水域開挖穿越河床下降自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)初探

中國(guó)石油天然氣管道工程有限公司，河北 廊坊

1.引言

“十三五規(guī)劃”明確提出，實(shí)施“互聯(lián)網(wǎng)+”行動(dòng)計(jì)劃，發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和應(yīng)用，發(fā)展分享經(jīng)濟(jì)，促進(jìn)互聯(lián)網(wǎng)和經(jīng)濟(jì)社會(huì)融合發(fā)展。加快物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，是國(guó)家的重大戰(zhàn)略部署，是實(shí)現(xiàn)信息化與工業(yè)化、信息化與城市發(fā)展融合的重要途徑，對(duì)推動(dòng)落實(shí)國(guó)家“一帶一路”和“自貿(mào)試驗(yàn)區(qū)”戰(zhàn)略，具有現(xiàn)實(shí)和深遠(yuǎn)的意義。

隨著“智能管道、智慧管網(wǎng)”[1]工作研究和頂層設(shè)計(jì)的開展，開啟了從數(shù)字管道向智慧管網(wǎng)的新跨越。

智能管道監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在河流穿跨越部分仍存在很大的探索空間。尤為突出的是水域開挖穿越河床下降自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的探索。

2.必要性

在管道運(yùn)營(yíng)過程中，河流穿越段管道受到水流沖刷和采砂的影響[2]，河床下管道埋深逐年減小，管道直接受到水流沖刷、砂石撞擊、船錨及捕魚工具撞擊等多種因素的損傷破壞。

不滿足現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《油氣輸送管道穿越工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50423)埋深要求的油氣管道在河道中敷設(shè)存在著較大的安全風(fēng)險(xiǎn)和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)[3]，尤其是隨著管道服役年限的累積和城市的不斷發(fā)展，安全和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)將進(jìn)一步加大。

管道穿越雨水充裕地區(qū)，由于河流沖刷、采砂等諸多原因，多條開挖河流管道埋設(shè)深度不足[4]，僅蘭成管道、蘭成渝管道已有十余條管道進(jìn)行隱患整治、改造。2016 年，蘭成渝石亭江管道埋深不足，進(jìn)行改造；2017 年汛期后，蘭成管道小石河、東溪河2#、涪江穿越，蘭成渝管道清江河2#、羊木河穿越管道埋深均已不滿足規(guī)范要求，小石河靠近大堤部分出現(xiàn)漏管；2018 年7 月，蘭成渝管道涪江穿越灘地段管道被沖出，閥室沖毀；2020 年8 月，蘭成管道安昌河穿越處上游新堪堰攔水壩決堤，洪水導(dǎo)致穿越段東段出現(xiàn)水毀，管段裸露漂浮在水面(見圖1、圖2)，存在重大安全隱患……

Figure 1.River channel flood discharge,Anchang River pipeline flushing out圖1.河道行洪安昌河管道沖出

Figure 2.Site cleaning of Anchang River after flood圖2.洪水退后安昌河清理現(xiàn)場(chǎng)

如果不及時(shí)掌握穿越段管道埋深數(shù)據(jù)對(duì)管道進(jìn)行防護(hù)或改造，突發(fā)水毀事件可能導(dǎo)致管道斷裂爆管等事故，造成環(huán)境污染、人身及財(cái)產(chǎn)損失等嚴(yán)重后果。

油管道一旦發(fā)生事故，必會(huì)影響運(yùn)營(yíng)方油品的供應(yīng)，更為嚴(yán)重的是會(huì)造成穿越處河流的嚴(yán)重污染。油管道一旦發(fā)生污染事故，將會(huì)對(duì)其生態(tài)環(huán)境和下游居民的生活造成重大影響，屬于突發(fā)環(huán)境事件，同時(shí)根據(jù)《中華人民共和國(guó)環(huán)境保護(hù)法》第六條要求：企業(yè)事業(yè)單位和其他生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)者應(yīng)當(dāng)防止、減少環(huán)境污染和生態(tài)破壞，對(duì)所造成的損害依法承擔(dān)責(zé)任。

因此，對(duì)水域開挖穿越河床下降自動(dòng)監(jiān)測(cè)對(duì)于管道安全運(yùn)營(yíng)意義非凡。

3.系統(tǒng)配置

河床下降在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由河床底部的監(jiān)測(cè)傳感器組、河岸上的信號(hào)接收單元組成(見圖3)。

監(jiān)測(cè)傳感器組包括兩個(gè)以上且活動(dòng)連接的檢測(cè)單元，檢測(cè)單元依次首尾連接，并且檢測(cè)單元之間可以互相分離(見圖4)。

監(jiān)測(cè)傳感器組埋設(shè)在河床下，當(dāng)河床被河水沖刷而導(dǎo)致河床下降時(shí)，最上面的檢測(cè)單元首先露出河床，在河水的沖擊下，最上面的檢測(cè)單元與其下面的檢測(cè)單元分離，不再受到下面檢測(cè)單元的吸力作用，脫離后的檢測(cè)單元?jiǎng)t漂出水面(見圖5)。

此時(shí)檢測(cè)單元的磁通量發(fā)生變化，內(nèi)部的傳感器感應(yīng)到磁通量變化后，通過無(wú)線網(wǎng)絡(luò)向信號(hào)接收單元發(fā)送信號(hào)，即檢測(cè)到了河床的下降情況，為監(jiān)測(cè)人員提供準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)結(jié)果。

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)單元的最大信號(hào)傳輸距離為500 m，在河床的設(shè)置應(yīng)根據(jù)具體河勢(shì)進(jìn)行分析后確定，最少1 處。其埋設(shè)深度應(yīng)不小于穿越軸線處相關(guān)規(guī)范要求的沖刷線下管頂最小覆土厚度。

Figure 4.Schematic diagram of on-line monitoring system for river bed falling through excavation 2圖4.河流開挖穿越河床下降在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)示意圖2

Figure 5.Schematic diagram of on-line monitoring system for river bed falling through excavation 3圖5.河流開挖穿越河床下降在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)示意圖3

4.設(shè)置原則

以現(xiàn)有埋深不足水域開挖穿越案例為基礎(chǔ)，從水文、穿越地層等方面進(jìn)行梳理(見表1)，從而確定監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)置原則：

Table 1.Case statistics表1.案例統(tǒng)計(jì)表

通過對(duì)上表相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行梳理得知河床下埋深減小的河流多數(shù)存在采砂采礦行為，卵石層穿越，穿越處上游存在水利水電設(shè)施等情況。同時(shí)結(jié)合山區(qū)性河流河床特點(diǎn)，確定監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)置原則如下：

在滿足管道埋設(shè)在非巖層的前提下存在但不限于以下情況：1) 河流穿越處存在采砂、采礦行為[5]；2) 山區(qū)性河流且比降較大[6]；3) 河床側(cè)蝕[7]；4) 穿越處上游有發(fā)電站、水庫(kù)等存在泄洪的水利設(shè)施的河流開挖穿越[8]。

5.實(shí)施驗(yàn)證

中緬原油管道是我國(guó)“十一五”期間規(guī)劃的重大原油管道項(xiàng)目之一，與同期擬建的中緬天然氣管道共同構(gòu)成我國(guó)油氣進(jìn)口的西南戰(zhàn)略通道。管道起自緬甸西海岸馬德島，從云南瑞麗市進(jìn)入中國(guó)境內(nèi)。中緬原油管道干線河流大型穿越2 處，其中與中緬天然氣管道同溝敷設(shè)穿越1 處，中型穿越6 處。通過篩選，在瑞麗江穿越處設(shè)置監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。瑞麗江開挖穿越處水深近5 m，百年一遇沖刷深度4.69 m，油氣管道并行敷設(shè)，凈距6 m。河床形態(tài)呈“U”字型，江心島發(fā)育，江面水位主要受季節(jié)性洪水和上游在建龍江水電站蓄放水控制[9]。江心島將瑞麗江分為東河和西河。

在瑞麗江穿越軸線上游5 m 處埋設(shè)檢測(cè)單元，東河河床下埋設(shè)1 組，西河河床下埋設(shè)2 組(見圖6、圖7、圖8)。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示東河河床下切3.7 m，西河河床下切2.6 m。

Figure 6.Detection unit圖6.檢測(cè)單元

Figure 7.Receiving unit圖7.接收單元

Figure 8.Monitoring terminal圖8.監(jiān)測(cè)終端

為驗(yàn)證監(jiān)測(cè)結(jié)果的真實(shí)可靠性，在穿越軸線處采用ROV 水下機(jī)器人[10]對(duì)河床下管道進(jìn)行探測(cè)，探測(cè)結(jié)果(見圖9)與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)相吻合。

6.結(jié)束語(yǔ)

Figure 9.ROV test data model圖9.ROV 檢測(cè)數(shù)據(jù)模型

與常規(guī)的人工巡檢相比，河床下降自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)準(zhǔn)確可靠，利用此系統(tǒng)，可隨時(shí)掌握穿越處管道埋深情況，對(duì)于出現(xiàn)河床下降危及管道安全的穿越及時(shí)采取防護(hù)措施，從而保證管道的安全運(yùn)營(yíng)。