管線定向鉆穿越河道的防洪影響分析

周佩佩 陳莉莎 朱 晶

南京市水利規(guī)劃設(shè)計院股份有限公司

管線定向鉆穿越河道的防洪影響分析

周佩佩 陳莉莎 朱 晶

南京市水利規(guī)劃設(shè)計院股份有限公司

根據(jù)《防洪法》第二十七條，穿河工程應(yīng)當(dāng)符合防洪標(biāo)準(zhǔn)、岸線規(guī)劃、航運要求和其他技術(shù)要求，不得危害堤防安全，影響河勢穩(wěn)定、妨礙行洪暢通。以電力管線定向鉆穿越河道工程為例，簡單介紹此類穿河工程在做防洪影響分析時需要注意的幾點事項，方便大家在實際工作當(dāng)中借鑒和參考。

防洪；定向鉆；穿越

一、防洪總體要求

防洪要求包括工程自身的防洪要求和對河道堤防等水利工程設(shè)施的防洪影響兩個方面。

(一)防洪基本要求

管線穿堤出、入土點位于堤防管理范圍之外；

管道埋深滿足最大沖刷、河道規(guī)劃底高程、管道抗浮穩(wěn)定等要求；

管道穿越符合水利工程防洪管理等相關(guān)要求，標(biāo)識設(shè)置、運行監(jiān)測、到期拆除方案等滿足相關(guān)安全要求；

管道穿河施工防滲處理、壓實及防沉降處理等措施滿足河道堤防及其他水利工程安全性要求；

管道穿河方案符合水利規(guī)劃要求，不對規(guī)劃實施造成不利影響。

(二)相關(guān)規(guī)范要求

(1)《防洪標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50201-2014)中“6.5 管道工程”

(2)《堤防工程設(shè)計規(guī)范》(GB 50286-2013)中“10 堤防與各類建筑物、構(gòu)筑物的連接”

二、工程設(shè)計要點

(一)平面布置

選擇的穿越位置應(yīng)符合線路總體走向，并宜選在岸坡穩(wěn)定地段。若需在岸坡不穩(wěn)定地段穿越，則應(yīng)對岸坡做護岸、護坡整治加固工程。穿越宜與水域軸線正交通過。若需斜交時，交角不宜小于60°，采用定向鉆穿越時，不宜小于30°。

管線穿越長度宜涵蓋設(shè)計洪水淹沒范圍，主河道的穿越長度應(yīng)包括兩岸防洪堤，并滿足堤防保護的距離要求。當(dāng)兩岸設(shè)有防洪堤壩及規(guī)劃防洪堤壩時，穿越的起始位置及堤下埋深應(yīng)滿足水利主管部門規(guī)定。

管線采用水平定向鉆穿越時，若與公路橋梁、鐵路橋梁、水下隧道并行敷設(shè)，穿越管段距離橋梁墩臺沖刷坑外邊緣不宜小于10m，且不應(yīng)影響橋梁墩臺安全；距離水下隧道的凈距不應(yīng)小于30m。

為了不危及堤壩安全，水平定向鉆入土點、出土點及隧道豎井邊緣距大堤坡腳的距離不宜小于50m。

例，某通湖路管線共有1組6根電纜管下穿中心河，中心河河道管理范圍為河口線外10m。線路與河道中心線斜交約27°，入土點距離距離臨水側(cè)坡腳線約20m，管線出土點距離臨水側(cè)坡腳線約24m。管線直線距離長約160m，曲線距離長約195m。(注：此處線路與河道交角以及出入土點與大堤坡腳距離，應(yīng)根據(jù)實際地形優(yōu)化設(shè)計方案，盡量符合規(guī)范要求。)

(二)縱斷面布置

水平定向鉆敷設(shè)穿越管段的入土角宜為6°～20°，出土角宜為4°～12°，應(yīng)根據(jù)地質(zhì)條件、穿越管徑、穿越長度、管段埋深和彈性敷設(shè)條件確定。

以上述通湖路管線為例，管線縱剖面設(shè)計為曲線形式，設(shè)計管線敷設(shè)1組6孔×Φ200，綁扎寬度為650mm。管線從河道左岸鉆入，入土角為12°，穿過表層填土至③層土，管頂距離現(xiàn)狀河底線最近3.0m，出土點在河道右岸，出土角為8°。

三、定向鉆穿越施工方案簡介

穿越斷面應(yīng)選擇在水域形態(tài)穩(wěn)定的地段，兩側(cè)場地應(yīng)滿足布設(shè)鉆機、泥漿池、材料堆放和管道組焊的要求。

定向鉆穿越施工應(yīng)采用環(huán)保型泥漿，并應(yīng)循環(huán)使用。(該條為強制性條文)

管線定向鉆穿越工程通常采用一次導(dǎo)向、擴孔、拖管的措施施工。拖管主要程序是：挖工作坑——打?qū)蚩住淮螌?dǎo)向擴孔——導(dǎo)向孔整形及高程、高差校正——穿設(shè)管道(管道焊接及拖管)。

(一)挖工作坑、下管坑

首先，在施工管道的兩端挖工作坑和下管坑，坑內(nèi)上部土方采用機械開挖，下部用人工開挖。施工前先將地下管線查明，然后再進行施工。在開挖過程中，采取鋼制密擋土板對土壁進行支撐(橫板緊貼槽幫，支撐撐在橫板上)，保證原有構(gòu)筑物或底部建筑物的安全，以便于工程進行操作，保證工程及人員的安全。

(二)鉆機就位和調(diào)試

按施工布置圖及規(guī)范要求將鉆機及附屬配套設(shè)備錨固在預(yù)定位置。鉆機入土角調(diào)整到設(shè)計要求角度。

泥漿是定向穿越中的關(guān)鍵因素，施工單位采取以下措施配制泥漿：①按照事先確定好的泥漿配比用一級膨潤土加泥漿添加劑等，所加添加劑符合環(huán)保。②使用的泥漿添加劑有：降失水劑、提粘劑和防塌潤劑等，所加添加劑符合環(huán)保。③為了確保泥漿的性能，使膨潤土有足夠的水化時間，在用量不改變的情況下，采取兩套泥漿儲存罐，延長循環(huán)周期的措施。

根據(jù)地質(zhì)土層的不同，泥漿的配比也隨之變化，并選用不同的添加劑，以達到預(yù)期的效果?；鶟{的配制：5～8%預(yù)水化膨潤土+堿(Na2CO3)攪拌后水化而成(充分水化能明顯提高泥漿的性能)，堿的用量根據(jù)水質(zhì)情況具體確定。

對于廢棄泥漿水的處理：在泥漿水中加入絮凝劑，由于泥漿水是一種水中含有一定量的微細(xì)泥顆粒的懸浮液體，高分子絮凝劑是一類水溶性的高聚物，將其與泥漿水混合時，由于絮凝劑具有架橋、網(wǎng)捕、吸附和電性中和等功能，可以破壞泥漿水的穩(wěn)定性，使泥顆粒從水中迅速凝聚、沉降，從而達到泥水分離效果。

泥漿碴混合物的處理：①在沉淀池中清理出來的沉碴，運至蒸發(fā)池中，讓其自然脫水固化；②脫水后的鉆碴可做為路基填筑的填料，或運到儲料場，或回填取土坑；③自然脫水固化后所形成的干泥可就地回填廢棄的泥漿池。沉淀泥漿碴運至蒸發(fā)池中，清水循環(huán)利用。

(三)鉆孔導(dǎo)向

a鉆進時的入土角為設(shè)計角度，入射角可根據(jù)現(xiàn)場條件調(diào)整。

b導(dǎo)向孔根據(jù)設(shè)計曲線鉆進，曲線半徑由公式計算(根據(jù)鉆桿彎曲系數(shù)調(diào)整)。

c施工過程中，謹(jǐn)慎處理控向數(shù)據(jù)，并適當(dāng)控制鉆進速度，保證導(dǎo)向孔光滑。

d由于每根鉆桿方向改變量較小，為保證左右方向，在出入鉆點之間每隔一根鉆桿就設(shè)一個明顯標(biāo)記。每鉆進一根鉆桿，方向至少探測二次，對探測點要做好標(biāo)記。認(rèn)真記錄鉆進過程中持扭矩、推力、泥漿流量、泥漿壓力、方向改變量。

e導(dǎo)向孔完成后，根據(jù)鉆孔軌跡和數(shù)據(jù)記錄，確定此導(dǎo)向孔是否可用。軸線左右偏離控制在1%L(鉆進長度)內(nèi)，深度偏差控制在0.5%L(鉆進長度)內(nèi)。出土點偏差控制在0.5m內(nèi)。

四、沖刷分析計算

水平定向鉆穿越深度應(yīng)符合相關(guān)規(guī)范的敷設(shè)要求，水域穿越管段管頂埋深不宜小于設(shè)計洪水沖刷線或疏浚深度線以下6m。

根據(jù)《管線定向鉆進技術(shù)規(guī)范》(DG/TJ08-2075-2010 J11722-2010)穿河管線敷設(shè)最小覆土深度要求，一級主河道應(yīng)在百年一遇最大沖刷深度線以下3m，二級河道應(yīng)在河道河底設(shè)計標(biāo)高以下3m，最大沖刷深度線以下2m。

沖刷分析計算需根據(jù)地質(zhì)勘察報告可知管線穿越位置處河道底部表層土及土層厚度，結(jié)合管線在河底中心的埋深，分析該處現(xiàn)狀斷面河槽是否會發(fā)生一般沖刷。

沖刷深度分析計算方法：河床沖刷主要是由于水流輸沙平衡被破壞所致，一般情況下，當(dāng)大流量來臨時，河床中細(xì)顆粒泥沙先起動并以懸移形式隨水流下泄，較粗顆粒泥沙則以推移質(zhì)形式向前滾動或滑動，致使河床粗化，抗沖性增強；同時過水?dāng)嗝婷娣e增大，流速降低，從而水流沖刷作用減弱。水流與河床相互作用達到平衡狀態(tài)時，沖刷即會終止。

沖刷深度計算根據(jù)《公路工程水文勘測設(shè)計規(guī)范》(JTG C30-2015)中的計算方法，一般沖刷分析計算公式如下：

式中：hp——一般沖刷后最大水深(m)；

Q2——河槽部分通過的設(shè)計流量(m3/s)；

Bcj——河槽部分過水凈寬(m)；

IL——沖刷坑范圍內(nèi)粘性土液性指數(shù)，適用范圍為0.16～1.19；

Ad——單寬流量集中系數(shù)，其中取1.0～1.2； Bz是造床流量下的河槽寬度(m)，對復(fù)式河床可取平攤水位時河槽寬度；

Hz是造床流量下的河槽平均水深(m)，對復(fù)式河床可取平攤水位時河槽平均水深；

μ——水流側(cè)向壓縮系數(shù)，根據(jù)《公路工程水文勘測設(shè)計規(guī)范》(JTG C30-2015)表7.3.1-1的規(guī)定；hcm——河槽最大水深(m)；hcq——河槽平均水深(m)。

五、岸坡抗滑穩(wěn)定分析計算

在對岸坡抗滑穩(wěn)定分析中，通常計算斷面取管線出入土點位置。根據(jù)《堤防工程設(shè)計規(guī)范》(GB50286-2013)，不同堤防等級選取對應(yīng)的抗滑穩(wěn)定容許安全系數(shù)。

(一)分析計算方法及軟件

岸坡穩(wěn)定分析計算采用“瑞典圓弧滑動計算法”計算滑動力與抗滑力。根據(jù)工況不同，分別采用“總應(yīng)力法”和“有效應(yīng)力法”

計算軟件采用鐵道部第三勘測設(shè)計院與北京理正軟件設(shè)計研究院共同開發(fā)的“邊坡穩(wěn)定分析軟件”(6.0PB1版)進行分析計算。

(二)計算工況

根據(jù)《堤防工程設(shè)計規(guī)范》(GB-50286-2013)，計算工況可參照表1。

表1 穿河處穩(wěn)定分析計算工況

(三)計算參數(shù)

根據(jù)地質(zhì)資料查看計算所用各土層物理力學(xué)指標(biāo)，以通湖路管線為例，見表2。

表2 通湖路管線穿越處主要土層物理力學(xué)指標(biāo)表

(四)計算結(jié)果

參照《堤防工程設(shè)計規(guī)范》相關(guān)要求，以通湖路管線為例，河道參照1級堤防，在各計算工況下，河道岸坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計算結(jié)果見表3。

表3 通湖路管線穿越處岸坡穩(wěn)定計算結(jié)果

根據(jù)岸坡抗滑穩(wěn)定分析計算結(jié)果得出結(jié)論，工程位置的左、右岸坡在各工況下抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)是否能滿足規(guī)范要求，并附岸坡抗滑穩(wěn)定計算結(jié)果圖。

圖1 左岸高水位+水位降落期計算附圖

六、結(jié)語

當(dāng)前社會發(fā)展形勢下，定向鉆穿河工程應(yīng)用廣泛。近兩年，南京汛期水情嚴(yán)峻，河道防洪安全問題必須引起重視。在做工程防洪影響分析時，分別從工程自身防洪要求和對河道堤防等水利設(shè)施的防洪影響兩個方面出發(fā)，參照相關(guān)規(guī)范，規(guī)范操作，才能更好地消除工程安全隱患，確保工程效益，進而促進我國社會經(jīng)濟的穩(wěn)定發(fā)展。

[1]《中華人民共和國防洪法》(2015年4月修訂)；

[2]《防洪標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50201-2014)；

[3]《堤防工程設(shè)計規(guī)范》(GB 50286-2013)；

[4]《管線定向鉆進技術(shù)規(guī)范》(DG/TJ08-2075-2010 J11722-2010)；

[5]《公路工程水文勘測設(shè)計規(guī)范》(JTG C30-2015)。