海洋地质▏孙永福等：海底沙波地貌演变及其对管道工程影响研究进展
海底沙波是在陆架海域，尤其是在波浪、潮汐、海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。沙波的形态、规模多种多样，它们的特征波高一般在几米，高者可达数十米；特征波长为几米，最大可达上千米。在海岸、海峡、波浪碎波带、海湾河口、潮流水道等陆架近岸的束流区及一切有定向流速的陆架海区都比较适合沙波的形成。我国近海海底沙波的分布区域主要集中在扬子浅滩、台湾浅滩、海南岛西南和南海北部陆架等。
在潮流、波浪等作用下海底沙波具有一定的活动性。长距离海底油气管道在海洋石油开发中需求不断增加，地位和作用变得愈发重要。海底沙波的存在对于海底管道工程施工和后期维护都会产生重要的影响。这主要体现在管道施工期沙波对于管道铺设张力以及施工难度的影响；对于服役期的海底管道，移动的沙波会造成海底管道的悬空或掩埋，严重时会造成管道的疲劳破坏甚至断裂，使其面临失效的威胁。
此外，海底沙波还可能引起钻井平台的倾斜垮塌、航道淤积、海底光缆的断裂等重大危害。最大限度的减少和防止海底沙波等海洋地质灾害引起的工程事故的发生，已经成为海洋工程领域的研究热点。因此，研究海底沙波的发育、演化和运动规律，对于认识此类灾害的发生和发展过程，从而避免或减缓其对海底管道等海洋工程的危害，具有重要的科学价值和工程意义。
一、海底沙波的研究方法和手段
对于海底沙波的研究在国外己有百余年的研究历史。我国对海底沙波的研究起步相对较晚，较早的科学研究开始于20世纪90年代。目前对海底沙波的主要研究方法：现场观测研究，稳定性模型研究和数值计算研究。
最初的研究开始于对海底沙波的现场观察和实地测量，通过比较历次的测量结果，分析研究沙波活动方向和运移速率。随着单波束测量、光学成像测量、旁扫声呐、多波束测深系统等测量技术被广泛用于海底沙波的现场观测，研究者们可以定性或半定量研究沙波的几何特征；通过长期、多次地水深测量并进行剖面以及平面对比的方法来研究海底沙波地貌的演化及迁移。Van Dijk和Kleinhans通过对北海荷兰岸外多次水深测量结果的对比分析，获得了海底沙波的形态分布特征和沙波迁移速率，分析了潮流、波浪在海底沙波动力演化过程中的重要作用。Fenster通过对Long Island Sound东部海域高精度水深数据的分析，研究了海底沙波的迁移及体积变化，发现沙波沿波峰方向迁移速率的不均匀性，并且在迁移过程中还会发生旋转等现象。Buijsman和Ridderinkhof利用空间互相关技术对荷兰Marsdiep湾的海底沙波迁移方向和速度进行了分析和预测，和传统的沙波特定位置的剖面和平面对比方法，这种新的技术得到的海底沙波迁移向量分布更加可靠和全面，但是很大程度上依赖实测数据的精度、质量以及采样的时间间隔。吴帅虎等以多波束测深系统和浅地层剖面仪对长江口北港河槽测量，结果表明：沙波主要分布在以细沙为主的河床段，河床冲刷将导致推移质输沙运动增强，有利于沙波地貌的发育。郭立等通过对最新获得的多波束测深、沉积物和水动力数据对沙波形态和分布特征进行综合分析，结果表明研究区沙波广泛分布于沙脊顶部、沙脊槽中线附近及沙脊槽北端，沙波呈现远岸区尺度较小、对称性较好，近岸区尺度较大、多不对称的分布特征。
通过现场测量可以得到沙波形成的水动力条件和床面的泥沙特性，以及运移速率和方向等最直观数据和规律，也为理论模型研究提供了数据支撑，同时，沙波数值模型及其预测的准确性也需要现场实测数据来验证和改进提。但现场观测研究明显的局限性是耗费大量的人力物力，而且调查时间受气象条件和海况的制约，且测量间隔也都通常较长（＞1a），无法实现对沙波的实时监测。
基于数学方法研究海底沙波可以较大程度地节约研究成本，科学、精确的数学模型也可以有效地提高研究效率。数学方法主要可以概括分为稳定性分析模型和数值模型。为了研究不同沉积物环境和水动力下沙波的形成和演化过程，研究者们已经做了诸多努力和尝试。
稳定性模型的核心是假设平坦的海床表面具有规则的初始扰动，而且扰动的波幅足够小，通过对不同尺度的床面扰动（即沙波）进行稳定性分析，从而定性判断沙波是否形成、生长和运移。Huthnace首次利用一个简化的包含参数化沉积物输运的二维潮流场模型对底床动力变化进行，并提出了把可变形的海床和潮流场放到同一个动力系统中考虑。Hulscher等建立包含水体垂向循环结构的潮流模型，并通过线性稳定性分析对沙波成因机制进行了研究。在这个模型的基础上，一些学者建立了二维和三维数学模型，利用线性稳定性分析对海底沙波的形成过程进行讨论。目前比较公认的沙波形成理论就是由Hulscher等、Gerkema等等基于线性稳定性分析模型提出的。
数值模拟是通过直接实时求解水动力和泥沙输运过程来模拟真实的海底沙波形成和演变。Németh等建立的模型利用数值模型对有限振幅沙波的形成和迁移进行研究，并将稳定余流添加到M2分潮中，结果显示沙波的迁移方向与余流方向基本一致，这一研究结果丰富了已往对于海底沙波迁移的认识。林缅等和Li等建立了准三维模型，并模拟了南海北部K1，O1和M2三个主要分潮和表面风场影响下的沙波运移。Zang等采用与林缅等相同的流场控制方程，通过引入悬移质输沙计算，建立了沙波动态数值模型，证实了Hulscher等提出的沙波形成的流动机理，即在周期平均的潮流场中，沙波两侧垂向环流结构的存在是海底沙波形成的主要原因。
二、海底沙波形成和迁移机制研究
Danidll和Hughes根据沙波的形成时期将沙波分为两类：一类是残留沙波，残留沙波主要形成于全新世之前的末次冰期前后，有水成和风成两种成因；另一类是现代沙波，现代沙坡是在现代水动力条件和沉积物供应条件下形成的。沙波的形成与近底流速有着重要的关系。当底面有水流动且流速超过泥沙的起动流速时，沙粒开始运动，当水流流速增加到一定的速度时，沙纹开始形成。在沙纹的背水坡面形成水流漩涡，使泥沙产生一向上的剪切应力，起到维持沙纹的作用。已有学者对海底沙波成因机制做了大量的研究，本文主要针对现代沙波形成的水动力环境条件进行研究归纳，认为主要包括3种条件：
⑴潮流往复运动形成海底沙波。王文介认为潮流往复运动是形成空间上周期性变化沙波的动力来源，海底沙波是潮流动力对海底沙砾物质作用的结果，底床的发育演化跟底流速度的大小有关。
Hulscher考虑垂向上潮流循环单元结构，得出沙波周期性的规则外形是由于潮流空间上的均一性和时间上的对称性引起的（图1a）。Nemeth等认为沙波的形成是由于潮流周期变化在海床初期地形两侧形成的环流结构引起泥沙输运而引起的，当床面环流结构指向坡顶的情况，引起泥沙向坡顶输运，海底沙波处于生长的状态；相反，床面环流结构指向坡底时，沙波则处于衰退的阶段。Zang等也证实了垂向环流结构的存在（图1b）以及由此引起的沙波生长和衰退。
(a)稳定性分析理论结果
(b)动态数值模型计算结果
图１ 潮流沙波形成的垂向环流结构
⑵波浪作用形成海底沙波。冯文科等、王尚毅等、白玉川等从水流底部的紊动结构出发，提出并完善了“准共振界面波”理论，结合运动底沙摆动的特性来解释沙纹形成的原因。周其坤认为床面上做周期性摆动的泥沙颗粒，在共振波作用下，经过强迫摆动的调整，底部水流和海床床面之间就形成一个“准共振界面波”，波谷处的泥沙颗粒与波峰处的泥沙颗粒受到的水流推动力大小不同，造成床面泥沙空间上呈周期性的侵蚀和堆积。张永刚和李玉成对非线性的Boussinesq方程进行二阶波求解，讨论了界面波由于反射效应产生的反射波与入射波的非线性相互作用，认为与时间无关的周期性波动解是波驱沙波的主要形成原因。Cata-Lopera和Garcia通过在波浪水槽内模拟波浪，生成了较大尺度的沙波，同时在沙波表面还叠加有更小尺度的沙纹，这一现象与实际海域中的情况比较相近。
⑶波浪与潮流共同驱动形成海底沙波。Li和Amos通过对海底图像数据处理分析，观察到波浪与潮流同向叠加形成的沙波波峰呈现圆形、形状更规则，能够与潮流控制条件下形成的海底沙波区进行明显区分。Van der Meer等认为风浪与潮流叠加的共同作用对于海底沙波的生长有重要且复杂的影响，沙波会在风浪作用下悬移质沉积过程中逐渐增长，同时风浪会加速推移质的输运而引起沙波高度的衰减。
此外，水深、沉积物颗粒和流速等因素都与海底沙波的形成及其特征尺度有密切关系。庄振业等对不同沙波区域的环境参数进行总结后指出，沙波一般在0.2～1.0m/s底流速下发育，底流速为0.4～0.8m/s时水下沙波发育最为充分。这个流速范围属于缓紊流区，沙波尺度一般随着流速的增大而增大，紊流速过大和过小均不利于沙波的发育。研究者根据大量水槽试验研究以及现场观测数据，总结了不同环境中沙波的特征波高、特征波长和水深之间的关系。当沙波垂向生长时，沙波上方的流速会增加，过大的流速和有限的水深能够限制海底沙波的生长发育。增大流速会使沙波波高增大，但当流速增大到悬移质输运占主导地位时，沙波波峰会被削蚀，波高反而会减小。
对于海底沙波移动的流动机制，目前比较统一的看法是由于近底面余流（residual current）的存在引起的某一个方向的净泥沙输运导致了沙波的移动。在沙波移动的过程中，沙波表面一定厚度范围内的沙层变得比较活跃，沿着迎水坡方向移动，并在背水坡形成交错层理，这个过程也就是沙波的爬坡过程，从而形成了沙波的引动。余流可以由于潮流的不对称性以及波浪等所引起。最初对于沙波活动的模拟只是考虑潮流场的作用，没有考虑波流联合作用对泥沙输运的影响，且对沙波移动的计算也只考虑推移质输运，因此模拟的沙波移动速度始终小于真实值。研究结果表明：在波浪和潮流的联合作用下的输沙率和沙波迁移速度与单纯潮流下相比，有时最大可分别增加66％和80％。Jiang和Lin通过数值模拟研究了南海北部湾区域的海底沙波，发现了在余流作用下沙波出现逆行的运动特性，并对其流动机理进行了阐释。此外在台风、内波等短时极端天气情况下，海底沙波也会发生快速的迁移。
三、海底沙波对管道工程影响及海底管道维护
⒈海底沙波对管道影响
海底管道担负着输送石油天然气的重要任务。铺设在沙波海域的海底管道，其服役期的安全稳定需考虑沙波活动的影响。近年来长距离海底油气管道在海洋石油开发中需求不断增加，地位和作用变得愈发重要。我国南海北部的东方1-1及13-2气田群、乐东油气田和东海的平湖油气田、春晓三井大型油气田等海底管道路由都经过沙波充分发育的海域。长输海底管道较短输海底管道在理论上存在更大的失效概率，因此，海底沙波的分布形态及活动规律对海底管道的工程施工和安全运行均会造成较大的影响。只有在设计和维护阶段正确认识和评估海底沙波等地质灾害的影响，才能采取积极有效的预防措施，保证海底管道在役期间的安全运行。挪威船级社发布的《Submarine pipeline system》（《海底管道设计规范》）就着重强调了沙波区域海底管道的路由勘查及其活动对管道完整性的影响。海底沙波对于海底管道工程的影响可以从管道工程施工期和服役期两方面来分别考虑。
⑴海底沙波在管道工程施工方面的影响主要表现在对铺管过程中的张力的影响以及对埋设深度的影响。相对于平坦的海床，在沙波区铺管所需的牵引力会因地势的变化而发生松紧变化，因此对于铺管船的牵引速度和牵引力的实时调整要求很高。尤其在不对称的沙波区由沙波波峰向背流坡运动时，坡度的影响可引起最大牵引力的改变。此外，在管道埋设厚度上，无论是采用挖沟犁或是喷射水流等方法在沙波区进行铺设，均很难控制管道的埋设深度，尤其在沙波波长是挖沟犁长度几倍或相近的情况。以挖沟犁方法为例，在爬坡时，挖沟深度基本保持不变，但当挖沟犁的刹车跨过沙波的波峰向两波峰间的波谷运动时，挖沟犁的后部会抬起，因此挖沟的深度也会突然地减小，很难保证此时管道的埋设厚度。
⑵海底沙波对于管道服役期的影响主要包括铺设之后管道上残余应力的影响和沙波的活动引起管道的暴露和悬跨。由于起伏的海床与管道的相互作用使得管道在铺设过程中存在着残余张力，以致其在运行过程中更加容易发生屈曲甚至压溃，影响管道的安全。在海底管道铺设到海床之后，由于管道位置通常保持相对固定，而沙波在波浪、潮流等作用下的活动，将可能导致管道在某些部位发生掩埋，而在另外一些部位则发生暴露和悬空，对结构的安全产生影响（图2）。以东方1-1平台海底管道路由区为例，在东方1-1海底管道路由的沙波沙脊区KP8－KP7区间存在大量沙波群，实测数据表明该区域的海底沙波最大移动速度可达48.8m/a，沙波的活动可造成管道悬跨，对管道受力的影响很大，严重威胁管道的安全运营。
图２ 沙波区域海底管道悬空示意图
Morelissen等基于对北海海底实测数据的统计和分析建立了沙波与管道相互作用的经验模型，对海底管道可能产生的裸露和悬空进行预测。白玉川等应用准共振界面波模型对南海北部海域海底沙波的发展趋势进行研究，并对沙波对海底管道的影响做出预测。目前对于沙波活动引起海底管道悬空问题的研究不多，因此需要大力开展相关的数值模拟以及理论研究来研究此问题。
在海底管道设计和施工之前，开展管道路由调查工作是非常重要的，选择理想的管道路由可以减小在施工阶段和服役期的工程造价和维护成本。在路由勘察阶段可以利用多波束测深系统（海底剖面）、旁扫声呐（海底绘图）、浅地层剖面仪（海底埋藏特征）等确定海底地貌的形态、分布和土性参数等数据，并进行波浪、海流、潮流等相关资料的搜集和分析。基于当前水动力条件预测泥沙搬运和沉积等对海底地貌的改造及沙波移动规律，以便于根据不同情况提出解决对策，有效地减少海底沙波等地貌形态对海底管道稳定性的影响。
⒉海底管道维护
对于无法避免在海底沙波区铺设管道的情况，在管道运行服役期内必须定期或适时进行管道维护性检测以掌握海底管道在海床上的空间状态是否出露、悬空，以便制定相应的维护方案。目前国际上处理海底管道裸露和悬空问题的常用方法有：
⑴投放沙袋支撑或砾石回填。在水深较浅的情况下（＜10m），沙袋法是最简单、最经济的方法，在海湾沿海地区常使用沙/水泥的混合物来代替沙，也可以取得很好的效果。抛投砾石回填被广泛应用于处理海底管道悬空问题，既可以沿全部悬空段抛放，也可以在管道悬空段选择若干个点进行抛投，形成砾石堆以保护管道。
⑵自升式支架（机械支撑）。这是一种动态支撑方法，利用可伸缩的支腿适应高低不平的海底，达到支撑海底管道的目的，以有效减小管道悬空段的长度，使管道具有最佳结构和应力状态，有时也可以和抛投砾石联合使用。
⑶灌浆支撑和保护。用可变形的聚丙烯材料制成一个个分隔的袋子固定在管道下方，或者制作成鞍囊，将其放在管道之上。由海面的工作船通过连接管向袋子内注入水泥浆，使袋子涨大，直到抵达管道位置，从而起到支撑和保护作用。
⑷混凝土沉床或混凝土鞍。将大量钢筋混凝土柱通过聚丙烯材料连接起来，构成混凝土沉床。这种方法特别适用于管道的补救性处理（修复加重护壁、机械保护、管道加固等）和预防侵蚀。混凝土鞍可代替沉床给海底管道提供重力保护，保护管道免受局部机械损伤和局部侵蚀，并可阻止管道水平面内大范围的移动。
⑸人工仿生海草。本方法用于克服抛投砾石和使用混凝土沉床等常用的保护措施的不足之处。
此外，还有沥青沉床和锚固系统等方法。在管道的关键地区，例如登陆点附近或靠近平台处，有必要将管道锚固于海底，以消除管道的横向和纵向移动。
四、结 语
研究表明，不同的水动力条件下都有可能形成海底沙波，并且波浪、潮流以及波浪潮流联合控制条件下形成的沙波形态存在差异，沙波形成的水动力条件复杂多变，对沙波形成机理的解释具有区域性，还没有形成系统的理论，需要进一步的研究。海底沙波数学研究方法是一种经济有效的方法，但是在利用前其准确性需要通过现场实测数据或者水槽试验结果来验证。将模拟结果和现场实测数据进行对比研究，使沙波模型得到改进，提高模拟的准确度，使模型能够更准确地反映实际情况。实际中的海底沙波是海床与环境水动力相互耦合作用的结果。因此，建立完全非线性的三维沙波模型，考虑推移质和悬移质输沙模型，同时考虑潮、波、流等水动力条件，甚至台风、内孤立波等极端条件下海底沙波活动情况是未来研究发展的必然趋势。此外，建立有效的海底沙波区管道稳定性预测与分析模型也是未来开展研究工作的重点。
【作者简介】本文作者/孙永福 王琮 周其坤 刘振纹，分别来自自然资源部第一海洋研究所和中国石油集团工程技术研究有限公司；第一作者孙永福，男，1964年出生，山东潍坊人，自然资源部第一海洋研究所，研究员，博士，主要从事海洋工程地质方面研究；本文为基金项目，青岛海洋科学与技术国家实验室鳌山科技创新计划项目--海底地质灾害监测预警与评估关键技术预研究（2015ASKJ03）、中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金资助项目--海底沙波形成机理及对管线影响研究（2016Q04）、国家自然科学基金项目--南海北部外陆架海底沙波迁移特征及其动力机制研究（41806079）；文章来自《海洋科学进展》（2018年第4期），参考文献略，用于学习与交流，版权归作者及出版社共同拥有，转载也请备注由“溪流之海洋人生”微信公众平台整理。
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