淺談座底式平臺作業(yè)中海底條件的影響

淺談座底式平臺作業(yè)中海底條件的影響

0海洋平臺基礎沖刷試驗研究我國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。在座底式平臺的作業(yè)過程中,由于基礎導致海洋環(huán)境因素的改變,會產(chǎn)生基礎周圍的沖刷,產(chǎn)生淘空,基礎的滑移甚至失穩(wěn),嚴重威脅平臺的安全,是困擾座底式平臺安全施工的一大難題。在勝利海域,自1985年勝利四號平臺在墾東11井施工中出現(xiàn)第一次淘空以來,座底式平臺累計淘空與滑移事故已發(fā)生10余次,其危害是平臺傾斜,地基下沉,導致生產(chǎn)作業(yè)中斷,井口報廢等嚴重后果,影響生產(chǎn)時效和施工安全,造成較大的經(jīng)濟損失和人身安全隱患。從調(diào)研分析的情況來看,產(chǎn)生的原因主要與地基情況、平臺結(jié)構情況、潮流情況和滑移情況等方面有關。在座底式海洋平臺的沖刷試驗研究方面,王仲捷通過對海上石油座底式鉆井平臺在波、流聯(lián)合作用下的防沖刷實驗,得出相應的平臺基礎沖刷規(guī)律。在單項水流的作用下,沉墊底部有少量淘刷現(xiàn)象,僅平臺前面與兩側(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海上平臺的沖刷性,其主要原因是大尺度旋渦的淘刷作用,再加上流的搬運作用。仲德林等分析了埕島油田海上石油平臺基礎沖刷的過程及其規(guī)律,研究平臺樁基沖刷的成因機制、沖刷的速率、過程和規(guī)律,為平臺的設計施工和防護提供可靠依據(jù)。韓西軍等采用系列模型對粉砂質(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行了試驗研究,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基礎的沖刷特性,并采取相應措施進行防護,避免或有效控制沉墊底部的沖刷,本文利用集團公司海工重點試驗室的46m×1.5m×1.5m波流水槽,針對坐底式平臺基礎的沖刷進行系列模型試驗,為后期平臺防護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床模型試驗中,要同時滿足懸移與起動相似,或者僅滿足兩者之一,都要求模型沙重率較小。過細的模型沙會帶來絮凝及粘結(jié)力等各方面的問題,反過來又使懸移和起動相似難以滿足。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題而提供的一種試驗方法。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動不相似而帶來試驗結(jié)果的偏差,通過做一系列由小到大的模型,將試驗成果外延,來加以消除。這樣的模型試驗方法,實質(zhì)上是利用不相似的模型取得相似試驗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的泥沙運動不相似和由模型變化所帶來的豎直水流運動不相似等問題,而且克服了因正態(tài)模型縮尺效應所帶來的一系列問題。系列模型不僅適用于研究河床單向沖淤變形的問題,而且對局部沖刷坑問題的研究有其獨特的優(yōu)越性。假定模型試驗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)。這里自變量僅取3個,當有較多自變量時,也可同樣納入。對上述方程式寫成比尺關系式,其結(jié)果為:沙玉清認為系數(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)關系,即:另外,將有關水力因素變量的比尺通過一定的比尺關系式轉(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,則通過采用原型沙,均化為1,即等,這樣,上述比尺關系式將轉(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。對于原型而言,λh=1,λx=1,故應有C=1,最后得:由上式可見,當采用一定幾何比尺的模型進行試驗時,λh為已知,Xm可以通過觀測求得,式中的未知量尚有a、Xp兩個。如果能做兩個模型就可建立兩個方程式,聯(lián)解后便可求得Xp,或?qū)⑺肵m及λh的數(shù)據(jù)點繪在雙對數(shù)紙上,連接1、2兩點,與λh=1或lgλh=0的縱軸相交,交點縱坐標即為所求原型物理量的數(shù)值Xp。按照系列模型試驗的要求,模型必須做成正態(tài)。模型比尺的選擇除應能滿足波浪、潮流及泥沙運動相似條件外,尚應綜合考慮下列條件:工程區(qū)域范圍及試驗場地的大小、試驗設備供給能力、測量精度;模型水流應滿足流態(tài)相似;模型應滿足阻力相似,并同時考慮摩阻損失不能太大。由于本次試驗中,原型沙的現(xiàn)場取樣有一定難度,無法用原型沙進行試驗。因此,綜合考慮各方面因素,以盡可能地接近工程實際為目的,最終選取了直徑為0.1mm的均勻沙進行沖刷研究,沖刷試驗的量化結(jié)果將按照系列模型理論進行延伸處理。模型以清水沖刷為主,控制水流條件,當模型沖刷坑形態(tài)基本穩(wěn)定,沖刷坑深隨時間變化較小時,認為沖刷坑已基本達到了穩(wěn)定狀態(tài),此時用超聲波地形儀對沖刷后的地形概況進行測量。2試驗計劃2.1結(jié)構物的測量試驗在46m×1.5m×1.5m的波流水槽中進行,見圖2(a),最大工作水深1m,水槽配備的設備有:液壓伺服不規(guī)則波造波機系統(tǒng);尾門式潮汐模擬系統(tǒng);兩臺總流量為0.5m3/s的雙向造流設備。結(jié)構物周圍局部沖刷地形的測量采用三維地形自動測量系統(tǒng),如圖2(b)所示。波高測量采用電容式波高傳感器2支。流速測量采用ADV聲學多普勒流速儀。2.2試驗結(jié)果和分析為了更好地觀察泥沙起動情況,并為后期的基礎沖刷試驗奠定基礎,首先在波流水槽內(nèi)進行泥沙起動試驗。水槽前端為不規(guī)則造波機及其控制系統(tǒng),中部槽底留有長5.0m,高0.15m的存泥槽(見圖3),后端設置消波箱。試驗水流為自循環(huán)式,水流速由一個無極變速的電動水泵控制。試驗段布置在水槽中部的存沙槽內(nèi),鋪泥段長5m,鋪沙段中端布置ADV流速儀測量近底處水質(zhì)點流速。試驗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一天后,緩慢注入自來水至試驗水深后進行試驗。之后每組試驗開始前均重新鋪沙,并在泥沙自然密實一天后開始試驗。試驗中,通過增大水流流速使底沙起動,起動時用ADV流速儀測量當前流速。本次試驗考慮到淤泥質(zhì)細粉沙的起動以泥沙的卷起、懸揚為主要特征,即泥沙起動時直接進入懸揚狀態(tài)。當懸揚不明顯時,床面無明顯破壞,此時泥沙并未起動;懸揚開始明顯增大時,床面出現(xiàn)破壞性坑紋,此時泥沙進入“大量起動”階段,因此試驗以底床泥沙大量懸揚且床面出現(xiàn)破壞作為判斷起動的標準。在泥沙起動試驗的過程中,使流速由小到大緩慢增大并維持足夠長的沖刷時間,用ADV監(jiān)測水槽中的實際流速,同時密切觀察水槽中泥沙的運動情況。觀察的結(jié)果顯示:流速為30cm/s時,泥沙少量起動;流速為40cm/s時,泥沙普遍起動,并出現(xiàn)沖刷坑;流速為50cm/s時,泥沙大量起動,沖刷坑形態(tài)更加明顯。因此認為該均勻沙的起動流速為40cm/s,這將作為后期進行模型沖刷試驗的參考起動流速。起動試驗之后的鋪沙層沖刷情況如圖4所示。3平臺基礎形態(tài)變化由于目標平臺的沉墊尺寸長、寬與高度相差非常大,同時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,在試驗中將模型尺寸進行概化處理,同時考慮到水槽邊壁效應的影響,在經(jīng)過系列嘗試性試驗后,將平臺基礎的長度與寬度設定為40cm與24cm?；A的高度,按照比尺進行縮放(見表1、圖5)。沖刷開始時,平臺基礎周圍出現(xiàn)泥沙的躍移,隨著時間的推移,逐漸形成小的沖刷坑,由平臺基礎的拐角向周圍延展。隨著時間的延長,沖刷范圍逐漸擴大,在縱向和橫向出現(xiàn)了不同程度的擴大和延伸。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,并有不斷擴展的趨勢。試驗過程中,目測到?jīng)_刷坑范圍明顯擴大,為了觀察沖刷坑是否繼續(xù)演化,沖刷過程持續(xù)進行到兩側(cè)沖刷坑的形態(tài)變化很小時,認為已經(jīng)達到了沖刷的穩(wěn)定狀態(tài),停止試驗,此時歷時8.5h。利用超聲波地形儀對沖刷后的地形進行測量,得到量化的沖刷坑的深度(見圖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時模型基礎深度17cm,臺上水深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進行沖刷試驗。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,對比前一時間段的沖刷結(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模型試驗法確定刷坑深度在對量化的沖刷結(jié)果按照系列模型的要求進行推演時,取各個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結(jié)果在雙對數(shù)坐標下標出,這兩點的延長線與縱坐標的交點即為原體的沖刷深度。因此可以推得實際情況下原型的最大深度約為0.505m(見圖10)。4模型試驗研究本文介紹了兩個比尺條件下的平臺基礎沖刷試驗,定性地分析了沖刷的演變過程,并通過采用系列模型理論定量地研究了平臺沖刷坑的最大深度,得到了以下結(jié)論:通過泥沙起動試驗與平臺基礎嘗試性的試驗,確定了平臺基礎沖刷的概化形式;根據(jù)系列模型試驗的要求進行了平臺基礎沖刷的模型試驗研究,定性地分析了平臺基礎的沖刷形態(tài);借助系列模型理論將試驗結(jié)果進行延伸,定量地分析了沖刷坑可能出現(xiàn)的最大深度,對工程試驗具有一定的指導意義;當沖刷達到一定程度時,模型基礎的拐角部分可能會出現(xiàn)淘空,這一位置的沖刷情況將是后期進行防護措施試驗研究的重點內(nèi)容,為尋找合適的防護方法奠定了基礎。針對試驗要求并結(jié)合現(xiàn)有試驗條件,首先進行了30