淺談石亭江穿越管道在河道內(nèi)埋深的研究方法

劉 力（中國石化股份有限公司西南油氣分公司油氣銷售中心，四川德陽618000）

淺談石亭江穿越管道在河道內(nèi)埋深的研究方法

劉 力（中國石化股份有限公司西南油氣分公司油氣銷售中心，四川德陽618000）

本次石亭江φ711天然氣管道穿越長度511.06m，屬大型穿越工程，其防洪標(biāo)準(zhǔn)為P=1%（100年一遇）。為保證深埋河道天然氣管道能達(dá)到其設(shè)計(jì)壽命，防止惡劣氣候形成的特大洪水沖刷河床，甚至沖斷天然氣管道，需對(duì)深埋河道的天然氣管道進(jìn)行埋深計(jì)算和校核。針對(duì)管道布置對(duì)穿越河段進(jìn)行論證與評(píng)價(jià)，預(yù)測(cè)河道、河勢(shì)演變趨勢(shì)；利用高景關(guān)水文站實(shí)測(cè)水文資料及工程河段實(shí)測(cè)1/1000帶狀地形圖及1/200實(shí)測(cè)水文大斷面圖，評(píng)價(jià)了穿越河段上下游地區(qū)的防洪安全帶給天然氣管道的影響，通過計(jì)算確定了管道的埋深。

防洪標(biāo)準(zhǔn)；氣象氣候；地質(zhì)條件；河勢(shì)演變；沖刷深度

1 石亭江穿越概況

本次石亭江穿越管段屬于新場(chǎng)-天府新區(qū)輸氣管道一期工程，管徑為φ711×11。石亭江穿越位于廣漢市金輪鎮(zhèn)與德陽市旌陽區(qū)天元鎮(zhèn)交界位置，河流穿越等級(jí)為大型，采用大開挖方式穿越石亭江，管道接點(diǎn)之間水平長度501.77m，管道實(shí)長511.06m。

圖1 石亭江大開挖穿越平面圖

1.1 穿越段河床結(jié)構(gòu)

石亭江江水主要在主河道的中間位置通過，河面河道的寬度約150m，河流主槽水最深約3.35m。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，最高洪水位約499.12m。場(chǎng)地地貌單元為河流堆積河谷。穿越區(qū)河床表層可見第四系沖洪積層。其微地貌主要為石亭江河床、低漫灘、高漫灘、一級(jí)階地。

1.2 地質(zhì)條件

根據(jù)巖土工程勘察報(bào)告顯示，穿越場(chǎng)地在勘察深度范圍內(nèi)地層巖性為第四系全新統(tǒng)沖洪積（Q4al+pl）和上更新統(tǒng)沖積、冰水沉積（Q3fal），巖性主要為砂礫卵石層，地質(zhì)勘察未揭露基巖。

2 天然氣管道穿越石亭江河道的埋深確定方法研究

2.1 對(duì)天然氣管道穿越石亭江河道水面線的影響分析

以石亭江穿越下游900m的CS-1斷面作為河段水面線推求的起始斷面，穿越工程洪水水面線計(jì)算河道長約1800m，共布置7個(gè)水文大斷面，采用天然河道水流能量方程推算河道水面線（見表1）。

由表1可以看出，現(xiàn)狀情況下，石亭江穿越工程遭遇P= 1%洪水時(shí)，穿河軸線位置水位為499.11m；遭遇P=5%洪水時(shí)，軸線位置洪水水位為497.92m。由于穿越工程采用暗埋方式穿越石亭江，不侵占河道行洪斷面，不會(huì)產(chǎn)生壅水。

2.2 石亭江流域沖刷與淤積分析計(jì)算

2.2.1 河道沖刷計(jì)算

河道沖刷計(jì)算參照公路和鐵路部門相關(guān)研究成果，運(yùn)用《公路工程水文勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTJ062-2002）推薦的64-1修正式進(jìn)行計(jì)算。

表1 石亭江穿越工程河段現(xiàn)狀水面線成果

式中：Hp——橋下一般沖刷后的最大水深（m）；

Ad——單寬流量集中系數(shù)，當(dāng)Ad＞1.8時(shí)，Ad取1.8；

Bz——造床流量下河槽寬度（m）；

Hz——造床流量下的河槽平均水深（m）；

Qp——頻率為p%的設(shè)計(jì)流量（m3/s）；

Q2——橋下河槽部分通過的設(shè)計(jì)流量（m3/s）；

Qc——天然狀態(tài)下河槽部分設(shè)計(jì)流量（m3/s）；

Qt1——天然狀態(tài)下橋下河灘部分設(shè)計(jì)流量（m3/s）；

μ——橋墩水流側(cè)向壓縮系數(shù)；

Bcj——河槽部分橋孔過水凈寬（m）；

Hcm——河槽最大水深（m）；

Hcq——橋下河槽平均水深（m）；

E——與汛期含沙量有關(guān)的系數(shù)；

d——河槽泥沙平均粒徑（mm）。

石亭江穿越工程軸線100年一遇洪水一般沖刷深1.97m，20年一遇洪水一般沖刷深1.58m。

石亭江穿越工程軸線100年一遇洪水一般沖刷深1.97m，20年一遇洪水一般沖刷深1.58m。

2.2.2 對(duì)堤防工程的沖刷計(jì)算

穿越工程將穿越石亭江左、右岸已成堤防，考慮到穿越堤防時(shí)埋置深度需求，對(duì)堤防平行水流的局部沖刷進(jìn)行了復(fù)核計(jì)算。其沖刷深度按《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50286-2013）中D.2.2-1公式進(jìn)行計(jì)算：

式中：Hs——局部沖刷深度，m；

H0——沖刷處的水深，m；

UCP——近岸垂線平均流速，m/s；

UC——泥沙起動(dòng)流速（m/s），對(duì)于粘性和砂質(zhì)河床采用張瑞瑾公式計(jì)算：

對(duì)于卵石的起動(dòng)流速采用長江科學(xué)院的起動(dòng)公式計(jì)算：

式中：d50——泥沙中值粒徑（mm）；

γS、γ——分別為泥沙及水的重度（kN/m3）。

對(duì)于順壩及平順護(hù)岸沖刷深度按下列公式計(jì)算：

式中：U——行近流速；

η——水流流速不均勻系數(shù)，根據(jù)水流流向與岸坡夾角查表采用。

結(jié)合工程河段河床質(zhì)基本情況，工程河段順河堤防段100年一遇局部沖刷深度為 2.53m、20年一遇局部沖刷深為1.56m。

根據(jù)堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范，100年一遇洪水總沖刷深度為100年一遇洪水一般沖刷深度+100年一遇局部沖刷深度。

工程河段100年一遇總沖刷深度4.6m （一般沖刷深度1.97m+局部沖刷深度2.53m），石亭江穿越工程穿越石亭江右岸堤基礎(chǔ)時(shí)，管道軸線設(shè)計(jì)高程為481.5m，管頂設(shè)計(jì)高程為482.3m，堤防軸線處現(xiàn)狀河底高程為496.2m，埋深在14.0m以上，且上部有穩(wěn)管措施，設(shè)計(jì)管線埋深滿足要求；石亭江穿越工程穿越石亭江左岸擬恢復(fù)堤基礎(chǔ)時(shí)，管軸線設(shè)計(jì)高程為481.5m，管頂設(shè)計(jì)高程為482.3m，深泓線高程為490.4m，埋深在8.1m以上，扣除100年一遇洪水最大沖刷深后還有3.5m，且上部有穩(wěn)管措施，管線設(shè)計(jì)埋深滿足要求。

2.3 穿越工程建成后河勢(shì)的影響分析

2.3.1 縱向穩(wěn)定指標(biāo)的計(jì)算

河床的縱向穩(wěn)定程度取決于水流對(duì)泥沙的作用力與河床泥沙抵抗力之間的對(duì)比關(guān)系，縱向穩(wěn)定指標(biāo)的一般計(jì)算公式為：

式中：φ——表示河床縱向穩(wěn)定的系數(shù)；

J——表示河段平均比降（‰）。

縱向穩(wěn)定系數(shù)φ值愈大，則泥沙運(yùn)動(dòng)愈弱，河床愈不易變形，河床縱向愈穩(wěn)定；反之，φ值愈小，則泥沙運(yùn)動(dòng)愚強(qiáng)，河床愈易變形，河床縱向愈不穩(wěn)定。經(jīng)計(jì)算，該河段縱向穩(wěn)定系數(shù)為14.3，計(jì)算結(jié)果表明，工程所在河道，河床沖淤變幅較小，河道穩(wěn)定性較好。

2.3.2 橫向穩(wěn)定指標(biāo)計(jì)算

河床的橫向穩(wěn)定程度與河岸土的抗沖能力密切相關(guān)，其次與灘槽高差也有關(guān)。根據(jù)實(shí)測(cè)資料的分析表明，河床的寬深關(guān)系對(duì)河岸相對(duì)抗沖能力關(guān)系很大，可用下列河相關(guān)系表示河床橫向穩(wěn)定程度。

式中：ζ——橫向穩(wěn)定系數(shù)；

B——表示造床流量下的水面寬，m；

ζ——也稱斷面河相系數(shù)，其值愈大，河槽愈寬淺，河床穩(wěn)定程度愈差。

經(jīng)計(jì)算，工程河段縱向穩(wěn)定系數(shù)為14.3，橫向穩(wěn)定系數(shù)為7.6，參照國內(nèi)其它河道計(jì)算成果，工程河道縱向較穩(wěn)定，河道縱向變化不大；河段橫向穩(wěn)定性較好，主要表現(xiàn)為河道深泓線小幅度擺動(dòng)。

石亭江穿越工程不侵占河道行洪斷面，工程建成后不會(huì)改變河道的演變趨勢(shì)，河道演變?nèi)员憩F(xiàn)為河道縱向上的緩慢下切及橫斷面上的深泓線小幅度擺動(dòng)。

3 綜合分析

3.1 穿越工程建成后對(duì)河段泄洪影響分析

本工程不侵占河道行洪斷面，不會(huì)在河段形成壅水，因此僅對(duì)工程河段現(xiàn)狀安全行洪能力進(jìn)行分析。

根據(jù)河道水面線計(jì)算成果，結(jié)合本工程河段一級(jí)階地分布高程，評(píng)價(jià)河段左、右岸現(xiàn)已建成堤防堤頂高程500.1～502.2m，河段100年一遇洪水位在498.20～500.04m之間，河段20年一遇洪水位在497.28～498.57m之間，經(jīng)分析，考慮1m堤頂安全超高后，工程河段現(xiàn)狀安全行洪能力遠(yuǎn)大于3260m3/s，大于20年一遇標(biāo)準(zhǔn)，基本達(dá)到100年一遇標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 穿越工程建成后對(duì)堤防基礎(chǔ)的影響

工程所處河段堤防建成于20世紀(jì)90年代，下部為混凝土面板堤，堤高6.1～8.5m，粉質(zhì)粘土、卵石等堆積、壓實(shí)填充而成并用水泥進(jìn)行漿砌，迎水面邊坡坡度近1：0.5～1：1.0，現(xiàn)狀堤基埋深僅為1.3m。管線埋深滿足要求穿越工程與已經(jīng)堤防基礎(chǔ)立交，從現(xiàn)狀堤防基礎(chǔ)以下約10m處穿越石亭江，兩岸岸坡處采用熱煨彎頭（曲率半徑R=6D）組裝上岸，埋置于堤身內(nèi)部，工程建成后不會(huì)對(duì)堤防基礎(chǔ)產(chǎn)生影響，但會(huì)因?yàn)楣艿澜ㄔO(shè)破壞部分堤段，需要進(jìn)行恢復(fù)。

石亭江穿越工程管道上岸堤后回填原料，并進(jìn)行夯實(shí)，夯實(shí)系數(shù)不小于0.85，對(duì)于破壞的岸堤按照原位置原坡度進(jìn)行理坡，坡面結(jié)構(gòu)形式自下而上依次為原料回填夯實(shí)、M7.5水泥砂漿固坡，厚50mm、C20混凝土厚200mm；坡底設(shè)C20混凝土馬道，寬2m。東側(cè)階地上田坎采用采用M7.5水泥砂漿砌石擋土墻及護(hù)坡進(jìn)行防護(hù)。

4 結(jié)論

石亭江穿越工程位于位于廣漢市金輪鎮(zhèn)與德陽市旌陽區(qū)天元鎮(zhèn)交界位置，該河段河槽寬度在300～500m之間，大于規(guī)范規(guī)定的200m，其防洪標(biāo)準(zhǔn)為P=1%（100年一遇）。

經(jīng)過分析計(jì)算，穿越處河段100年一遇局部沖刷深度為2.53m；工程河段100年一遇總沖刷深度4.6m。本穿越工程河槽部分管道設(shè)計(jì)底部高程為 481.5m，設(shè)計(jì)管頂高程為482.3m，河流各橫斷面最大水深點(diǎn)的連線-深泓線高程為490.4m，設(shè)計(jì)埋深在8.1m以上，扣除最大沖刷深后還有3.5m，超過規(guī)范要求的1.0m，工程自身是安全的。

[1]《油氣輸送管道跨越工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50459-2009）.

[2]《水利水電工程設(shè)計(jì)洪水計(jì)算規(guī)范》（SL 44-2006）.

[3]《油氣輸送管道穿越工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50403-2007）.

TV672.2

A

2095-2066（2016）35-0117-02

2016-12-3

劉 力（1982-），男，工程師，本科，主要從事油氣田地面工程建設(shè)管理和長輸管道生產(chǎn)運(yùn)營維護(hù)的相關(guān)工作。