胜利油田近岸海域土体孔隙压力对海底管道安全影响分析

徐帅陵 龙东 张璐

1中石化石油工程设计有限公司

2新疆油田公司风城油田作业区

3新疆油田公司基本建设工程处

海底管道是海上石油开采不可或缺的一部分，然而近岸海域工程地质条件和气象条件复杂多变，二者常常相互影响，对管道安全产生严重威胁，因此，海底管道的所处环境得到广大技术人员的重视。波土动力相互作用因其在海洋石油平台、海底管道和防波堤的稳定性、海底滑坡的地貌改变以及风浪消散机理等方面的广泛应用成为海洋工程领域最为关注的问题之一[1]。极端天气下，强烈的风暴潮会引发油气设施附近土体液化，导致海底油气管道的破坏[2]。黄河口三角洲因其特殊地理位置及工程性质，对我国海上石油开采具有重要价值（胜利油田就坐落在黄河口三角洲）。然而，恶劣天气引发的大型海浪对黄河口浅海区域海床产生的循环动力荷载会导致海底沉积物发生液化，极大削弱土体强度，甚至引发海床中小型表层滑坡及塌陷凹坑等[3-4]，这些不良地质作用都对近海区域海底管道的安全运营产生极大威胁。

根据以往勘察资料，黄河三角洲水下边坡主要由粉土组成，在风浪和风暴潮动力荷载作用下，诱发了许多不良地质作用。近几年来，近海区域灾害频发，国内外学者针对风浪导致海床动力作用机制进行了大量研究工作：PUTNAM、SLEATH 使用Laplace"s equation 对其进行了分析[5-6]；
MOSHAGEN和Torum 则通过热扩散方程进行研究[7]；
YAMAOTO等使用Biot 固结理论进行大量分析工作[8]。其中，BIOT 提出的三维固结理论得到广大研究人员认可，成为研究海床动力响应的基础理论[9]。THOMAS、JENG 等、ZHANG 等、LIAO 等、LIU 等均针对风浪作用下海底土孔隙水压力累积进行了数值分析，并得出解析解[10-14]。YE 等通过构建FSSI 模型进行风浪、暗流作用对海床稳定性影响分析，并进行一系列液化过程模拟[15-18]。通过原位测试可探究孔隙水压力变化与风浪、潮位、沉积物的物理力学性质等各种影响因素的关系[19]。在海洋工程中，土体孔隙水压力变化是造成土体液化的根本原因，而海底管道直接坐落在海底土体上，因此对海底土体液化的研究迫在眉睫。

胜利油田多个海堤在2019 年“利奇马”台风期间遭受重创，造成了巨大的经济损失。本文首先分析了土体液化的机理及液化土体对海底管道的影响，通过自行研发的孔隙水压力监测设备在东营胜利油田桩104 海堤近岸位置布放孔隙水压力监测装置，对该区域孔隙水压力进行实时观测，基于大量高精度监测数据分析孔隙水压力与潮位变化之间的关系，确定研究区近岸段是否存在液化风险，并总结孔隙水压力变化规律，分析液化土体对海底管道安全的具体影响。

研究位置位于胜利油田桩104 海堤近岸处（图1）。参照《土工试验方法标准》对海床土体试样进行常规土工试验，试验结果表明该区域土体含水率自上而下不断减小。根据钻探资料可知该处底床表层沉积物类型主要为粉土，厚度在6 m 左右，下卧粉质黏土层。在海床下6 m，因为土中黏粒含量逐渐增大，使得下卧土层渗透系数不断减小。整体而言，自上而下，海床下6 m呈稳定粉质黏土层，沉积环境相对稳定，通常情况下不会发生液化。因此，研究区土体液化情况主要发生在上覆6 m 的粉土层中。

图1 研究区位置Fig.1 Location of the study area

研究区受渤海风场变化制约，常时主要以风浪为主。该海域全年大于6 级风以上日数为137.5天，发生频率为7.11%；
全年大于8 级风以上的大风日数为15.7 天，发生频率为0.36%。大风天多见于秋季和冬季。

孔隙水压力监测时间为2021 年9 月15 日至9 月23 日，其中9 月20 日至21 日凌晨风力达到6～7级，其余时间风力在2～4 级之间。因此，本次监测选择的时间和位置有利于获取较大风浪条件下的孔隙水压力响应数据，可以借此推断该处在非极端天气下是否存在液化风险。

2.1 土体液化原理

根据有效应力原理：

式中：σ为土体总应力，受外部荷载和土体自身状态影响，kPa；
σ′为土体有效应力，作用在土颗粒骨架上，kPa；
μ为孔隙水压力，作用在孔隙水上，kPa。

土体中的应力由孔隙水压力和土颗粒间的有效应力组成。当孔隙水压力不断增大时，有效应力不断减小；
当土体中的有效应力为0 时，土体应力完全由孔隙水压力组成，此时土体抗剪强度达到最小值，这种现象称为土体液化现象。

2.2 液化土体对管道稳定条件的影响

当海底土体在波浪力作用下产生孔隙水压力变化时，土体极易发生液化。通常认为液化土体内摩擦角为0，土的黏聚力则趋于无穷小。此时管道的稳定状态主要受管道质量（包含管内流体质量）、土的密度以及土的强度确定[20]。当管道密度为Q时，管道稳定条件为

式中：ρ为土体密度，kg/m3；
ρ0为管道内流体密度，kg/m3；
c为土体黏聚力，kPa；
D0为管道直径，mm。

由上式可知，当土体发生液化时，c趋向于无穷小，此时Q所在的稳定区间长度减小，即管道稳定范围缩小，管道发生危险可能性增大。

2.3 液化土体对管道地基承载力的影响

根据太沙基地基承载力公式：

上述各式代入式（3）后得：

式中：γ为土体容重，kN/m3；
b为管道与地基土接触长度，m；
Kp1、Kp2、Kp3分别为土体质量、土体黏聚力及管道荷载所产生的土压力系数，无量纲。

当土体发生液化，φ=0，此时由上式可知：

综上所述，式（3）得值大于式（6），即土体发生液化后，其承载力急剧减小，管道地基土承载力降低，管道易发生不均匀沉降（图2）。

图2 土体液化管道状态Fig.2 Pipeline condition in liquefied soil

综上所述，土体液化不仅会破坏管道自身稳定，还会导致管道地基发生不均匀沉降，严重威胁管道安全。

3.1 监测设备

根据勘察资料和试验数据可知，研究区域内海床起伏较大，上覆6 m 粉土层。海床起伏较大时，不仅会增加设备的布放回收风险[21]，还对孔隙水压力监测设备采集结果产生影响。为了保障安全，提高试验精度，本次试验选择研究区中某起伏较小区域作为观测区，适合孔隙水压力探杆现场布放及回收。

孔隙水压力监测设备由中国海洋大学贾永刚团队自行研发，主要由孔隙水压力监测探杆、电池及数据存储器组成（图3），包括孔隙水压力监测探杆、电源、数据储备3 部分。其中，压力传感器按一定间距均匀安装在监测探杆上，数据存储设备则布设在探杆顶部。使用时，探杆依托配重及自身质量自由下落贯入海床中。试验采用的孔隙水压力监测探杆直径为4 cm，内置3 个孔隙水压力探头，间距1 m，孔隙水压力数据采集频率为1 Hz。

图3 孔隙水压力监测设备Fig.3 Pore water pressure monitoring equipment

3.2 试验方案

孔隙水压力设备布设位置标高约为0.6 m。为了准确获得较大风浪环境下的监测数据，更好推断该处在常时是否存在液化风险，孔隙水压力监测时间为9 月15 日至9 月23 日，其中9 月20 日至21 日凌晨风力达到6 级，其余时间风力在2 至4 级之间（图4）。

图4 大风期间波高和有效波高的时间分布Fig.4 Time distribution of wave height and significant wave height during gale

选择监测期间内的一个大风过程（2021 年9 月19 日12 时至21 日12 时）进行具体分析。监测时长约为32 h，风浪变化过程为：平缓迅速增大至某一高度，稳定后逐渐减小。拟从孔隙水压力、无潮位孔隙水压力和超孔隙水压力3 方面进行孔隙水压力规律研究。具体操作方案如下：

（1）进行传感器标定，以保障监测数据的质量。

（2）根据研究区海域大风时间，确定监测时间。

（3）确定监测位置。

（4）于低潮时用手持钻机钻孔，并布放探杆（图5、图6）。

图5 孔隙水压力传感器组成结构Fig.5 Structure of pore water pressure sensor

图6 孔压监测试验现场Fig.6 Pore pressure monitoring test site

（5）回收探杆，导出监测数据。

（6）数据处理，分析大风浪过程中总孔隙水压力变化情况及风浪作用下孔隙水压力及超孔隙水压力变化情况。

（7）总结该过程中孔隙压力变化规律及影响因素，推测研究区在常时是否存在液化隐患。

4.1 总孔隙水压力

大风期间海浪高度及有效高度时间分布见图7。大风过程总孔隙水压力、潮位随时间的变化情况见图7。由图7 可知：不同深度孔隙水压力整体趋势一致；
孔隙水压力大小与深度呈正相关。

由图7 可知不同深度的孔隙水压力变化趋势与潮位基本一致，这表明该风浪环境对监测位置土体孔隙水压力有较大影响，具体变现为：孔隙水压力发生振荡，3.5 m 处孔隙水压力最大值为50.76 kPa，最小值为39.85 kPa，振荡幅度高达10 kPa，1.5 m和2.5 m 处孔隙水压力变化趋势与3.5 m 基本一致，变化幅度在10 kPa 左右。

图7 总孔隙水压力及潮位随时间的变化Fig.7 Variation of total pore water pressure and tide level with time

4.2 无潮位孔隙水压力

无潮位影响的孔隙水压力值见图8。探杆布放时水深约为0.1 m。根据无潮位孔隙水压力变化情况，可以发现3 个位置的孔隙水压力变化较总孔隙水压力变化幅度有所减小，3.5 m 处最大孔隙水压力达到46.43 kPa，最小为35.65 kPa；
2.5 m 处最大孔隙水压力为35.97 kPa，最小为25.03 kPa；
1.5 m处最大孔隙水压力为24.93 kPa，最小为15.43 kPa。变化幅度较大的时段均出现在20 日左右，与20 日的大风天气相重合，说明大风天气对孔隙水压力变化有一定影响，该区域在大风天气应加强海底管道监测，掌握管道在大风天气的稳定状态。

图8 无潮位孔隙水压力Fig.8 Pore water pressure at no tide level

4.3 超孔隙水压力

当土体受到外部荷载影响时，土体内部的水来不及流出，被瞬间堵塞在土体内部，由于水不可压缩，所以此时土体中的有效应力为0，外部荷载全部由水承担。此时，超出孔隙水压力的力称为超孔隙水压力。

本次监测因波浪高度变化剧烈使得孔隙水压力发生振荡并产生超孔隙水压力，超孔隙水压力监测数据如图9 所示。由监测数据可知，2.5 m 处的超孔隙水压力监测数据大于另外两处，说明该大风天气对不同深度超孔隙水压力影响呈抛物线状，本次大风天气对2.5 m 处的孔隙水压力影响最大。

图9 超孔隙水压力随时间变化Fig.9 Variation of excess pore water pressure with time

另外，在大风影响下，超孔隙水压力值呈线性变化，没有累积过程，表现为持续增加和持续减小。文献[20]研究结果表明：当水深波长一致时，大风浪会引起海底土体孔隙水压力的累积变化，小风浪则会引起孔隙水压力瞬时变化。这与本次观测结果是一致的。

风浪引起的海床表面压力衰减和相位变化是海床土体中超孔隙水压力产生的主要原因。在19 日16:00 至21 日6:00 时间段的大风浪环境中，超孔隙水压力变化尤为明显，其三次峰值分别是：20 日凌晨2:00 达到9.83 kPa，在20 日下午15:00 达到最大值11.36 kPa；
21 日凌晨3:00 再次达到第三峰值9.38 kPa。三次极小值分别为：19 日20:00 超孔隙水压力为0.73 kPa；
20 日12:00 左右降低至1.54 kPa；
23:00 减小至2.37 kPa。造成这种持续波动的主要原因为该大风浪环境强度不足以使得土体发生明显的塑性变形，即本次大风产生的超孔隙水压力对管道无影响。

本次监测数据表明：风浪环境对海底土体孔隙压力有一定影响，使得孔隙水压力发生振荡，振荡幅度约为10 kPa，不同深度孔隙水压力变化趋势一致；
浅海地区海床土体孔隙水压力受水位影响，随着水位增大，孔隙水压力也随之增大。孔压变化易引发海底土体液化，海底管道在海床液化后可能发生滑移造成破坏。因此，近岸海域敷设的管道在大风天气应加强管道本体监测以实时掌握管道状态，防止发生事故。

超孔隙水压力受风浪环境影响较大，在大风浪环境中发生多次剧烈振荡，超孔隙水压力极大值与极小值相差4～9 倍，导致这种现象的主要原因是风浪强度并没有使得土体发生塑性变形，孔隙水压力、超孔隙水压力难以累积，说明本次监测的风浪强度并未导致观测区内土体发生液化。因此，本次大风天气对监测区域海底管道无较大影响。

风浪对海底土体的影响主要表现为瞬时变化和累积变化两方面。瞬时变化完全取决于风浪的瞬时波动，可以在短时间内引起孔隙水压力强烈变化，且产生快、消散快。而累积变化只有当孔隙水压力受风浪影响增大的量大于消散的量时才会产生累积效果。累积效果产生条件较为苛刻，需要海底土体抗液化能力和风浪强度同时满足条件才可发生。海底土体在发生液化后，经过再次固结，其强度大幅提高，抗液化能力增强，只有海况条件远大于之前发生液化的海况条件时，才会再次破坏土体强度发生液化现象。

本文研究孔隙水压力变化引起土体液化的机理及液化土体对管道的具体影响，并采用自行研发孔隙水压力监测设备，对较大风浪条件下胜利油田桩104 海堤近岸海域粉土孔隙水压力、超孔隙水压力进行实时监测。通过分析、处理监测数据对风浪作用下海底土体的响应过程进行研究，得到结论如下：

（1）孔隙水压力变化是导致土体液化的主要因素，液化土体一方面会削弱管道稳定状态，另一方面会导致管道发生不均匀沉降。

（2）风浪环境对孔隙水压力、超孔隙水压力均有影响。本次监测风浪环境导致孔隙水压力发生幅度约为10 kPa 的振荡现象。超孔隙水压力受风浪影响较大，发生多次剧烈振荡，极大值与极小值相差4～9 倍，导致这种现象的主要原因是风浪强度并没有使得土体发生塑性变形，即本次大风天气对监测区域海底管道无较大影响。

（3）浅海地区不同深度孔隙水压力变化趋势与潮位变化趋势基本一致，海底土体液化后再固结会增强土体抗液化能力，只有发生强度更大风浪才会再次导致液化。