳定性

海底管线在海底的稳定性影响海底管线稳定性的因素在管线稳定性分析设计过程中需考虑以下因素：1.波浪和水流的作用对管线稳定性的影响；2.由于管线基床底部不平整，引起管线在水流作用下的稳定性问题；3.管线地基稳定性引起的问题；4.管线浸入海底时的负浮力和浮力对管线稳定性的影响。有时还要考虑流冰作用和地震的影响。对水深大于或等于0.5倍波长的深水区，或大于30-40米水深时，因波浪作用力很小，一般可不予考虑；但在浅水区（水深小于0.5倍波长）则必须考虑波浪对管道作用的影响。海流（包括潮流、风海流、波浪破碎产生的沿岸流和离岸流）对管道的作用和影响是不可忽视的。他们都是管线稳定性计算中的水动力荷载。由于管线基床底部不平整，引起管线在水流作用下的稳定问题，一是当管线悬空时防止卡尔曼涡旋振动与管线产生共振现象，而引起管线失稳，另一是管线支墩地基基础的稳定问题，管线从凹凸不平的海床上通过时，将在管道中引起悬空和弯曲应力，导致管线产生过大的应力集中而损坏管线底面地基对管线稳定性的影响，主要有三个方面：1．管线铺设在管线沟槽内或基床上，地基承载力影响的管线稳定性问题；2．管线底面海底受水流等冲刷影响的稳定性问题；3．管线地基基础受液化、震陷、泥流、滑动影响而产生稳定性问题。在水流对管线地基的冲刷作用中，底流速的大小是重要的水动力因素，而抵抗底流速冲刷的是地基土本身的物理力学性质，特别是土的粒度成分和粘聚力对不同类型土有不被冲刷的底流速，称为“允许冲刷流速”，凡波浪、潮流等因素引起的底流速小于地基土的允许冲刷流速，则该地基土不会被冲刷，地基土就处于稳定状态，反之就有可能引起地基土被冲刷，使其处于不稳定状态。对有可能出现的不稳定情况应该采取工程措施（更换地基土，加大颗粒粒径或其他措施）来保证其稳定性。管线埋深将管线埋置到土中一定深度，避免管线直接接受波浪、潮流作用是保持管线稳定经常采用的方法。一般管线埋置深度取管顶以上1.5-2.0m，特殊地段甚至需要4-6m，埋置深度取决于该地区波浪、潮流的大小，主要与管线穿越区域航道、码头前沿、锚泊区、渔业捕捞、水产养殖区等影响有关，有时还需要考虑管线沟槽开挖、埋设回填等施工方法管线埋置深度的确定归纳起来有两点考虑：一是安全性考虑（包括波浪、潮流作用下的稳定和抛锚深度），二是施工方法考虑。抛锚的深度与海底土质、锚的重量和类型及水深有关。一般小型渔船、吨位较小的交通艇使用的锚重量小，管线埋置深度在管顶以上1.5-2.0m就够，当管线穿越航道、码头前沿和锚泊区，管线埋置深度就要3.0m以上。从施工方面考虑管沟能不能挖，主要决定于土质的坚硬程度、水深大小和费用。坚硬土层一般挖泥设备无法开挖，如用水下爆破或潜水员挖沟则费工又费时，另外挖泥船工作水深也有限制，国内一般挖泥船工作水深只有10-20m，只有大型抓斗式挖泥船的抓泥深度才能达到50m。海底管线在于有穿越岩礁地段或对某些管段需控制在某一合适的坡度时，宜采用管线墩座间隔地架空海底管线。对岩礁地段墩座的地基基础稳定问题一般不大，但对非岩石地基则应对墩座基础稳定性给予适当重视，对此应着重考虑以下几个问题：1．墩座基础的地基承载力问题；2．墩座基础的整体稳定性问题；3．墩座基础不被冲刷问题；4．墩座之间的不均匀沉降问题；5．管线架空的跨长问题。海底管线路由条件的评价1．工程地质条件的评价详细说明路由区的地形、地貌、地质构造背景、海底状况、底质及其土工性质等工程地质条件，特别要注意路由是否避开了不良工程地质现象（如冲刷沟、浅层气、海底塌陷、滑坡、泥流岩礁、古河谷、活动沙波、泥丘、盐丘、软土夹层等）尤其是对那些无法回避的影响管线稳定性的灾害底质现象更应详细的分类描述，并指出对管线铺设可能带来的影响和应采取的工程措施。2．海洋动力环境评价分析路由各区段的气象、波浪、潮汐、海流、水温、海水及其特征值，并对可能影响电缆管道设计、施工、运行、维护的海洋水动力特征、及影响管线冲淤稳定性的水文泥沙条件进行详细的分析和计算。环境荷载的大小可参照中国船级社“海底管道系统规范”中的有关规定进行分析和计算。3．工程地震条件的分析和研究分析路由区的区域地震构造及地震活动性，计算各潜在震源区的地震活动性参数，包括50年超越概率为10%的地震烈度值及基岩地震动水平峰值加速度值，估算海底电缆管道路由在地震和波浪作用下砂土液化的可能性，对路由工程强震区潜在的海底滑坡和塌陷危险性进行评估。4．腐蚀环境评价包括底层水化学、沉积物化学、沉积物电阻率、沉积物中硫酸盐还原菌、污损生物等生物化学环境资料的收集和分析，供电缆管道防腐设计时参考。5．路由区海洋开发活动的评述特别是对路由区的渔业活动，及与路由交越的海洋油气田，与已建海底电缆管道路由的交越点的位置及周围环境应作详细描述。6．管线在海底的稳定性、冲刷下沉可能性进行评价。管线在海底的稳定性分析和计算方法一、作用在海底管线上的水动力置放在海床上的管线会受到稳流、振荡流和波致力综合的影响，这些力包括：（1）管道在水中的重量和管子内含物的重量；（2）综合阻力FD；（3）综合升力FL；（4）惯性力Fi；（5）管子和海床间的摩擦力Fr。要使管道在海底上保持稳定，作用在管子上所有力的总和必须满足下列静力平衡方程：水平力X：FD+Fi—Fr—Wsinθ=0垂直力Y：N+FL—Wcosθ=0如果管子裸置在海床上，则侧向阻力Fr与法向力N有以下关系：Fr=μN式中μ是管子表面和海床间的侧向摩擦力系数。联立上面方程可得出：FD+Fi+μ(Fl—Wcosθ)=WsinθW=（FD+Fi+μFl）/(μcosθ+sinθ)对于水平的海床，θ=0，则上式成为：W=Fl+(FD+Fi)/μ上式可用来计算建造时充满空气和在工作时充满被输送物质的管道在水中的最小重量，如此重量与管道实际重量相符则认为管道在水下是稳定的，如管道在水中的实际重量小于这一计算值则应考虑将管道埋入土中或采取加重措施。作用在海底管道上的水动力计算单位长度上液流诱生的阻力（FD）和惯性力（Fi）：FD=CDρDU∣U∣N/MFi=CMρD2N/M波浪作用在海底管道单位长度上的水平力即两者之和：FT=FD+Fi单位长度上升力（又称上举力或浮托力）的计算公式为：FL=CLρDU2N/M式中ρ————海水密度，Kg/m3；CD———垂直于管轴的阻力系数（或称动力阻力系数）；CM———惯性系数,根据实测确定；CL———升力系数；D———管道的有效外径；U———垂直于管道轴线的波浪水质点轨道运动的水平速度（m/s），∣u∣为其绝对值。式中所以写成U∣U∣是由于作用力的方向和水质点轨迹速度的方向相同，为表示不同瞬时的作用力的方向，故将其中一个U写成∣U∣，以便用剩下的U表示方向。计算升力、阻力和惯性力时遇到的主要困难是：确定升力系数、阻力系数和惯性系数。对稳定流情况，阻力系数CD决定于水流的雷诺数和管子表面的粗糙度。ReCDCLCMRe5.0×1041.31.52.05.0×104Re1.0×1051.21.02.01.0×105Re2.5×1051.53—Re/（3×105）1.2—Re/（5×105）2.02.5×105Re5.0×1050.70.72.5—Re/（5×105）5.0×105Re0.70.71.5裸置的管道设计推荐系数波浪水质点运动速度的水平分量的计算，可根据不同条件分别考虑：（1）当d/L0.2,H/d≦0.2时，U一般采用线形波理论计算；（2）当0.1d/L0.2,H/d0.2时，U一般采用Stokes五阶段波理论计算；（3）当0.04~0.05d/L0.1时，U一般采用椭圆余弦波理论计算。当仅考虑海流作用于海床管道时，单位长度管道上所承受的海流荷载由下式计算FDC=CDAUC2N/M式中UC———设计海流流速m/s;A———单位管道长度垂直于海流方向上的投影面积(m2)其余符号意义同前。当仅考虑海流作用于海底管道，单位长度上海流的升力FLC由下式给出FLC=CLAUC2N/M当海流与波浪联合作用时，上述FDC和FLC式中的海流速度UC应是波浪水质点运动速度和海流速度的矢量和。二、管道在土中稳定性分析当管道放置在海床上或埋入土中时，需对管道在垂直和水平方向上的稳定性按静力条件和通过表面波时引起的循环加载条件下的稳定性进行分析和计算1.管道的下沉和漂浮当管道部分或全部埋入时，在风暴情况下它可能向上浮或下沉，这视管子的重量（包括内含物）、土的密度和不排水抗剪强度而定。根据Ghazzaly(1975)的研究，可以在一定范围内选择管子的比重使管道稳定，可采用下列公式确定这一设计范围：等效土的密度=管子和内含物的重度±RR≈2C/D式中R——对单位容积管子上浮下沉的土阻力Kg/m3；C——重塑（扰动）土的抗剪强度Kg/m2；D——管的外径(m)。将上式两边都除以水的密度，就可按下式计算出平衡时管子比重的上限和下限：SG1SGSG2式中SG——管子比重的许可范围SG1=SG土—2C/DSG的下限；SG2=SG土＋2C/DSG的上限2.海底土强度的减小暴风浪经过时产生的循环加载作用可能使海底土孔隙水压力增大，其结果使经受过循环加载后的海底土抗剪强度减小。此时确定管子稳定性所需的管子比重许可范围时必须采用经过扰动后（即减小了的）抗剪强度来代替原先不排水抗剪强度。要确定风暴后土强度减小的情况需了解风暴的作用时间（历程）和土强度特征。为此应做动三轴试验及研究砂土液化的可能性。管线周围的冲刷作用潮流和（或）波浪会使管线周围的海底土受到冲刷，特别是在破波带以内的浅水水域内和海底底流速较大的海域中。这种冲刷作用可能更为明显，冲刷作用的强弱决定于海底沉积物的性质，沉积物颗粒间的粘聚力和与起动临界流速有关的平均粒径。对无粘性土来说是其平均粒径，对粘性土来说则是颗粒间的粘聚力。以及该海域的水动力条件（特别是底流速的大小）。如果管线附近的潮流大到足以引起冲刷作用的话，那么其上覆的土层渐渐地冲蚀掉。如果海床是由易被冲蚀的粒状沉积物构成，在风暴过后海底的水平拖曳力（液流诱生的阻力）和惯性力都增大了，冲刷作用就会揭掉覆盖层把管线扒出来，被掘出的管线可能被折断或损坏。其后正在衰减的暴风浪可能把管道再次推入管沟并将其重新淹埋起来，因此风暴过后潜水员在海底不一定能看到风暴期间管道曾经被抬起过或折断过。对工程设计人员来说最关心的是在该海域的水动力和底质条件下的最大可能冲刷深度。裸露管线冲刷分析潮流和(或)波浪会使管线周围受到冲刷。若管线附近的潮流大到足可以引起冲刷作用，上面的覆盖层将按下图所示的方式渐渐地冲蚀掉，使管线暴露在海底，可能导致管线的悬空、位移和破坏。(1).冲刷分析假定海面下潮流的方向是和管线走向的轴线相垂直。按照二维势能理论和CHAO和HENNSSY提出的假设条件，从冲刷坑陷内冲出的物料q为:当式中：----管线上方海域平静的海面流速(m/s)R----管线半径(m)H----从管线中心算起的冲刷深度（m）RHqUHRHR022U0平均喷入速度Uavg为：当当冲刷坑陷里的潮流的流速一旦大于外界潮流的流速，就有冲蚀现象。由于冲刷段的不断延扩，好象冲刷范围已到极限，沿外界段的流速恰好降到该点的剪切力τb，等于形成可冲蚀海床沉积物的临界牵引力,下表给出所要求τe值。RH13212220RHRHRHRHURHUavgD50（mm）τc（磅/英尺2）4.000.08902.000.05131.000.03160.750.02660.500.02150.250.01720.130.01660.100.01640.080.01620.050.0161中值粒径与临界牵引力的关系在已冲出的沟内，边界剪应力τb为:τb=式中：--海水密度,10kN/m3--摩擦系数，0.01根据达到冲刷平