东海海底管道海流冲刷作用的影响因素探讨

蔡春麟，张异彪，胡 斌，施 健

（中国石化集团上海海洋石油局第一海洋地质调查大队，上海 201208）

东海海底管道海流冲刷作用的影响因素探讨

蔡春麟，张异彪，胡 斌，施 健

（中国石化集团上海海洋石油局第一海洋地质调查大队，上海 201208）

依据以往多次东海海底管道检测成果资料，分析和探讨了形成海流冲刷作用的各种因素，可以归结为内部海洋环境和外部环境变化两大因素，以及这些因素可能对海底管道产生危害影响的程度，并总结了在长期的海流冲刷作用下海管的空间状态、海底受冲蚀的表现形式和海床冲淤变化，提出了今后检测和维护工作的一些建议。

海底管道；危害因素；冲蚀形式；冲淤变化

在海洋油气开发中，确保油气田海底管道的安全使用一直是整个开发过程中的首要问题。由于海底管道涉及到使用年限、海水腐蚀和海流冲刷等不利因素的影响，同时还面临船只拖锚、渔网渔具（或其它掉落物）和可能的沉船撞击等破坏性威胁。因此，在使用和运营过程中，必须定期进行检测和维护，及时发现各种潜在危害因素，如海底管道悬空、管道下海底存在的浅层气、断层和滑坡等地质灾害等，以防止这些灾害因素对管道的危害影响进一步扩大[1-3]。

本文主要依据历年来多次在东海海底管道路由检测中的成果，分析由海洋环境变化而形成的海流冲刷作用对海底管道的影响，探讨海底管道空间状态的发展演化规律，为海底管道维护工作提供必要的技术资料。

目前采用多种手段进行海底管道路由检测，包括：单波束和多波束测深、声纳扫测和高频浅地层测量等方法。其中，海底管道空间状态数据主要从高频浅地层剖面中直接提取，再结合声纳扫测资料，可以得到全面的海底管道路由数据[4]。

1 海底冲刷作用的影响因素

辅设海底管道时，一般是将管道放置于一定深度的槽沟（该槽沟预先开挖或者铺管后用水射式开沟机形成）中，再通过人工掩埋或者自然冲淤，经过一段时间海底冲淤作用后一部分管道可能仍然掩埋在海底之下，一部分管道则可能会裸露于海底。而有些管道辅设时并没有挖沟，而是直接辅设于海床上。因此，海底管道的空间状态是多种多样的。对于长距离海底管道来说，由于穿越多个海洋条件复杂的海域，随着时间推移，在各种因素的影响下，不仅塑造了不同的海底地形地貌单元，也对各个区域的海底管道空间状态产生了不同程度的危害影响，如受海流冲蚀有的管道从出露逐渐到悬空，最终造成管道失稳而损坏。

检测结果表明，影响海底管道空间状态的因素是多方面的，但总的来说，可以归结为内部海洋环境和外部环境变化两大因素。

1.1 内部海洋环境

1.1.1 强潮区海流冲刷作用影响

东海海域受多种水动力条件控制，流场复杂，水动力作用活跃，沿海潮汐性质受地形影响明显。一般来说，外陆架潮差较小，向近岸海区逐渐增大，近河口海湾地区，由于潮波受到河道形状及地形的影响，潮差变化较大。在近岸区、河口区或海底地形复杂区潮流特征多为往复流，流速强。

当海底管道所在海域处于以冲为主的水动力环境，而海底管道埋深又不足时，在波浪、海流的长期、反复作用下，海底泥沙被冲走，浅埋海底管道逐渐裸露出海底，进一步发展便呈悬跨状态。这在近岸浅水区域表现得尤为突出，在所谓“波浪掀沙、潮流输沙”的作用下，海底管道很容易裸露、悬空和破裂[5]。

1.1.2 海底地形影响

主要指在海底冲沟和地形转折变化较大处，如地形由平缓变为急陡。这两种地形由于海流较为集中而成为强冲刷区，往往是地层减薄和管道连续出露容易发生的区段。

1.1.3 海底沉积物影响

主要是指管道周围土体性质，在黏性土中管道一般能保持较稳定的埋藏状态，而在砂性土中则极易发生管道出露和悬空。特别是砂性土含水量高，在海底中不易凝结，抗冲能力弱，在强海流冲刷下容易起动而悬扬，而且容易发生液化而导致管道受到危害。

另外，在沙波发育区，潮流和波浪都对砂质底质影响很大，进而改变海底管道空间状态。

1.2 外部环境变化

1.2.1 台风影响

热带气旋是东海最具灾害性的天气过程，对海上油气勘探和地质调查都会带来严重影响。影响东海的热带气旋等级多为热带风暴～台风。其发生和影响均具季节性特点，以7～9月为最频繁月份。

在台风季节前后对海底管道的检测结果大不一样。在台风季节，由热带风暴引起的风、浪、流共同作用，不仅加强海流的往复运动强度，更可直达近岸段海域的海底，扰动海底沉积物，使之发生迁移，从而改变了海底地貌形态，也改变了海底管道空间状态。

随着台风的影响逐渐减小，海底底质很难被起动、搬运，路由区海底将会呈现先冲后淤的动态平衡状态，出现一种淤积大于冲刷的自然回淤环境，从而保持了管道状况的相对稳定。

1.2.2 人类活动影响

人类活动主要是指在管道路由区附近沿岸和海域的大型工程建设，包括近岸围海工程、水上大型工程。这些人工工程在一定程度上改变了海区原来的水文地质环境，引起海床大面积的侵蚀冲刷，如近岸工程建设时，在附近海域抽取大量海沙，局部海底形成深坑，随后在海流的作用下，海底管道附近沉积物将搬迁、运移，回填这些抽沙坑，导致了管道上方沉积物盖层减薄。甚至在远处的人类活动也会影响到海域环境变化，如三峡大坝的建成，使得输入杭州湾的泥沙量日趋减少，导致湾口的沉积作用不断减弱，从而相对增强了潮流对海底的冲刷侵蚀作用，造成了海底冲刷沟槽与冲蚀凹地等地貌形态发育。历年来的冲淤变化趋势与长江入海输沙量逐年减少有直接关系。

1.2.3 管道出露、沙包回填及挖沟影响

管道出露包括了管道相对于海底的正突起地形和管道两侧出现的槽沟地形。这两者都将改变海流的冲刷方向和强度。在高突起的管道周围常产生强烈紊动的旋涡水流，而掀起管道周围的泥沙。在长期的冲刷作用下，管道与海底接触的部位受到的冲蚀将进一步加大，从而向淘空趋势发展。

在回填区，与出露管道一样，沙包形成了相对于海底的正突起地形，由于回填沙包的阻挡，旋涡水流将向两侧流动，加大了对回填区两端管道的冲蚀，并使之悬空。其对管道的危害是，不仅使受冲蚀沙包容易滑塌，而且使得非回填区的管道遭受更大的压力——海流冲刷作用得以加大。

对于一些挖沟明显区域，一方面挖沟两侧的高度不一，另一方面向下凹陷的沟槽也能导致旋涡水流的发生，从而加大对海底的冲蚀，最终使掩埋于海底的管道上覆物减薄。

综上所述，无论是内部海洋环境还是外部环境的变化，最终都体现在潮流对海底的冲刷强度上。由潮流（海流）引起的冲刷作用，将使海床表面形态发生变化，海底沉积物原来的平衡条件被打破而发生运移，在管道附近底沙极易发生搬运、侵蚀，导致管道受到冲刷掏空。

而在浅海区，特别是近岸区波浪作用也非常重要。波浪作用下也能造成海底管道周围海床的冲刷，这是波浪、管道和海床三者之间的动力耦合，在管道周围产生旋涡流动而发生泥沙流动，可在管道周围形成冲刷坑。

2 海流冲刷作用下海底管道的空间状态

对于海底管道而言，其空间状态有如下几种：

2.1 掩埋状态

掩埋深度在各区域由于海底地形或回淤程度不同而不同，有浅埋0～1 m的，也有深埋1～2 m的。一般来说，掩埋深度大于1 m以上者，该处管道相对处于稳定状态。

2.2 出露状态

出露一般指管顶裸露于海底，而管底还掩埋于海底一定深度。管道直接辅设于海底或者原来浅埋管道上覆物逐渐减薄都会使管道出露。如果出露管道未得到外来沉积物的回淤，将很可能发展到管道悬空状态。因此，对出露管道的监测应与海底冲淤趋势结合起来。

2.3 悬空状态

悬空是指管底已离开海底一定深度。管道悬空有多种表现形式（图1）。悬空或出露很大的海底管道很容易在海流及海浪的作用下，产生涡激共振。由于涡激是一种高频载荷，一旦这种振动引起的动应力超过疲劳极限，管线就会在海管底部悬空最严重的部分产生应力集中以至产生疲劳裂纹，从而造成海管断裂，引发原油外漏等海上重大安全事故。

图1 管道悬空状态

2.4 回填状态

当检测海底管道已悬空时，必须及时进行回填沙包，以防止悬空进一步加大，回填后的管道在一段时间内将保持稳定状态。在检测中，回填过的管道在检测剖面中反射信号图像十分清楚，其回填高度、宽度和长度都可以确定（图2）。

图2 沙包回填后在海底的反映图像

3 海流冲刷作用下海底表现形式

3.1 悬空海底冲沟

当海底管道长期受到海流冲刷作用或者局部流场发生变化时，管道下及其周围海底容易发生冲蚀现象，在管道下、管道单侧和两侧形成海底冲沟（图3）。

3.2 回填沙包滑塌

当一侧海流作用增强时，海底受到冲蚀而形成冲沟，对于已经进行过沙包回填的管道，同样是一种较大危害，由于沙包不断滑失而导致管道重新处于悬空状态（图4）。

图3 悬空管道下海底被冲蚀呈沟

图4 沙包滑塌导致管道单侧悬空

3.3 海底冲刷和挖沟痕迹长期存在

在声纳扫测资料上，海流对海底的冲刷作用而形成的冲刷痕迹清晰可见，在强冲刷区，往往海底冲刷沟槽、凹地发育。有的还可见铺设管道时挖沟痕迹，其深度有深有浅。在出露管道两侧，海底存在一定高差，其高差在几厘米至几十厘米之间。管道出露高度与海底两侧高差具有对应关系，高差的大小可以判断海流和潮流的冲刷和侵蚀作用强弱。

3.4 整体海床运动变化（冲淤对比）

3.4.1 由相邻两次检测水深变化反映的冲淤演变

通过对比台风季节前后路由区海底水深变化，分析整体冲淤演变，从而判断不同区域的海床运动变化情况。

图5是从2009年下半年至2011年下半年来某区段共四次通过相邻两次检测水深对比来反映的海底冲淤变化图。从图中可以看出，上半年海区为淤积环境，下半年为冲刷环境。

3.4.2 由管道出露与沙包回填对应关系反映的冲淤变化

一般来说，在检测中所确定的回填长度，加上之后的维护回填长度，应该与下一次检测所确定的回填长度相当（表1）。

图5 相邻两次检测海底冲淤对比（绿底色表示淤积，红底色表示冲刷）

从表中可以看出，在同一区段内，从2009年下半年至2010年下半年，其检测回填加上之后的维护回填总长度，与下一次检测发现的回填长度相当吻合；而从2010年下半年至2011年下半年，其检测回填加上之后的维护回填总长度，与下一次检测发现的回填长度并不吻合，尤其2010年下半年与2011年上半年之间的回填长度相差很大。这反映了该区段整体海洋环境在不同时间的差异：2009年下半年～2010年上半年，以冲刷为主，局部出现淤积；2010年上半年～2010年下半年，以冲刷为主，局部出现淤积；2010年下半年～2011年上半年，以淤积为主，且淤积程度较大，导致部分低回填区被覆盖；2011年上半年～2011年下半年，以冲刷为主，回填区长度增加。

表1 同一区段多次检测前后回填长度对比

检测回填长度与悬空长度具有一定的正相关性，即当回填长度较大时，管道悬空也较大；回填长度较小时，管道悬空也较小。大部分回填沙包在一定时间内是稳定的。在检测中发现的回填长度也能反映出海底冲刷或淤积变化的情况。

4 结论与建议

4.1 结论

历年来多次检测结果表明，影响海底管道空间状态的因素是多方面的，包括海流、海底底质、台风、海底障碍物（水上建筑物）以及管道自身等等。

在长期的海流冲刷作用下，部分海底管道将经历：埋藏海底—浅埋—出露—临界悬空—悬空—回填—出露—悬空这一演化过程。很显然，推动力量主要来自于内在和外部海洋环境的变化，是一个综合因素作用的结果。经过定期检测，基本能确定其长期存在的、集中出露悬空的区域，即出露或悬空多发地段，这对检测工作和维护工作都是有利的一面。

充分认识到对海底管道存在危害影响的各种因素及产生的危害程度，进一步分析海底管道空间状态的发展变化规律，并在进行维护工作时具有针对性，从而提高效率。

4.2 建议

（1）根据检测结果，加强对已知管道出露和悬空重点段的检测和监控，并及时进行沙包回填维护，仍是一种直接而有效的方法。

（2）关注上覆地层减薄较大或较快的地方。（3）根据管道出露和悬空的特点，结合海流流向和冲刷作用，研究沙包回填工艺，尽量降低因高突起沙包对回填段两端产生强海流冲刷，尽量避免在回填段产生涡流对海底的冲刷而导致沙包滑失沉陷，出现再出露和再悬空的现象。

（4）对于地形复杂和变化较大区段，有必要进一步研究更为有效的、有针对性的防范措施，最终消除其对管道的危害影响，仍是未来一个重要的课题。

（5）继续探索寻求科学有效、适合本区海底管道维护的方法。如对于检测发现管道出露乃至悬空后的维护方法，大致有：支撑管道法，回填法，加压载块法，锚桩锚固定位法，砂被防冲刷法等等。这些方法是否实用，必须经过试验和长时间的观察才能确定。但从长远来说，可以选取某一重点段进行试验，采用其中一种方法进行维护，只要在台风季前后能够保持较好的稳定，就说明其能够起到好的效果。

[1] 崔征科．海底输油气管道维护性检测中的工程物探技术[J]．海洋石油，2006，26（2）：104-107．

[2] 李斌，杨文达，张异彪，等．海底管道的浅地层剖面图上反射特征与判读方法[J]．海洋测绘，2010，30（5）：56-58．

[3] 栾振东，范奉鑫，李成钢，等．地貌形态对海底管线稳定性影响的研究[J]．海洋科学，2007，31（12）：53-58．

[4] 蔡春麟，张异彪，顾兆峰．参量阵浅地层剖面技术在海底管道检测中的应用[J]．海洋地质动态，2007，23（4）：38-42．

[5] 杨文达，崔征科，张异彪．东海地质与矿产[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，高级工程师，硕士，从事海洋地质调查研究工作。E-mail：yanshi70@163.com。