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1、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
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
3、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
4、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50
5、m。,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
6、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
7、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
8、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 + FiFrWsin = 0垂直力Y： N + FLWcos= 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= N式中 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 + (Fl W cos ) =W sin W=（FD +Fi +Fl ）/ (cos + sin) 对于水平的海床，= 0 ，则上式成为： W=Fl +(FD +Fi)/ 上式可用
9、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=CDDUU N/MFi= CM D2 N/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=CLDU2 N/M 式中 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
10、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。,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0.1 0.2 时， U一般采用Stokes 五阶段波理论计算
11、； （3）当0.040.05d/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=CDAUC2 N/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=CLAUC2 N/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
12、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R R2C/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/D S
13、G 的下限； SG2= SG土 2C/D SG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
14、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
15、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）,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
16、恰好降到该点的剪切力b，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e值。,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b 为: b= 式中： -海水密度 ,10kN/m3 -摩擦系数，0.01 根据达到冲刷平衡时的条件，利用以上函数关系可计算最大冲刷深度H-R。,地基土液化可能性,饱和的砂土和粉土，在循环或振动荷载（地震、波浪）作用下，容易发生液化，使土的剪切强度骤降，承载力近乎丧失，对管线工程危害严重，因此需对地基土的液化可能性进行评价。,一、地震条件下的液化,可采用标准贯入法（建筑抗震设计规范，GB11-89)、抗液化剪应力法、静力触探法（工程地质手册1992.2）等方
17、法进行判别。 建筑抗震设计规范(GBJ11-89)规定，对饱和土进行液化判别和地基处理，在地震烈度为6度时一般情况下可不予考虑；当地质年代为Q3及其以前，或饱和粉土的粘粒(粒径小于0.005mm的颗粒)含量，7度、8度和9度分别不少于10、13和16%时，可判为不液化土层。据此，可对地基土层进行液化可能性初步判别，若判为液化土层，则需作进一步判别,1.按标准贯入试验判别 在地面下15m范围的粉土，符合下式要求，则认为是可液化的。N63.5NcrNcrNo0.90.1(dsdw)()1/2式中：N63.5-饱和土标准贯入锤击数实测值； Ncr-液化判别标准贯入锤击数临界值； No-液化判别标准贯
18、入锤击数基准值，地震烈度为7 8、9度时分别为6、10、16； ds-饱和土标准贯入点深度(m) dw0 c-粘粒含量百分率，当小于3或为砂土时，均采用3。,如果存在液化土层，根据各液化土层的深度和厚度，按下式计算液化指数：ILE diWi式中： ILE -液化指数 n-15m范围内每一个钻孔标准贯入试验点总数； Ni、Ncri-分别为i点标准贯入锤击数的实测值和临界值； di-i点所代表的土层厚度(m)，可采用与该标准贯入试验点相邻的上、下两标准贯入试验点深度差的一半，但上界不小于地下水位深度，下界不大于液化深度； Wi-i土层考虑单位土层厚度的层位影响函数值（单位为m-1)，当该层中点深度
19、不大于5m时应采用10,等于15m时应采用零值，5-15m时按线性内插法取值,存在液化土层的地基，应根据其液化指数按下表划分液化等级： 液化等级,2.按抗液化剪应力判别 Seed等人认为，地震时由基岩向土层传播的剪切波，在土层中产生周期性变化的剪应力e。如果在室内对所需判别砂土模拟地震时的应力状态，通过振动三轴试验确定可液化土层的抗液化剪应力随液化破坏振次的变化关系，即可以得砂土发生液化时所需的抗液化剪应力d，将其与地震剪应力进行比较，如果de，砂土可能发生液化，反之de，则不液化。,根据工程地质手册(1992.2第三版)地震作用时等效平均剪应力e和砂土抗液化剪应力d可按下面公式计算： e0.
20、65k amax 式中：e地震作用时的等效平均剪应力(kPa) k应力折减系数(表2) amax地面最大加速度(表3) 深度ds以上土层的天然容重(kN/m3) ds砂土所处的深度(m),dCrv( )NDr式中： d-砂土抗液化剪应力(kPa) Cr-应力校正系数（表4）；( )NDr -相对密度为Dr的砂土在等效应力循环次数N作用下室内动三轴试验的液化应力比； v-地震前上覆土层自重有效压力(kPa)。,二、波浪荷载作用下液化,根据Kenji Ishihara建议的方法进行分析，将土层抗液化强度d与波浪荷载振动剪应力w进行比较，如果dw，土层可能发生液化，反之dw，则不液化。,波浪荷载作用
21、下土层的抗液化强度d按下式计算：d= CkCpCr( )Nv式中：Ck考虑波浪荷载特点及残余孔压影响下的修正系数，取0.85Cp考虑主应力偏转影响的修正系数，取0.7 Cr试验应力状态修正系数，取0.6( )N试验得到的与一定破坏振次对应的抗液 化剪应力比v液化土层的上覆有效压力,波浪荷载在土层中引起的振动剪应力按下式计算：wPo 式中:Po波压力,Po z土层深度，m L实地水深处波浪的波长，m w海水密度，kN/m3 H波高，m h水深，m,海底稳定性评价中应注意：,1.当高分辨率的工程物探资料揭示有海底滑动迹象时，管线应尽可能避开海底滑动区。如实在不可能，要使管线方向与滑动方向一致。 2
22、.在极软粘土质土的区域，即便没有从工程物探资料中发现海底滑动的迹象，也应分析海底滑动的可能性。滑动驱动力为重力和波浪力，在地震区域内还伴随地震力。土的抗剪强度为其抗阻力。 3.最简单的分析方法为极限平衡分析方法。其中又包括圆弧滑动面法和无限坡法。选取哪一种方法取决于海底土层的几何形态，即土层垂直方向和水平方向的尺度之比。当该比值很小时，用无限坡法是适宜的，无限坡分析中又分总应立法和有效应力法。,海底管线治理技术介绍,不停产状态海管后挖沟；水下抛石、抛填沙袋；土工布覆盖配合混凝土沉排垫铺设；水下支撑桩；抛沙配合仿生水草铺设；,海底管线悬空治理技术：,不停产状态海管后挖沟：,对海底管线进行后挖沟作
23、业的挖沟机，主要根据流体力学原理，挖沟机前部利用多台多级离心泵产生高扬程大流量的强大水柱进行冲击作业，从而冲刷出有效深度和宽度的沟型。 该挖沟机对于海底管线挖沟可一次成型，它的速度是根据不同的地质情况有所变化，在粉沙地质可达到2.53m/min的速度；在粘性较高的土质条件下或铁板沙区域，它的速度只有0.8-1m/min左右，最下面的宽度在2.12.3m左右，沟深达到2m。 这种不停产状态海底管线后挖沟技术，已成功应用于胜利油田海洋采油厂的多条海底管线。在导向杆上设有应力传感器是国内同行业首创，将不安全因素降到最低。,不停产状态海管后挖沟：,不停产状态海管后挖沟：,不停产状态海管后挖沟：,仿生水
24、草铺设工艺：,仿生草是基于海洋仿生学原理而开发研制的一种海底防冲刷的高新技术产品。仿生草是由以下几部分组成： 1、仿生草安全保护网； 2、新型高分子材料加工而成的仿生水草叶片； 3、仿生草安装基垫； 4、特殊材料制成的高强度锚带； 5、特殊设计的海底锚固装置。,作用机理： 1、仿生草叶片在浮力作用下飘浮，海水受到仿生草的柔性粘滞阻尼作用，流速降低，减缓了水流对海床的冲刷。2、由于流速的降低和仿生草叶片的阻碍，使水流中夹杂的泥沙不断地沉积到仿生草基垫上。3、经过一段时间的沉积，形成沙丘从而有效的控制了对海床的冲刷，保护了海底结构物。,海底管线治理技术介绍,仿生水草铺设工艺：,在北海海底安装为例： 在北海南部石油天然气管线下已发生严重冲刷，管线悬空。管线直径762毫米 ，沙质海床。施工时的海流流速为1.34米每秒。防冲刷仿生草安装在管线下面，在很短的时间内就形成了淤积沉淀，对管线形成了支撑和保护，并在管线的外部形成沉积沙坝。（附效果阶段图）,沉积早期一周以内,沉积一个多月后的图片，沙丘已初步形成。,沉积三个月后的图片，沙丘已进一步得到巩固，形成沙坝,海底管线治理技术介绍,仿生水草铺设工艺：,半年后的情况，只有很短的一段仿生草露在外面，一般是10厘米。,是一年后的情况，沙坝已经自然延伸形成缓冲和海床融为一体。 (多年后检查仍没有变),
