CN110258659A - 海底管道登陆段间隔式土体抗液化能力提升装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海底管道登陆段间隔式土体抗液化能力提升装置及方法，装置包括土体覆重单元、波浪力分散单元和辅助排水单元，其中：所述土体覆重单元包括设置于管沟内的覆重底座和设置在覆重底座上方的临时覆重体；所述波浪力分散单元包括设置于管沟回填土内的弧形垫板；所述辅助排水单元包括设置于土体覆重单元两侧的排水套管和设置在排水套管内的回填砾石。本发明通过提高土体覆重荷载对土体进行分段加强密实；设置辅助排水单元，减小砂粒间隙，促进砂土排水；同时设置管道回填后上部的波浪力分散单元，力求进一步增强海底管道登陆段管道路由上砂土层的抗液化能力，提升海底管道登陆段土体稳定性，保障管道运行安全。

Description

海底管道登陆段间隔式土体抗液化能力提升装置及方法

技术领域

本发明涉及一种海底管道登陆段间隔式土体抗液化能力提升装置及方法。

背景技术

随着海洋油气领域快速发展，海底管道安全性保障问题研究日益提升。海底管道稳定性是影响其安全生产的关键指标，在各类环境荷载、功能荷载和偶然荷载影响下，保障海底管道的稳定性是持续追求的目标。海底管道的沉降是海底管道稳定性研究的重点，亦是海底管道管-土耦合分析的难点。诱发海底管道发生沉降的主要因素包括了管道自重引起的初始沉降、管道试压或投运后充装介质引起的二次沉降和由于土体液化引起的后期沉降。其中，前两类沉降的诱因为持续荷载，后一类沉降的诱因为周期性荷载。周期性荷载包括了海浪作用和地震作用。对于以砂土为主要土体的海底管道登陆段，浅层地基呈现饱和状态，在海浪连续拍打的作用下和安装管道附加荷载下，可能引发土体体积压缩、结构破坏、空隙水压骤升等问题，表征为砂沸、流滑等现象。受管道本体、配重和充装介质的影响，在土体液化后，管道将可能发生大面积沉降，出现大范围弯曲与悬空，大幅提升其强度破坏和疲劳破坏概率，亟待予以控制。

目前，针对海底管道土体液化的问题，主要通过前期评估进行液化可能性评价，对于具有液化可能的土体段，提出的增强土体抗液化能力措施包括土体换填、土体加密等，通过将具有液化潜力的砂土置换为较为稳定的黏土或通过排出砂土中的饱和水来改善土体条件，降低液化可能性。同时，预埋较深管道支桩的方案也被提出过，通过在管道路由上预埋基础较深的支桩，提供管道支撑。然而，上述方案、措施虽然原理明确，但在海洋工程中的实际操作较为困难，投资较高：土体换填对于液化砂层较深的管道，换填量极大；若采用液化风险段全线土体加密，一是工作量大，二是海上作业难度较高；对于预埋管道支桩的思路，由于基桩所需深度较大，也存在工程投资较大的问题。为此，亟需提供一种施工便利、费用较低且效果良好的土体抗液化能力提升方案，以应用于以砂土为主的海底管道登陆段。

发明内容

为了克服现有技术的缺点，本发明提供了一种海底管道登陆段间隔式土体抗液化能力提升装置及方法，基于波浪对饱和砂土登陆段的液化破坏机理，从增加上部覆重、改善和促进管道下方局部土体密实度及分散波浪荷载等多角度入手，提升登陆段海底管道稳定性，以进一步完善、丰富海底管道登陆段稳定性控制技术。

本发明所采用的技术方案是：一种海底管道登陆段间隔式土体抗液化能力提升装置，包括土体覆重单元、波浪力分散单元和辅助排水单元，其中：所述土体覆重单元包括设置于管沟内的覆重底座和设置在覆重底座上方的临时覆重体；所述波浪力分散单元包括设置于管沟回填土内的弧形垫板；所述辅助排水单元包括设置于土体覆重单元两侧的排水套管和设置在排水套管内的回填砾石。

本发明还提供了一种海底管道登陆段间隔式土体抗液化能力提升方法，包括如下步骤：

步骤一、登陆段预先开挖管沟后，采用驳船在覆重底座两侧、管沟开挖处的海床内，通过钻孔插入带下部筛孔的排水套管，插入深度大于1.5m，并向排水套管内填入大粒径砾石；在两个排水套管的中心位置安装覆重底座，然后在覆重底座上方安装临时覆重体；

步骤二、沿海底管道轴线方向每5～10m间隔设置步骤一所述的排水套管、覆重底座和临时覆重体；

步骤三、在临时覆重体加载24h后进行移除，然后安装海底管道并回填覆土，直至覆土回填至海底管道上方0.5m位置后，向管沟平放入弧形垫板并继续回填覆土直至结束回填。

与现有技术相比，本发明的积极效果是：

本发明通过土体覆重单元对原土体作用，提高土体受力和密实度，同时缓解液化时在管道下方发生水流上涌；通过管道支撑单元对海底管道提供柔性支撑，缓解管道运行对土体的振动影响；通过波浪力分散单元将管道顶部和侧上部的波浪力分散并偏离管道投影位置，进一步降低管道正下方土体所受扰动；通过辅助排水单元在管沟两侧设置较大粒径的砂石，连通海床与管沟底部区域，起到液化水流引流的作用。最终借助上述一系列措施，一定程度上提高管道所在位置的土壤密实度，降低波浪力作用下的土壤液化风险，提高登陆段海底管道稳定性。

本发明基于波浪对饱和砂土登陆段的液化破坏机理，在现有管道液化风险处理技术的基础上，考虑通过提高土体覆重荷载对土体进行分段加强密实；设置辅助排水单元，减小砂粒间隙，促进砂土排水；同时设置管道回填后上部的波浪力分散单元，力求进一步增强海底管道登陆段管道路由上砂土层的抗液化能力，提升海底管道登陆段土体稳定性，保障管道运行安全。

本发明适用于以砂土土质为主的海底管道登陆段。本系统原理明确、安装方便、环保节能，具体优点如下：

(1)原理可靠

本发明从提高土体覆重、促进土体内部挤压与排水和设置波浪力分散装置等多项措施出发，提高了管道所在登陆段区域的土体密实性和改善了土体的周期荷载力，进一步降低了土体因波浪力周期作用而可能发生的局部液化，亦提高了土体对于偶发地震引起的土壤液化抵抗能力。同时，本发明可根据管道实际管径，进行间隔式布置，以进一步降低投资。

(2)安装方便

本发明装置为陆上预制，现场仅需简单吊装，无水下焊接、螺栓连接等附加工序，安装方便，后期无维护需求。

(3)环保节能

本发明所需材料以混凝土和橡胶为主，材料环保；同时，本发明能免去大规模换填和深桩支护等砂土场地常用的工程方法所带来的巨大工程量。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1为本发明的一种海底管道登陆段间隔式土体抗液化能力提升装置的示意图。

具体实施方式

一种海底管道登陆段间隔式土体抗液化能力提升装置，如图1所示，包括：覆重底座1、临时上部覆重体2、橡胶垫层3、弧形混凝土板4、排水套管5、回填砾石6、筛孔7、海底管道8、管沟9等。

其中：

覆重底座1、临时上部覆重体2组成海底管道登陆段土体覆重单元，负责为海底管道中心路由上的半扰动海床进行覆重、紧实，并为海底管8道提供安装凹槽。

具体地，

1)覆重底座1的底部预制若干圆锥体，用于嵌入海床，对因开挖而受到半扰动的海床进行覆重、紧实；覆重底座1的两侧侧部为预制的土体边缘紧实翼，用于在覆重底座下嵌过程中对砂土进行集中挤压，其内部预开中空通道，用于向两侧排水；覆重底座1的上部预制两路凹槽，用于放置所述临时上部覆重体2。

2)覆重底座1材质为混凝土，为提高其配重，在其内部预埋钢板，并通过配筋提高其整体强度；

3)覆重底座1形状近似长方体平板，两侧进行转角并向下倾斜，形成土体边缘紧实翼，倾斜角度为30°；覆重底座1宽度(上部)为管道直径+1.5m，高度为0.3～0.5m，长度(沿管道轴线方向)为2m；覆重底座1在其土体边缘紧实翼处设置吊耳，用于吊装。

4)临时上部覆重体2的底部预制两路凸槽，用于对准覆重底座1的两路凹槽；临时上部覆重体2为钢筋混凝土结构，上部两侧预埋吊耳。

5)临时上部覆重体2宽度为管道直径+1.5m，高度根据所需荷载计算确定，长度(沿管道轴线方向)为2m；临时上部覆重体的重量根据实验和分析确定的管道下部土体密实要求确定。

6)覆重底座1的上部中心处设置管道就位的凹槽，凹槽深度为0.15m，凹槽宽度根据管道尺寸确定；凹槽上部设置0.05m厚橡胶垫层3。

其中，

橡胶垫层3组成海底管道支撑单元，负责对海底管道8提供就位过程和在位运行中的侧向和垂向支撑，避免损坏管道外表面，同时起到管道运行中自身震动向下部和侧部土壤的传递。

具体地，

1)橡胶垫层3预先与覆重底座1的凹槽壁连接；

2)橡胶垫层3厚度至少为0.05m，完全覆盖所述凹槽。

其中：

弧形混凝土板4组成波浪力分散单元，负责在管道安装后分散从海床上向下传播至管道的波浪力，并将此部分波浪力向管道两侧传递，并密实其下方土体。

具体地，

1)弧形混凝土板4为钢筋混凝土弧形板，厚度为0.2m；宽度为管道直径+2m，长度(沿管道轴线方向)为2m；

2)弧形混凝土板4为上凸弧形，整体弯曲角度为10°～15°；

3)弧形混凝土板4的上部预制吊耳，数量为4个。

其中：

排水套管5、回填砾石6等组成辅助排水单元，用于在管沟密实、管道运行时对管道周围砂土受到外力作用后提供空隙饱和水排出通道。

具体地，

1)排水套管直径为DN100～DN200，材质为塑料PE管，长度为管道埋设深度(坐底深度)+1m；

2)排水套管通过钻机钻孔安装；排水套管安装在覆重底座1的左右两侧，与覆重底座1外侧边缘的距离为0.3～0.5m；

3)排水套管在下部2m的范围内，在套管壁上预制若干筛孔7，孔径为25mm；安装就位后，向排水套管填入回填砾石6，回填砾石6的平均粒径为60mm，在保证砾石本体稳定性的同时，提供附近砂土中饱和水的排出通道。

综上，组成了一种海底管道登陆段土体抗液化能力提升装置，作用原理为：

本发明基于波浪对饱和砂土登陆段的液化破坏机理，在现有管道换土回填的基础上，通过间断设置覆重底座1对因管沟9开挖而发生半扰动的管道路由下方海床进行覆重、紧实，并设置土体边缘紧实翼进行两侧紧实与排水；通过设置临时上部覆重体2进一步实现土体密实；利用橡胶垫层3起到了管道本体安装保护和管道运行中震动削弱的作用；通过设置排水系统，可以有效对管道下部砂土内受到上部荷载作用而发生运移的饱和水提供排出通道；通过在管道上方设置波浪力分散混凝土板，能够将管道上方波浪荷载向管道两侧分散。通过本装置，可充分利用土体覆重、侧向排水和荷载分散等原理，提高砂土地质海底管道登陆段的土体抗液化能力，经济、高效地保障管道生产与运行安全。

本发明还公开了一种海底管道登陆段间隔式土体抗液化能力提升方法，包括如下内容：

一、根据地质和环境调查参数，评估海底管道登陆段所选路由段的土壤液化潜力；对于存在液化风险的管段，即土壤液化潜力指数高于1(不满足抗液化要求)，进行土体抗液化能力提升处理。

二、进行土体抗液化提升分析与实验，建立覆土荷载与土壤水下密度、土壤相对密度比的关系，计算满足土壤液化潜力低于1(满足抗液化要求)时对应的土壤水下密度和土壤相对密度比，并提出所需的覆重荷载，基于该参数确定覆重底座和临时上部覆重体的重量。

三、登陆段预先开挖管沟后，采用驳船在覆重底座两侧、管沟开挖处的海床内，通过钻孔插入带下部筛孔的非金属管(带内套管)，插入深度大于1.5m，并向非金属管内填入大粒径砾石；将满足步骤二重量的覆重底座运输至放置位置，并进行安装；安装完毕后，进一步安装临时上部覆重体，所述临时上部覆重体的重量根据实验和分析确定的管道下部土体密实要求确定。

四、按照5～10m/处的间隔，沿途布置步骤三的装置。

五、步骤三的临时上部覆重体加载时间为24h，完成加载后，移除临时上部覆重体，并安装管道和回填覆土。覆土回填至管道上方0.5m位置后，向管沟平放入混凝土板并继续结束回填。

Claims (10)

1.一种海底管道登陆段间隔式土体抗液化能力提升装置，其特征在于：包括土体覆重单元、波浪力分散单元和辅助排水单元，其中：所述土体覆重单元包括设置于管沟内的覆重底座和设置在覆重底座上方的临时覆重体；所述波浪力分散单元包括设置于管沟回填土内的弧形垫板；所述辅助排水单元包括设置于土体覆重单元两侧的排水套管和设置在排水套管内的回填砾石。

2.根据权利要求1所述的一种海底管道登陆段间隔式土体抗液化能力提升装置，其特征在于：在所述覆重底座的上部中心处设置凹槽，在凹槽上部设置管道支撑单元。

3.根据权利要求2所述的一种海底管道登陆段间隔式土体抗液化能力提升装置，其特征在于：所述凹槽深度为0.15m，所述管道支撑单元为厚度大于等于0.05m的橡胶垫层，并完全覆盖所述凹槽。

4.根据权利要求1所述的一种海底管道登陆段间隔式土体抗液化能力提升装置，其特征在于：在所述覆重底座的底部预制若干圆锥体，在两侧侧部预制土体边缘紧实翼、在土体边缘紧实翼内部预开中空通道，在上部预制两路凹槽、与临时覆重体底部预制的两路凸槽相对应。

5.根据权利要求4所述的一种海底管道登陆段间隔式土体抗液化能力提升装置，其特征在于：所述覆重底座材质为混凝土，上部宽度比海底管道直径长1.5m，高度为0.3～0.5m，在内部预埋钢板并设置配筋；所述土体边缘紧实翼倾斜角度为30°。

6.根据权利要求1所述的一种海底管道登陆段间隔式土体抗液化能力提升装置，其特征在于：所述临时覆重体宽度比海底管道直径长1.5m。

7.根据权利要求1所述的一种海底管道登陆段间隔式土体抗液化能力提升装置，其特征在于：所述弧形垫板为上凸弧形，整体弯曲角度为10°～15°；厚度为0.2m；宽度比管道直径长2m。

8.根据权利要求1所述的一种海底管道登陆段间隔式土体抗液化能力提升装置，其特征在于：所述排水套管直径为100～200mm，材质为塑料PE管，长度比海底管道埋设深度长1m；所述排水套管与覆重底座外侧边缘的距离为0.3～0.5m；在排水套管下部2m的范围内的管壁上预制有孔径为25mm的筛孔；所述回填砾石的平均粒径为60mm。

9.根据权利要求1所述的一种海底管道登陆段间隔式土体抗液化能力提升装置，其特征在于：所述覆重底座、临时覆重体和弧形垫板沿海底管道轴线方向的长度为2m，按5～10m的间隔进行设置。

10.一种海底管道登陆段间隔式土体抗液化能力提升方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一、登陆段预先开挖管沟后，采用驳船在覆重底座两侧、管沟开挖处的海床内，通过钻孔插入带下部筛孔的排水套管，插入深度大于1.5m，并向排水套管内填入大粒径砾石；在两个排水套管的中心位置安装覆重底座，然后在覆重底座上方安装临时覆重体；

步骤二、沿海底管道轴线方向每5～10m间隔设置步骤一所述的排水套管、覆重底座和临时覆重体；

步骤三、在临时覆重体加载24h后进行移除，然后安装海底管道并回填覆土，直至覆土回填至海底管道上方0.5m位置后，向管沟平放入弧形垫板并继续回填覆土直至结束回填。