海底管线在海底的稳定性分析
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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:
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 含物的重量; (2) 综合阻力FD; (3) 综合升力FL; (4) 惯性力Fi;
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。
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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, 有时还需要考虑管线沟槽开挖、埋设回填等施工 方法
(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 + Fi—Fr—Wsinθ = 0 垂直力Y: N + FL—Wcosθ= 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= μN 式中μ 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 +μ (Fl — W cosθ ) =W sinθ W=(FD +Fi +μFl )/ (μcosθ + sinθ) 对于水平的海床,θ= 0 ,则上式成为: W=Fl +(FD +Fi)/ μ
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 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。
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
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。
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。
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。
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50m。
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。
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。