底床上圓管管湧現象之減緩方法

Abstract

近年來，關於海底管線因底床沖刷而懸空造成破壞的報導層出不窮，例如：2000年，台灣首座海底管線，中油鋪設永安液化天然氣海底輸送管線工程；2007年，進行永安至通霄海底輸氣管線量測作業，發現多處管線祼露、懸空，必須花費許多人力物力，進行管線補救措施以避免其斷裂破壞，因此瞭解海底管道失效的原因，將有助於找到解決海底管線失效問題的有效方法。 於張正緯(2009)之研究中，認為地下水流經過結構物角狀構造邊緣，水流流速急遽增加，將發生管湧(piping)現象，進而破壞結構物；其研究亦證實透水性佳之建材可使地下水流較不易受到阻礙，減緩水流之速度向量。本研究認為海床底質遭到沖刷之原因，亦與管湧現象有關，文中利用邊界元素法模擬水流流經多孔介質底床上圓管之流況與速度、壓力分佈，以瞭解管線週遭發生沖刷前的物理機制。 本研究之理論係以線性勢流理論與達西定律分別探討純水體與多孔介質之流場，文中假設流體皆為非黏性、非旋性及不可壓縮，多孔介質則簡化為剛性結構；因水體與多孔介質流體間之邊界條件量階差異過大，故本文利用正規擾動展開法解決數值計算上可能產生之矩陣劣化(ill condition)現象。 由模擬結果可發現，底床上放置圓管將影響底床之流場，進而使圓管與底床接觸面孔隙流體流速增大，以致產生管湧現象使管線懸空。本研究設計一概念模型，於圓管外側包覆一透水層進行模擬，模擬結果顯示無論何種流況下，透水層皆能使水流較不受結構物阻礙，並大幅降低底床中圓管外側之速度向量大小，應可有效減緩圓管周遭之管湧效應，進而根本上防止管線之懸空斷裂情形，故文末建議日後設計管線時，可利用透水性佳之建材包覆於圓管外層，減緩因放置圓管所產生之管湧現象，將可望節省大量修繕之經費。