王 猛，孫國民

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

拋石作為一種管道保護措施，在海底管道工程中有廣泛應(yīng)用，如近岸段登陸管道保護等。淺水拋石常采用直接傾倒的方法。由于水深淺，傾倒石料時產(chǎn)生的損耗尚可接受，拋石效果也能滿足工程要求。但隨著水深的增加，直接傾倒的損耗不可接受，拋石下落過程受波流影響，產(chǎn)生大范圍擴散，拋石效果也不能滿足管道保護的要求。深水拋石需將石料精確地放置在指定位置，對管道形成有效保護。因此，需要使用專用功能的拋石船來完成施工作業(yè)。

落管拋石船(如圖1 所示)是進行深水拋石作業(yè)的施工船舶。通過在船中或船側(cè)連接一定長度的導(dǎo)管，形成落石通道至海底管道上方，并由水下ROV 協(xié)助定位，將船上儲存的石塊，通過導(dǎo)管放置到海管上方。

經(jīng)過國外學(xué)者和工程公司對落管拋石技術(shù)的研究，深水拋石技術(shù)已在國外管道工程中有廣泛應(yīng)用。在Deep Panuke［1］、Ormen Lange 項目中，通過深水拋石保證管道的穩(wěn)定性、處理懸跨和抑制隆起屈曲。除梁富浩［2］等對該技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及其在我國油氣田的應(yīng)用前景進行綜述外，國內(nèi)尚無人系統(tǒng)研究深水落管拋石的設(shè)計理論和施工技術(shù)。

文中研究了拋石在波流作用下的穩(wěn)定性，落石對管道沖擊的影響以及施工技術(shù)。針對南海環(huán)境條件下的拋石穩(wěn)定理論進行了修正;分析了三層聚丙烯涂層管道在落石沖擊下的可接受拋石粒徑;提出同時結(jié)合石塊穩(wěn)定性和管道抗沖擊性能要求下的石料分級方法;最后，對該技術(shù)在荔灣3-1 外輸海底管道的工程應(yīng)用進行詳細闡述。

圖1 深水拋石船和水下ROVFig.1 Fall-pipe rock dumping vessel and ROV

1 拋石穩(wěn)定性

1.1 Shields 準(zhǔn)則

深水拋石的結(jié)構(gòu)形式屬于近海床結(jié)構(gòu)，拋石高度與水深相比尺度很小。為保證堆石結(jié)構(gòu)有效保護管道，石塊受到海水水動力的作用，應(yīng)保持穩(wěn)定。從實際分析波浪和海流對堆石的水動力是同時作用的，但現(xiàn)有的理論和實驗通常將問題簡化考慮為波或流單獨作用。對于波和流聯(lián)合作用的情況目前的研究成果尚不完善。

石塊穩(wěn)定性可通過臨界剪切應(yīng)力τcr和臨界流場速度Ucr兩個關(guān)鍵參數(shù)來確定。Shields［3］將剪切應(yīng)力與石塊單位面積重的比值定義為穩(wěn)性系數(shù)ψ，當(dāng)ψ 大于臨界值ψcr，石塊會產(chǎn)生移動。

式中:ψ 為穩(wěn)性系數(shù)，ψcr為臨界穩(wěn)性系數(shù)，τ 為剪切應(yīng)力，ρr為石塊表觀密度，ρw為海水密度，g 為重力加速度，D 為石塊粒徑。根據(jù)實驗結(jié)果(Breusers and Schukking，1971)，當(dāng)在0.03 ＜ψcr＜0.07 時，部分石塊出現(xiàn)移動的現(xiàn)象。Paintal［4］的實驗結(jié)果顯示0.02 ＜ψcr＜0.04 時，石塊會發(fā)生移動(如圖2 所示)。實驗結(jié)果的差別主要是由于剪切應(yīng)力的不確定性導(dǎo)致了臨界穩(wěn)定系數(shù)的不確定性。如果在設(shè)計中考慮允許堆石受到某種程度的石料損失，應(yīng)根據(jù)可接受的損傷程度，確定臨界穩(wěn)性系數(shù)，這種方法稱臨界沖刷法［5］。

圖2 穩(wěn)性系數(shù)曲線Fig.2 Shield parameter curve

1.1.1 穩(wěn)態(tài)流作用下的穩(wěn)定性

穩(wěn)態(tài)單向流作用下，剪切應(yīng)力可由Chézy 經(jīng)驗公式確定:

式中:τc為流引起的剪切應(yīng)力;C 為Chézy 系數(shù)，單位m1/2/s;uc為穩(wěn)態(tài)流速。根據(jù)Hoffmans and Akkerman［6］的研究，石塊粒徑可根據(jù)下式確定:

式中:D 為石塊粒徑;r0為流場的擾動密度，Δ 為相對密度，結(jié)構(gòu)系數(shù)cs為擾流系數(shù)ck、拋石高度d、水深h 的函數(shù)關(guān)系，對于理想的穩(wěn)態(tài)均勻流1.45g/C2≈0.01，則可得ψcr=0.07uc2/(ΔgD)，與式(1)和式(2)聯(lián)合可確定臨界穩(wěn)性系數(shù)ψcr=0.035;對于非均勻流，由于流的擾動項cs的存在，r0將增大，則可預(yù)知臨界穩(wěn)性系數(shù)ψcr將增大。當(dāng)水深較深時，d/h 為小量，根據(jù)Hoffmans［6］實驗結(jié)果cs=0.025，可得ψcr=0.05。該結(jié)果仍在Breusers 和Schukking［7］的實驗結(jié)果范圍內(nèi)。

1.1.2 波作用下的穩(wěn)定性

Shields 準(zhǔn)則是基于單向穩(wěn)態(tài)流的試驗觀察得到的。對于潮位變化引起的波，由于其流場變化速度較慢，可考慮為準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)流，仍可采用Shields 準(zhǔn)則。但對于短周期的風(fēng)、浪涌波等，該準(zhǔn)則不完全適用。Madsen等［8］的研究結(jié)果表明，在非穩(wěn)態(tài)流條件下，如果在剪切應(yīng)力中引入摩擦系數(shù)fw，計算結(jié)果與實驗結(jié)果吻合的較好。

1.1.3 波流聯(lián)合作用的穩(wěn)定性

波和流是同時存在的，單一考慮波或流來分析石塊穩(wěn)定性會導(dǎo)致計算結(jié)果不準(zhǔn)確。剪切應(yīng)力考慮為波和流共同作用時的剪切應(yīng)力。將Shield 準(zhǔn)則中的穩(wěn)態(tài)流產(chǎn)生的剪切應(yīng)力和波產(chǎn)生的平均剪切應(yīng)力進行向量疊加，得到波流聯(lián)合作用下的剪切力。

當(dāng)

考慮波流聯(lián)合作用時的剪切應(yīng)力，當(dāng)波速相對于流速較大時，波致剪切應(yīng)力也較大，當(dāng)τw＞2.5τc時，擴大系數(shù)kw與實際情況差距很大，因此該公式不適用于強波的情況。此時，可根據(jù)Soulsby［9］提出的理論進行設(shè)計。但對于深水區(qū)域，波的作用通常較小。

1.1.4 拋石坡度

拋石橫截面通常近似為梯形。兩側(cè)斜坡與海床的角度是影響拋石整體穩(wěn)定性的一個因素。由于斜坡的存在，流場經(jīng)過堆石時被加強，所以應(yīng)引入折減系數(shù)ksl對穩(wěn)性系數(shù)ψcr進行修正。折減系數(shù)ksl按下式計算:

式中:ks為海床粗糙度，ksl為坡度折減系數(shù)，α 為流場與拋石斜坡夾角，φ 為堆石內(nèi)部摩擦角，β 為拋石斜坡角。拋石坡度范圍一般為1∶ 1.5 ～1∶ 3?？紤]石塊內(nèi)部摩擦角為40°，ksl=0.171 ～0.572。

1.2 沖擊能量

大量的石塊在導(dǎo)管中下落，會對海底管道產(chǎn)生沖擊。沖擊程度取決于石塊質(zhì)量和速度。拋石過程中，落管底部是半閉合狀態(tài)，管道中充滿水，大量的石塊和海水混合下落，達到最大平衡速度。最終的速度應(yīng)考慮為石塊平衡速度和水石混合物的流體速度。由于海水的阻力，最終速度進一步降低。石塊掉落速度可根據(jù)下式確定:

式中:vt為石塊掉落最終速度，V 為石塊體積，A 為落石的投影面積，CD為拖曳力系數(shù)。

管道受到的沖擊能量按下式確定:

式中:E 為落石動能，m 為石塊質(zhì)量，ma為石塊附加質(zhì)量。對于涂敷混凝土層的管道，落石對管道沖擊小于混凝土的抗沖擊強度。對于僅有防腐涂層的管道，應(yīng)根據(jù)可接收沖擊能確定最大石塊粒徑。

1.3 石料分級

石料生產(chǎn)無法制造完全等同粒徑的石塊，且不同的粒徑能使石塊間的內(nèi)摩擦角增大，并保證一定程度的透水性，更有利于堆石整體穩(wěn)定性。為方便計算質(zhì)量，規(guī)定石塊的兩種直徑:篩網(wǎng)直徑D 和相當(dāng)立方直徑Dn。Laan［10］試驗推薦的保守關(guān)系式為Dn=0.84 D。

對于一特定的采石場，其自然地理條件決定了石料的屬性。人工采石粒徑的分布可通過質(zhì)量累計進行分類。根據(jù)CIRIA C683［11］，石料分布如表1 所示，分為三類:Narrow gradation，Wide gradation 和Very wide gradation。

表1 石料分級-CIRIA C683Tab.1 Rock-grading-CIRIA C683

EN 13383［12］將石料分布規(guī)定為三類:Heavy gradings，Light gradings 和Coarse gradings。并規(guī)定四個質(zhì)量界限:ELL (最大下限)，低于該界限的石塊質(zhì)量不大于5%;NLL (名義下限)，低于該界限的石塊質(zhì)量不大于10%;NUL (名義上限)，低于該界限的石塊質(zhì)量不小于70%;EUL (最大上限)，低于該界限的石塊質(zhì)量不小于97%。采用Rosin-Rammler 分布曲線對石塊粒徑進行分析，則分布函數(shù):

式中:y 為石塊質(zhì)量為My的分布值，n 為分級曲線的指數(shù)。要確定曲線指數(shù)n，需要兩組質(zhì)量值M 或石塊粒徑D。結(jié)合EN 13383 的定義，n 可以確定為

對式(11)進行變換，可以得到y(tǒng) 分布質(zhì)量My與50%分布質(zhì)量M50(或Dy與D50)的關(guān)系。

Allsop［13］對斜坡為1∶ 2 的可滲透堆石模型進行了實驗。實驗結(jié)果表明，當(dāng)D85/D15＞2.25 時，堆石的穩(wěn)定性會變得更差;當(dāng)D85/D15＞4.0 時，堆石被波流沖刷的程度增大。因此，當(dāng)D85/D15＜2.25，較窄的石塊分級更容易保證堆石的穩(wěn)定性，從施工量和經(jīng)濟性考慮，可考慮按此要求進行石料分級。

2 應(yīng)用實例

荔灣3-1 外輸海管外徑762 mm，采用落管拋石對約27 km 管道拋石保護。其中10 km 涂敷3.2 mm 三層聚丙烯(3LPP)，其余管道外層還涂敷混凝土層，無混凝土配重層的管道考慮拋兩層石。作業(yè)水深范圍88 m 至190 m。在該項目中，國內(nèi)首次自主完成深水拋石設(shè)計，國外拋石船完成施工工作。

2.1 粒徑選擇

百年一遇環(huán)境條件:有義波高13.8 m，譜峰周期15.9 s;最大波速0.45 m/s，內(nèi)波流速0.78 m/s。按D85/D15=2.25 進行設(shè)計，計算得到曲線指數(shù)n=1.01;外層石塊粒徑D50min=125 mm;3LPP 可接受沖擊能量值為19 J。從表2 計算的沖擊能量可以確定，內(nèi)層石的最大直徑為117 mm。即D100max=117 mm。按D85/D15=2.25，內(nèi)層石粒徑D50min=55 mm。該尺寸僅為外層石塊的40%。

表2 沖擊能量Tab.2 Impact energy

根據(jù)內(nèi)外層石塊粒徑計算結(jié)果，外層石料分級如表3、圖3 所示;內(nèi)層石料分級如表4 和圖4 所示。

表3 外層石粒徑分級Tab.3 Armour stone grading

表4 內(nèi)層石粒徑分級Tab.4 Interior stone grading

圖3 荔灣3-1 外層石料分級曲線Fig.3 Armour stone grading curve

圖4 荔灣3-1 內(nèi)層石料分級曲線Fig.4 Interior stone grading curve

2.2 石料生產(chǎn)

石料在采石場進行初采，再根據(jù)設(shè)計要求，通過篩網(wǎng)篩選達到石料分級的要求。石料生產(chǎn)后，需要采用汽車陸運至碼頭，在碼頭堆場堆放，等待裝船。拋石船靠港后，通過傳送帶將石料連續(xù)運輸至拋石船的儲石艙。荔灣3-1 項目中，石料在華瀛石場生產(chǎn)，石料密度內(nèi)層石料生產(chǎn)了38 766.34 m3，約60 088 t;外層石料生產(chǎn)57 708.99 m3，約84 255 t。合計生產(chǎn)石料96 475 m3，約144 343 t。

2.3 施工設(shè)備

2.3.1 拋石船

落管拋石船(如圖5 所示)為動力定位(DP)船，通過船舶動力定位和水下ROV 配合，實現(xiàn)精確定位拋石。國內(nèi)尚無此類施工船舶。荷蘭Van Oord，Tideway，Boskalis 以及比利時的Jan De Nul 四家公司擁有國外主要的落管拋石船(如表5 所示)。拋石船具有以下特點:1)通常具備2 個以上石料裝載艙、減少往返運輸石料的時間;2)航速快;3)配備先進的DP2 系統(tǒng);4)裝石和拋石都采用傳送帶連續(xù)輸送石料，拋石速度每小時能達到1 000 ～2 000 t/h;5)許用作業(yè)浪高可達到3.5 ～4.5 m，減少不良海況導(dǎo)致的待機時間。

表5 各拋石船主要參數(shù)Tab.5 Main parameters of various vessels

圖5 拋石船F(xiàn)ig.5 Rock dumping vessel-flintstone

2.3.2 落管系統(tǒng)

落管是從船至海床之間的石料傳送通道，采用模塊化設(shè)計、在船上組裝。落管系統(tǒng)包括管道存儲、吊裝、落管接長、卸載等部分。落管可布置在船舷或月池內(nèi)。荔灣3-1 項目使用的FLINSTONE 船，其落管材質(zhì)為高等級鋁制管，單根長12 m，外徑1 050 mm，由自動化的連接方式通過月池連接下水和回收。落管長度根據(jù)水深確定，由于船舶升沉運動，底部的ROV 應(yīng)位于管道上方4 ～8 m 位置。

2.3.3 水下ROV

水下ROV 配置在落管底部。ROV 上配備有推進器，可以克服水流阻力，引導(dǎo)石料按設(shè)定路由精確放置。電力供應(yīng)系統(tǒng)與ROV 集成安裝，通過臍帶纜在船上進行驅(qū)動。荔灣項目中使用的水下ROV 推進器功率為2 ×120 kW，配備了3 個120 kW 的電力供應(yīng)系統(tǒng)和3 根臍帶纜，臍帶纜最大長度可達2 000 m。此外，ROV 上還配備多波束探測器、攝像頭等測量和成像系統(tǒng)，將施工結(jié)果形成可視化的數(shù)據(jù)，便于施工人員判斷拋石是否達到設(shè)計要求。

2.4 實施效果

拋石于2014年6月完成。拋石后調(diào)查結(jié)果典型斷面如圖6 所示。該圖為管道路由KP0.555(水深約187.5 m)處的拋石截面。圖中可以看出該海底管道被兩層拋石全部覆蓋，起到保護管道的作用。

圖6 拋石效果調(diào)查(KP0.555 處)Fig.6 Survey results after rock dumping (KP0.555 location)

3 結(jié) 語

以荔灣3-1 海底管道拋石設(shè)計和施工的成功實施為例，采用Shields 準(zhǔn)則進行拋石粒徑設(shè)計是可行的。應(yīng)同時考慮波單獨作用、流單獨作用和波流同時作用的設(shè)計工況。當(dāng)剪切應(yīng)力滿足τw＞2.5τc時，應(yīng)進行實驗，對式(5)進行修正;或根據(jù)CIRIA C683 第5.2.1.9 節(jié)的方法進行設(shè)計。

對于無混凝土層的管道，應(yīng)考慮為拋兩層石料的方案。內(nèi)層石粒徑按涂層的抗沖擊性能確定;外層石粒徑按穩(wěn)定性原則確定。

石料尺寸分級的寬窄程度影響拋石穩(wěn)定性。實驗表明，當(dāng)D85/D15＞2.25 時，拋石穩(wěn)定性會變得更差;當(dāng)D85/D15＞4.0 時，石塊被波流沖刷的程度增大。因此，如果窄分級無法保證時，應(yīng)適當(dāng)增大拋石量，作為破損的裕量。

為降低沖刷的可能性，應(yīng)盡量選擇較低的拋石高度、較緩的坡度。石塊粒徑應(yīng)保證一定的透水性，降低流場對堆石結(jié)構(gòu)的作用力。如果堆石處于沖刷流場條件下，所有的措施只能降低沖刷對堆石的破壞程度，但無法完全避免。需考慮一定的破損裕量，并在后期進行監(jiān)測，如有破損應(yīng)進行修補。

落管拋石作為深水管道保護的解決方案，還可應(yīng)用于海床平整、挖溝人工回填、懸跨處理、跨越支撐等海底施工。目前，我國還沒有落管拋石船，對配套設(shè)備和相關(guān)技術(shù)的研究也處于空白階段。如要打破國外在該技術(shù)的壟斷，需要開展更多的研究工作。

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