针对海底管道冲刷灾害的注浆防护方法及其使用的注浆设备与流程
本发明涉及海洋工程技术领域，特别是针对海底管道冲刷灾害的注浆防护方法及其使用的注浆设备。
背景技术：
海底管道作为油气等资源的跨海运输通道，对国家远程能源输送和经济发展起到了重要的作用。海底管道通常经过混凝土加重、防腐等一系列防护措施后，通过自身重量沉降到海底，铺设在海底表面，或开挖管沟使其埋设在海洋土体内部一定深度，从而保障油气的安全运输。
然而海洋环境复杂，尤其是风浪和海流的长期作用会造成管道周围海洋土体的不断冲刷，使铺设在海底表面或埋设在海洋土体中的管道露出原先的管沟，导致铺设的海底管线悬跨架空。当悬跨达到一定程度时，管线失去有效的支撑作用，因受到较大的弯矩及作用力而破坏；同时水动力荷载引起的管线涡激振动，使得管线发生疲劳破坏，造成管线的断裂和油气泄露。因此开发新型、高效、经济的海底管道冲刷防护技术具有重要的工程应用价值。
申请号为201020699450.1的中国专利申请公布了一种海底输油管道防冲刷保护结构。该保护结构通过仿生海草安装基垫及抛投沙袋组成联合结构来抵抗冲刷作用。但是，该保护结构的条带状仿生海草在强水流作用下易倒伏，使得阻流和泥沙沉积效果变差，可靠性较差。
申请号为201610278503.4的中国专利申请公布了一种海底管道柔性板群冲刷防护装置。该防护装置通过一个平铺海底管道旁边的海床垫板和排列在海床垫板上的若干个柔性板来抵抗海流的冲刷作用。但是该防护装置需要人工水下打桩，自动化程度不高。
申请号为201720244206.8的中国专利申请公布了一种适用于海底管道的抗冲刷装置。该抗冲刷装置通过沙袋、网状覆盖物、防水帘和多个能悬浮在海面的悬浮体，减少冲刷强度，促进海床附近运动的底沙在海底管道附近的淤积。但是该抗冲刷装置存在水下技术问题且费用昂贵，难以应用于实际。
其他针对海底管道冲刷灾害的防护措施普遍为水下抛石、沙包堆垒等，但由于这些固态物体的存在，易出现二次冲刷导致海底管道二次悬空，发生变形破坏，实际使用效果不理想。
技术实现要素：
本发明的目的是通过注浆设备对浅埋于海床的海底管道中受冲刷较为严重的某段管道进行注浆防护，最终在该段管道周围形成一段连续墙作为注浆加固区，从而有效的保护海底管道并延长使用寿命，设计了针对海底管道冲刷灾害的注浆防护方法及其使用的注浆设备。
实现上述目的本发明的技术方案为，一种海底管道用的注浆设备，包括：注浆主体，设置于海底管道的上方，所述注浆主体内设有驱使其自身移动的驱动装置；至少两组注浆管，分别通过套管伸缩节与所述注浆主体连接，所述注浆管上设有数个与所述注浆主体内的浆液连通的注浆孔；压力泵，设置于所述注浆主体或注浆管内，用于控制从注浆孔流出的浆液的半径。
本申请提供了一种优选的注浆设备，所述注浆管上的注浆孔沿着管道方向至少有四列，每个注浆孔的直径均相同。
本申请提供了另一种优选的注浆设备，所述注浆管上的注浆孔沿着管道方向至少有四列，其中一列的注浆孔从上向下的直径依次增大。
进一步的，另外几列的注浆孔直径相等且其注浆孔直径大小位于其中一列最大直径和最小直径之间。
再进一步的，所述注浆管上的注浆孔在竖直方向上等距分布。
进一步的，所述驱动装置为行走轮，所述注浆主体通过驱动装置行走于海底管道上。
本申请提供了一种针对海底管道冲刷灾害的注浆防护方法，包括以下步骤：
a、注浆设备的注浆管插入到海底管道两侧的海洋土体中，且注浆管最底端的注浆孔位于海底管道的下方，注浆设备开始注浆，浆液从注浆孔扩散到周围的海洋土体中，海底管道周围的海洋土体土体和浆液充分混合，形成类梯形的注浆加固区；
b、注浆管向上移动的过程中，逐渐降低注浆设备内的注浆压力，填充注浆管形成的空腔；
c、注浆管离开注浆加固区。
进一步的，在所述步骤c后，增加步骤d：注浆管沿着海底管道前移，重复操作步骤a至步骤c。
本申请提供了另一种针对海底管道冲刷灾害的注浆防护方法，包括以下步骤：
a、注浆设备的注浆管插入到海底管道两侧的海洋土体中，且注浆管最底端的注浆孔位于海底管道的下方；
b、注浆设备开始注浆，浆液通过注浆孔扩散到周围的海洋土体中，使海底管道周围的最下层土体和浆液充分混合，形成注浆加固区，暂停注浆；
c、注浆管向上移动，使注浆孔位于海底管道所对应的第n层海洋土体，同时降低注浆设备的注浆压力，浆液通过注浆孔扩散至该层海洋土体并与之充分混合，形成注浆加固区，暂停注浆；
其中，n从开始计数，每操作一次步骤c，n+1；
d、重复上述步骤c，直到注浆加固区覆盖海底管道的顶端，形成类梯形的注浆加固区；
e、注浆管从注浆加固区收回。
进一步的，在所述步骤e后，增加步骤f：注浆管沿着海底管道前移，重复操作步骤a至步骤e。
本申请的两种方法的主要思想均是通过注浆设备形成类梯形的注浆加固区，故具有单一性。
本发明的有益效果是：只需要对浅埋于海床的海底管道中受冲刷严重的某段管道进行注浆防护，有操作简单、节约成本、效果显著的特点；通过注浆工艺将浆液均匀注入海底管道两侧的土体中，能有效的提高管道周围土体的承载力，从而减弱了风流和海浪的冲刷作用，在加固和保护海底管道方面起到了重要的作用。
附图说明
图1是本申请实施例1中的注浆设备注浆的示意图；
图2是本申请实施例2中的注浆设备注浆的示意图；
图3本发明实施例注浆管分层注浆的示意图；
图4为本发明实施例注浆结束未受冲刷时海底管道的受力分析图；
图5为本发明实施例注浆结束后受冲刷时海底管道的受力分析图。
以上各图中，1、注浆主体；2、注浆管；21、注浆孔。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如下：
本申请利用通过注浆对海底管道进行防护，通过提高海底管道周围土体的承载能力，从而减弱风浪和海流造成的冲刷破坏，有效的保护海底管道并延长使用寿命。
实施例1
一种海底管道用的注浆设备，如图1所示，包括注浆主体1，至少两组注浆管2和压力泵。其中，注浆主体1设置在海底管道的上方，注浆主体1内设有驱使其自身移动的驱动装置。这里，注浆主体1既可以在海底管道的上方移动，又可以在海底管道上移动，此时，其可以设计成行走轮等样式。
注浆管2成组设置，其在使用的时候，在海底管道的两侧分别设置至少一组注浆管2，该注浆管通过分别通过套管伸缩节与注浆主体1连接，以实现注浆管2在海底管道的两侧上下移动，只要能够使注浆管2与注浆主体1产生相对的上下位移均属于套管伸缩节的范畴。
在注浆管2上设有数个与注浆主体1内的浆液连通的注浆孔21,注浆管最下端封闭。该注浆孔21用于向海底管道及其周边注射浆体。本实施例中，注浆管2上的注浆孔21沿着管道方向至少有四列，每个注浆孔21的直径均相同，注浆孔21只分布在注浆管下端。压力泵图未示设置在注浆主体1或注浆管2内，用于控制从注浆孔21流出的浆液的半径。注浆管2在上拔的时候注浆，注浆设备开始注浆，浆液通过注浆管2上的注浆孔21注入海底管道周围的土体中。通过压力泵，使得从注浆孔21流出的浆液的半径逐渐降低，形成类梯形的注浆加固区。
本实施例的理论基础是：为了保证最终形成的注浆加固区截面呈类梯形，关键在于注浆管2分段向上收缩所进行的分层注浆过程，使上层土体中浆体扩散的距离依次小于下层的土体中浆体扩散的距离，关键在于控制注浆设备的注浆压力。由magg公式
实施例2
与实施例1不同的是，本实施例中，注浆管2上的注浆孔21沿着管道方向至少有四列，其中一列的注浆孔21从上向下的直径依次增大，此列注浆孔21主要用于背向海底管道注射浆体。此处的注浆孔21可以沿着注浆管2均布或者如实施例1只分布在注浆管下端。在注浆压力一定的情况下，增大注浆口径，以使浆体的扩散半径更大。在此基础上，其余几列注浆孔21直径相等且其注浆孔21直径大小位于其中一列最大直径和最小直径之间。例如：每个注浆管2的前后内外四侧各分布一竖排注浆孔21，每一竖排各有四个注浆孔21，远离海底管道一侧的注浆孔21的直径由上到下依次为15mm、20mm、25mm和30mm；其余三侧注浆孔21的直径均为20mm，竖直方向等距离分布。注浆设备开始注浆，浆液通过注浆管2上的注浆孔21注入海底管道周围的土体中。另外，注浆管2上的注浆孔21在竖直方向上等距分布，便于注浆管2在静止的过程中，能够一次性形成类梯形的注浆加固区。由于浆液的扩散半径与注浆孔21的口径呈正相关趋势，从而保证在相同压力下，注浆管2外侧的注浆距离由上到下等差增大，因此外侧浆液呈斜坡式，又因为内测浆液均扩散到海底管道，最终管道周围形成的注浆加固区截面呈类梯形。
实施例3
本申请提供了一种针对海底管道冲刷灾害的注浆防护方法，其对应于实施例2中的注浆设备，如图1所示，包括以下步骤：
a、注浆设备的注浆管2插入到海底管道两侧的海洋土体中，且注浆管2最底端的注浆孔21位于海底管道的下方，其中，注浆设备架在海底管道的正上方或者安装在海底管道上，注浆孔21位于海底管道的下方便于海底管道的四周被浆体包围；注浆设备开始注浆，浆液从注浆孔21扩散到周围的海洋土体中，海底管道周围的海洋土体土体和浆液充分混合，一次性形成类梯形的注浆加固区；
b、注浆管2向上移动的过程中，逐渐降低注浆设备内的注浆压力，填充注浆管2形成的空腔。
c、注浆管2离开注浆加固区。
在步骤c后，增加步骤d：注浆管2沿着海底管道前移，重复操作步骤a至步骤c，在海底管道周围形成一段类梯形的连续墙作为注浆加固区。
实施例4
本申请提供了另一种针对海底管道冲刷灾害的注浆防护方法，其对应于实施例1中的注浆设备，如图2所示，包括以下步骤：
a、注浆设备的注浆管2插入到海底管道两侧的海洋土体中，且注浆管2最底端的注浆孔21位于海底管道的下方。其中，注浆设备架在海底管道的正上方或者安装在海底管道上，注浆孔21位于海底管道的下方便于海底管道的四周被浆体包围。
b、注浆设备开始注浆，浆液通过注浆孔21扩散到周围的海洋土体中，使海底管道周围的最下层土体和浆液充分混合，形成注浆加固区，暂停注浆。
c、注浆管2通过套管伸缩节向上移动一小段距离，使注浆孔21位于海底管道所对应的第n层海洋土体，同时降低注浆设备的注浆压力，浆液通过注浆孔21扩散至该层海洋土体并与之充分混合，形成注浆加固区，暂停注浆；其中，n从2开始计数，每操作一次步骤c，n+1。需要注意的是，注浆管2向上移动的距离取决于注浆孔21在注浆管2上分布的竖直距离，注浆孔21竖直分布的越多，注浆管2每次需要向上收缩的距离越大，土体分层就越少，但最终形成的梯形效果可能越不明显。
d、重复上述步骤c，直到注浆加固区覆盖海底管道的顶端，形成类梯形的注浆加固区；
e、注浆管2从注浆加固区收回。
在步骤e后，增加步骤f：注浆管2沿着海底管道前移，重复操作步骤a至步骤e。在海底管道周围形成一段类梯形的连续墙作为注浆加固区。
需要说明的是，在实施例3和实施例4中，实施例4中注浆管2自身的体积对注浆加固区的影响较小，而实施例3中注浆管2是一次性成型，注浆管2对类梯形的注浆加固区的影响较大。
下以一段径为500mm的海底管道为例进行说明。该海底管道浅埋于海床中，对其受冲刷严重的某段管道进行注浆防护。
结合图3和图4进行说明，本实施例中注浆设备位于该海底管道的正上方，两侧的注浆管2直径均为120mm，前后间距为350mm，其最下端封闭，近下端四侧均匀分布有一列注浆孔21，且为同口径，大小为20mm。注浆管2通过套管伸缩节对称插入海底管道两侧的海洋土体中，开始时，注浆孔21的位置对应到海底管道周围的最下层土体。注浆设备开始注浆，浆液通过注浆孔21扩散到周围的海洋土体中，使海底管道周围的最下层土体和浆液充分混合后暂停注浆。然后，注浆管2通过套管伸缩节向上收缩100mm，使注浆孔21的位置对应到海底管道周围的第二层土体(从下往上)，同时适当降低注浆主体1的注浆压力开始注浆，浆液通过注浆孔21扩散至该层土体并与之混合后暂停注浆。之后，注浆管2再次向上收缩100mm，依次对往上一层的土体进行分层注浆，直至注完海底管道周围的最上层土体，分层注浆完成后，各层浆液的扩散距离由下到上递减，边缘可形成如虚线所示的类梯形轮廓。之后，注浆管2全部收缩回注浆设备内，再通过注浆主体内部的驱动装置沿海底管道方向前进一段距离，刚好使移动后的注浆设备最后方两侧的注浆管2定位到设备移动前最前方两侧的注浆管2位置，注浆管2再次全部伸出，对称插入管道两侧的土体中，进行新一轮的分层注浆。重复上述步骤，直至注浆设备走完该海底管道需要注浆的部分，完成注浆，最终在海底管道周围形成一段类梯形的连续墙作为注浆加固区。
海底管道注浆防护后，管道两侧的海洋土体与注浆管2扩散的浆液混合凝结成的类梯形连续墙产生了注浆加固区，该注浆加固区作为海底管道厚重的保护层，可以有效的保护海底管道免遭破坏。相较未注浆前的海底管道，注浆体改变了原有管道的周围的土应力分布，由原来的水平主被动土压力，变为具有向下分量的主被动土压力，显著提高了原有管道周围土体的承载力。由库仑土压力理论，若注浆加固区右侧受到海流作用时，海底管道与注浆加固区组成的整体右侧会产生向离开海洋土体方向的移动，同时左侧会产生向靠近海洋土体方向的移动，因此在注浆加固区左右两侧分别产生总被动土压力
结合图4所示，海底管道遭遇强海洋波浪、强海底暗流等外部荷载产生冲刷灾害后，注浆加固区外部的土体被冲刷掉，而注浆加固区较难被冲刷，可有效的抵抗外部荷载对海底管道带来的冲刷、侵蚀、掏空等破坏。当发生局部冲刷或者整体冲刷后，相较未注浆前的海底管道装置，注浆体改变了原有海底管道周围的水压力分布，由原来的垂直指向管道的水压力，变为具有向下分量的水压力，提高了注浆体的竖向稳定性，可以更好的保护海底管道。当注浆体外部发生冲刷时，由水压计算公式，注浆加固区受到垂直斜面向下的水压力ρga，其中为海水的密度，z为注浆加固区上一点到海洋表面的垂直距离。
以上参考了优选实施例对本发明进行了描述，但本发明的保护范围并不限制于此，在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来，且不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的。因此，任何落入权利要求的范围内的所有技术方案均在本发明的保护范围内。
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