稳态流下海底管道下沉与自埋过程的实验研究：冲刷机制与触底时间效应

本研究针对海底管道在稳态流作用下的自埋过程开展实验研究，通过控制管道触底时间Ttd，揭示了自埋启动的关键机制。研究发现，延迟触底时间可形成足够深的冲刷坑，促使下游沙丘堆积阻断间隙流，最终实现自埋。该成果为海底管道安全设计提供了新见解，发表于《Ocean Engineering》。

　　

海底管道是海洋油气输送的“生命线”，但其在复杂水动力环境中的稳定性一直备受关注。当管道铺设于沙质海床时，局部冲刷会导致管道下方形成凹坑，进而引发管道下沉甚至自埋。这一过程看似简单，实则暗藏玄机——管道下沉时机如何影响自埋？自埋究竟从管道的哪个位置开始？这些问题直接关系到管道的安全设计和运维成本。

为了解开这些谜团，西悉尼大学（Western Sydney University）流体动力学实验室的研究团队开展了一系列精巧的实验。他们通过控制管道触底时间T_td，结合粒子图像测速技术（PIV），首次揭示了自埋过程的两阶段机制：预自埋冲刷和自埋启动。相关成果发表在《Ocean Engineering》上，为海底管道设计提供了重要理论支撑。

研究人员采用7.5米长水槽实验装置，通过调节管道下沉距离e/D（0至-0.8D）模拟不同触底场景。关键技术包括：1）分阶段控制管道下沉并测量冲刷剖面；2）使用PIV技术捕捉流场涡旋结构；3）基于Shields参数（θ）评估泥沙起动条件。实验设置两组对照：固定管道冲刷实验和分步下沉管道实验，通过对比揭示下沉深度对冲刷的影响规律。

研究结果可分为三部分：

3.1 固定与下沉管道的流场与冲刷特征
当管道下沉至e/D=-0.4时，管道下方冲刷深度S₀/D达到峰值1.1。PIV显示此时顶部涡旋消失，底部涡旋主导流场（图5）。Strouhal数（S_t）随e/D减小而降低（图7a），表明涡流脱落减弱。值得注意的是，e/D=-0.5时出现的下游沙丘（图4b）成为后续自埋的关键。

3.2 自埋过程机制
自埋仅在T_td≥2分钟（S_td/D>0.65）时发生。如图10所示，自埋始于管道下游侧：初期间隙流将泥沙搬运至下游形成沙丘，沙丘增长阻滞流动后，上游开始回填。而T_td=1分钟时（图11），沙丘无法稳定堆积，导致持续冲刷。

3.3 流场可视化验证
PIV结果显示（图13），自埋过程中上游涡旋持续存在，其强度与沙丘发育呈负相关。当e/D=-0.7时，间隙流速降至临界值，触发自埋。

这项研究首次系统阐释了管道自埋的时空演化规律：1）自埋需要临界下沉深度（e/D≤-0.7）和充分发展的冲刷坑（S_td/D>0.65）；2）下游沙丘的“阻塞效应”是自埋触发点；3）涡流脱落抑制可加速自埋进程。该成果不仅修正了传统认为自埋仅由重力主导的观点，更为管道跨距设计和触底时间控制提供了量化依据。未来研究可进一步探讨波浪耦合作用下自埋机制的演变规律。