波流联合作用下海底砂波动力演变及其对管道悬空特性的影响

In order to meet the urgent national demand for the long-distance installation of subsea pipelines, especially for the egnineering application of pipeline in the sandwaves area in the South China Sea, the mechanism of the generation and evolution of sandwaves and its influence on the pipeline spans are to be investigated intensively. The physical modelling and numerical simulations are employed to investigate the key issues. Flume experiments will be conducted on the interactions between sandy or silty seabed and the combined waves and currents.to investigate the dynamic characteristics of the sand particles in the bottom boundary layer. The empirical relationships betwwen the seepage force and the threshhold of motion and transportation of bedload are to be established.The process of generation and migration of sandwaves under combined tidal currents and waves are modelled further. The influences of hydrodynamic conditions on the characteristic length,rate of evolution and migration are determined. The fluid mechanism of generation and migration of sandwaves are analyzed. Based on the experimental results, a morphdynamic numerical model is to be developed to simulate and predict the behaviors of sandwaves in the ocean seas. The pipeline spans due to the migration of sandwaves are analyzed, especially accompanied with the local scour.The development of the pipeline spans and its influence on the safety of pipeline are evaluated. An updated analysis method for pipeline spans in the sandwaves area is to be proposed.

本项目将面向我国近海海底砂波区域长输油气管道工程需要，对复杂海洋环境下的海底砂波地形演变过程以及海底管道悬空问题展开研究。项目拟采用模型试验和数值模拟相结合的方法开展工作。首先，试验模拟波浪和海流对细砂及粉砂质海床的共同作用，研究泥砂颗粒运动特性，通过多物理参数同步测试与分析，建立考虑渗流力影响的波流下泥砂起动和输运经验公式，以用于海床演变和局部冲刷的数值模型中；进而实验模拟潮流、波浪联合作用下的砂波形成和运移过程，分析波、流等环境参数对海底砂波几何形态和迁移特征的影响，揭示砂波演变过程中的动力学机制；完善考虑渗流力影响的波流作用下地貌动态数值模型，研究复杂环境条件下的砂波活动规律；最后，分析由于砂波海床演变和局部冲刷引起的管道悬空的判别条件以及悬空长度的发展规律，提出考虑流固土耦合效应的海底砂波区域管道悬空的分析方法，为我国海洋油气开发中的长输管道设计及安全评估提供科学依据。

本项目面向近海海底沙波区域油气开采中海底管道的工程需要，重点对复杂海洋环境下的海底沙波地形动态演变以及海底管道悬空问题展开研究。海底沙波是在陆架海域，尤其是在波浪、潮流等水动力作用明显的近岸海底床面上常见的一种近似规则的起伏地貌形态。在潮流、波浪等作用下沙波具有一定的活动性。移动的沙波会造成海底管道的悬空或掩埋，严重的会造成管道的疲劳破坏甚至断裂，使其面临失效的威胁。研究海底沙波的发育、演化和运动规律，及其对海底管道悬空和动力响应的研究，具有重要的科学价值和工程意义。本项目主要从以下三个大方面开展研究并取得了相关的研究成果：1）研究波流联合作用下的泥沙运动，试验模拟波浪和海流对细沙及粉沙质海床的共同作用，研究海床地形的演变过程，建立沙波和沙纹地形特征尺度的预测模型；2）基于ROMS建立海底沙波动态数值模型，研究波流联合作用下海底沙波的活动规律及其流动机理，对真实环境下的海底沙波活动进行模拟和预测，分析不同月份海底沙波的活动规律，为海洋工程施工窗口期的确定提供科学依据；并对台风等极端条件下的沙波活动进行预测，结果表明台风作用下的沙波移动速度可达潮流下的三倍；3）分析由于沙波整体移动引起海底管道发生掩埋或者暴露的趋势，对于斜向掩埋状态下的海底管道悬空时间和空间尺度进行研究，并提出相应经验公式；研究沙波区管道悬空段在斜向海流作用下的涡激振动特性及其对结构安全性的影响，为海底管道临界悬跨长度设计提供依据。通过项目研究获得了潮流、波浪联合作用下沙波成和移动的特点、规律及力学机制；建立复杂海洋环境下的海底沙波地貌活动动态预测模型；结合局部三维冲刷问题，提出海底沙波区管道悬空的耦合分析方法。为我国海洋油气开发中的长输管道设计及安全评估提供科学的依据，并将研究成果应用于我国南海DF13-2、LF14-2等气田开发工程中。