河流穿越管道懸空段穩(wěn)管方法綜述

任志鵬，滕 飛，李明濤，馮 浩

1中國石油管道局工程有限公司國際事業(yè)部，河北 廊坊

2中國石油北京油氣調(diào)控中心，北京

3中國石油天然氣管道工程有限公司，河北 廊坊

1.引言

隨著我國長距離輸油氣管道建設(shè)的蓬勃發(fā)展，長輸管道不可避免地需要穿越河流等特殊地段，河流穿越管道在運(yùn)行過程中，由于水流沖刷及人工活動等原因，可能出現(xiàn)裸露的懸空段，懸空段在波和流的往復(fù)作用下可能發(fā)生斷裂失效，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失[1][2][3][4][5]。因此，對河流穿越管道懸空段極限狀態(tài)機(jī)理進(jìn)行研究，總結(jié)懸空段露管穩(wěn)管決策，對于河流穿越管道的安全運(yùn)行具有重要意義。

1950年，Morison 等人為了研究波浪流組合以及相關(guān)動力響應(yīng)，提出研究有關(guān)小直徑構(gòu)件所受波浪力的Morison 方程，從此管道懸空段極限狀態(tài)機(jī)理研究便基于該方程進(jìn)行展開[6]。研究發(fā)現(xiàn)河流穿越管道的懸空長度是決定管道是否發(fā)生失效破壞的關(guān)鍵因素[7][8][9][10]，李亮亮等研究結(jié)果說明管道懸跨安全長度判定條件：懸跨段不發(fā)生振動破壞、不發(fā)生疲勞破壞且不發(fā)生屈服破壞[11]。詹婷雯等學(xué)者針對河流穿越管道災(zāi)害問題，結(jié)合理論模型與有限元模擬方法對洪水作用下的管道應(yīng)力應(yīng)變情況進(jìn)行分析，綜合數(shù)值法以及有限元法對河流管道穩(wěn)定性進(jìn)行研究[12][13][14][15]。巴建彬等學(xué)者從治理的可行性、可靠性、治理成本以及避免二次懸跨等多角度綜合考慮懸空管道安全問題[16][17][18][19][20]。

本文基于河流穿越管道懸空段極限狀態(tài)機(jī)理研究，針對不同影響因素提出懸空段露管穩(wěn)管方法，考慮屈服破壞、振動破壞、疲勞破壞三種破壞形式，對各穩(wěn)管方法進(jìn)行可行性與可靠性分析，考慮各方法適用性與經(jīng)濟(jì)性提出河流穿越管道懸空段穩(wěn)管決策，并提出多種方法聯(lián)合實(shí)施及管道監(jiān)檢測建議，為不同情境下河流穿越管道懸空段的安全維護(hù)提供理論與技術(shù)支持。

2.管道懸空段極限狀態(tài)機(jī)理

河流穿越管道懸空段破壞形式包括屈服破壞、振動破壞、疲勞破壞。

2.1.屈服破壞機(jī)理

河流穿越管道懸空段所受靜力荷載主要包括管道自重、輸送油氣重量、輸送內(nèi)壓、防腐保溫層及其附件重量、繞流阻力等，動力載荷主要來源于波和流的往復(fù)作用產(chǎn)生的繞流升力、脈動拖曳力等。當(dāng)懸空段所受到的有效應(yīng)力eσ超過管材的許用應(yīng)力[ ]σ，或管道應(yīng)變超過管道允許最大形變量時，懸空段將發(fā)生屈服破壞，按照von-Mises應(yīng)力條件有：

2.2.振動破壞機(jī)理

當(dāng)穩(wěn)恒水流橫向流河流穿越經(jīng)管道懸空段時，將在管道的背水側(cè)出現(xiàn)旋渦泄放，若旋渦泄放的頻率與懸空段的自振頻率相同或相近時，可能導(dǎo)致懸空段出現(xiàn)“頻率鎖定”的共振現(xiàn)象，即懸空段的振動響應(yīng)出現(xiàn)大振幅，控制旋渦發(fā)放過程中懸空段與流體之間的相互作用，由于流體的粘性特征及管道與流體之間的復(fù)雜相互作用，懸空段發(fā)生劇烈耦合振動，導(dǎo)致懸空段發(fā)生振動破壞，如圖1所示為渦流引起的管道振動示意圖。

Figure 1.Schematic diagram of vibration caused by pipeline vortex 圖1.管道渦流引起振動示意圖

當(dāng)懸空段發(fā)生振動破壞時，管道及周圍流體呈現(xiàn)如下特點(diǎn)：

1)管后漩渦泄放的強(qiáng)度增大，“渦激”的規(guī)律性增強(qiáng)；

2)管道所受的升力和拖曳力都明顯增大，可達(dá)管道不發(fā)生共振時的4～5倍；

3)發(fā)生“頻率鎖定”現(xiàn)象，即當(dāng)懸空段的渦激振動頻率接近其自振頻率時，管道與流體的耦合振動會驅(qū)使漩渦泄放頻率在一個較大的范圍內(nèi)固定在管道自振頻率附近，而不按其本身的渦激振動頻率泄放，類似于被“鎖定”在自振頻率上。

當(dāng)懸空段的渦激振動頻率sf與其自振頻率nf滿足關(guān)系式(2)時，認(rèn)為可以有效避免懸空段發(fā)生共振現(xiàn)象，即：

2.3.疲勞破壞機(jī)理

水流在河流穿越管道懸空段的周圍出現(xiàn)繞流作用，導(dǎo)致懸空段受到繞流阻力及繞流升力的作用，其中繞流升力的方向及大小均呈周期性變化，是典型的周期性交變載荷，是引起懸空段疲勞破壞的主要原因。在繞流升力的往復(fù)作用下，懸空段可能在其所受有效應(yīng)力并未達(dá)到許用應(yīng)力時就會產(chǎn)生局部疲勞裂紋，隨著裂紋的逐漸擴(kuò)展管道可能發(fā)生突然斷裂失效，即疲勞破壞。由于疲勞裂紋的形成及擴(kuò)展極具隱蔽性，而疲勞斷裂又具有瞬發(fā)性，因此疲勞破壞可能造成較為嚴(yán)重的失效后果，需要采取必要的措施加以預(yù)防。

在計算管道的疲勞壽命時，各國船級社規(guī)范中通常采用英國健康與安全執(zhí)行委員會(HSE)提出的S-N曲線進(jìn)行估算，S-N 曲線如圖2。

Figure 2.S-N curve of pipe 圖2.管材的S-N 曲線

因此，防止河流穿越管道懸空段發(fā)生疲勞失效的安全判定條件為

有在考慮屈服破壞、振動破壞和疲勞破壞三種破壞形式時管道均能滿足安全條件的情況下，才能判定管道安全，因此本文分別提出河流穿越管道懸空段穩(wěn)管方法，對各穩(wěn)管方法進(jìn)行對比分析，為不同情境下的河流穿越管道懸空段極限狀態(tài)穩(wěn)管方法提供參考。

3.河流穿越管道懸空段穩(wěn)管方法總結(jié)概述

3.1.改變懸空長度的穩(wěn)管方法

當(dāng)管道懸空長度增大時，管道應(yīng)變發(fā)生變化，為避免管道因變形過大而發(fā)生失效，可以考慮采取樁結(jié)構(gòu)支撐來減小懸空段長度，如圖3所示。

樁結(jié)構(gòu)支撐是指在河流穿越管道懸空段交替設(shè)置一個或者多個支撐樁，向上托著管道，限制管道位移，減小管道振幅，從而達(dá)到治理懸空段的效果。優(yōu)點(diǎn)：施工簡單，施工工期短，不需停產(chǎn)，治理可靠性高。缺點(diǎn)：對懸空段下方土體無促淤作用，不能防止沖刷范圍擴(kuò)大，可能出現(xiàn)二次懸空；采用樁結(jié)構(gòu)支撐方法相當(dāng)于將單跨管道變?yōu)殡p跨甚至多跨管道，對于不等跨管道，隨著兩跨懸空長度差距的增大，較長跨一側(cè)的應(yīng)變迅速增大，可能導(dǎo)致管道因變形過大而發(fā)生失效；對小管徑且懸空段較長的河流穿越管道投資較高。

如果對河流穿越管道懸空段采用樁結(jié)構(gòu)支撐來改變管道的懸空長度，在一段懸跨內(nèi)要安放一個或多個支撐樁，設(shè)置的數(shù)量及支撐裝置的軸向?qū)挾葢?yīng)該綜合考慮河床地形、管道屈服強(qiáng)度、共振情況、疲勞循環(huán)次數(shù)以及投資成本進(jìn)行評估后確定。

Figure 3.Structure diagram of pile structure support method 圖3.樁結(jié)構(gòu)支撐方法簡明結(jié)構(gòu)圖

3.2.改變河床土體彈性模量的穩(wěn)管方法

當(dāng)河床土體彈性模量較大時，土體更加“密實(shí)”，土壤更加不容易流失，可以更好地對河流穿越管道懸空段的出現(xiàn)進(jìn)行預(yù)防。該穩(wěn)管方法目前主要包括箱涵、U 形槽、硬覆蓋、石籠、河底硬化等常見方法，如圖4所示。

Figure4.Diagram of method for changing elastic modulusof riverbed soil 圖4.改變河床土體彈性模量方法圖

1)箱涵

優(yōu)點(diǎn)：箱涵結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土澆筑，可靠性高，能夠有效地防止河流穿越管道懸空段的出現(xiàn)。缺點(diǎn)：施工時需進(jìn)行開挖作業(yè)，工序繁瑣復(fù)雜，施工工期較長，且成本較高。箱涵結(jié)構(gòu)適用于山區(qū)河流溝谷，易發(fā)山洪、泥石流的河溝道，可以在枯水期進(jìn)行施工，用于對懸空段的預(yù)防，但不適用于汛期對懸空段的搶險工作。

2)U 形槽

優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)材料采用預(yù)制，可靠性較高，治理針對性強(qiáng)，能夠在一定程度上防止管道上方土壤流失。缺點(diǎn)：施工時需要開挖河床土壤，施工步驟復(fù)雜，構(gòu)件預(yù)制成本較高。U 型槽適用于平原及山區(qū)小河溝對河流穿越管道懸空段的預(yù)防，可以在枯水期進(jìn)行施工，不適用于山洪頻發(fā)、水流量和流速較大的河溝，不適用于汛期對懸空段的搶險工作。

3)硬覆蓋

優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)材料可靠性較高，通過蓋板和邊墻能夠有效阻止水流對管道周圍土體的沖刷作用，防止管道懸空段的出現(xiàn)。缺點(diǎn)：施工時需開挖河床，施工周期較長，施工過程緩慢。硬覆蓋適用于平原及山區(qū)小河溝對河流穿越管道懸空段的預(yù)防，不適用于山洪頻發(fā)、水流量和流速較大的河溝，可以在枯水期進(jìn)行施工，不適用于汛期對懸空段的搶險工作。

4)石籠

優(yōu)點(diǎn)：石籠為柔性結(jié)構(gòu)，成型隨意，且允許一定的不均勻沉降，抗沖擊能力強(qiáng)，入水能保持完整，縫隙間可以進(jìn)水和出水，石籠周圍雜草泥沙隨水流蓄入，安全、持久、環(huán)保。缺點(diǎn)：鐵絲易腐蝕、斷絲漏包，影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定；在管道施工階段，由于石籠中的石料表面尖銳，且水流沖刷石塊對管道造成沖擊，易對管道外防腐層造成破壞，影響管道防腐層的防腐蝕作用，管道易發(fā)生腐蝕；石籠結(jié)構(gòu)相當(dāng)于在河道中建造了一道淺壩，迫使向兩邊分流的水流沖刷兩側(cè)土體，并且由于有效過水?dāng)嗝娴臏p小，管道周圍水流速度增大，促使河床進(jìn)一步?jīng)_刷下切。石籠穩(wěn)管適用于易發(fā)一般性洪水，山洪、泥石流規(guī)模較小的河溝道，屬于臨時性防護(hù)結(jié)構(gòu)，可用于洪峰過境時的搶險工作，但不適用于長期使用，待汛期過后需采取有效措施對懸空段進(jìn)行進(jìn)一步治理。

5)河底硬化

優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)材料采用混凝土預(yù)制，可靠性較高，能夠在一定程度上縮短工期，能夠有效防止水流對管道上方土體的沖刷作用，防止懸空段的出現(xiàn)。缺點(diǎn)：施工時需開挖河道，施工過程較為復(fù)雜，工期較長。河底硬化適用于平原及山區(qū)小河溝對河流穿越管道懸空段的預(yù)防，可以在枯水期進(jìn)行施工，不適用于山洪頻發(fā)、水流量流速較大的河溝，不適用于汛期對懸空段的搶險工作。

綜上所述，改變河床土體彈性模量的穩(wěn)管方法的主要目的在于防止河流穿越管道上方或管道周圍的水土流失，因此可以考慮采用箱涵、U 型槽、硬覆蓋、河底硬化等方式來防止懸空段的出現(xiàn)，在懸空段出現(xiàn)后，可以考慮采用石籠進(jìn)行搶險，以提高管道自振頻率、降低管道渦激振動頻率，但隨著周圍土體彈性模量的增大，懸空段受到的應(yīng)力會有所增大，因此應(yīng)綜合考慮管道的應(yīng)力和渦激振動頻率對石籠的規(guī)格、數(shù)量、放置位置進(jìn)行評估。

3.3.改變管道周圍水流速度的穩(wěn)管方法

隨著河水水流速度的增大，管道渦激振動頻率、最大Mises應(yīng)力、最大應(yīng)變均隨之受到影響，導(dǎo)致管道容易出現(xiàn)屈服破壞、振動破壞及疲勞破壞等失效形式。因此，采取有效措施降低管道周圍水流速度，對于汛期河流穿越管道懸空段的安全治理具有重要意義。

1)丁字壩

丁字壩是一段呈“丁”字形的堤壩，如圖5所示，當(dāng)河流穿越管道懸空段處于水流沖刷集中區(qū)時，丁字壩通過改變水流方向來減緩水流對懸空段的沖刷作用，從而降低懸空段應(yīng)力和渦激振動頻率，同時減輕岸堤近旁淤積，減小水流對局部岸堤的作用力，防護(hù)管道安全。

優(yōu)點(diǎn)：通過改變水流方向減輕懸空段受到的水流沖刷，能夠有效地防止懸空段失效。缺點(diǎn)：施工周期較長，只能對特定位置的懸空段起到保護(hù)作用，當(dāng)出現(xiàn)新的懸空段時，又需修筑新的丁字壩，不能一勞永逸。丁字壩適用于側(cè)向侵蝕強(qiáng)烈的河溝，不適用于易發(fā)山洪、泥石流的河溝道。

Figure 5.Structure diagram of Tingba 圖5.丁字壩簡明結(jié)構(gòu)圖

2)浮簾式降流促淤裝置

浮簾式降流促淤裝置(如圖6所示)通過重梁安裝在管道懸空段上游，水流速度在流經(jīng)浮簾時有所減小，使得水中攜帶的泥沙在懸空段附近沉積，從而通過截留的泥沙來填覆懸空段下方的沖刷坑來實(shí)現(xiàn)對懸空段的治理。

優(yōu)點(diǎn)：該裝置在降低水流速度的同時促進(jìn)了泥沙的淤積，具有施工工期短，能夠?qū)崿F(xiàn)主動淤積泥沙治理懸空段的目的，值得進(jìn)行不斷改進(jìn)和推廣。缺點(diǎn)：預(yù)制件成本較高。

Figure 6.Structure diagram of floating curtain type downflow and silt accelerating device圖6.浮簾式降流促淤裝置簡明結(jié)構(gòu)圖

3)安裝擾流器

為了減小水流渦激振動引起的河流穿越管道懸空段振動頻率及振動幅度，可以考慮采用擾流器等抑制渦激振動的措施。常見的各式擾流器簡明結(jié)構(gòu)如圖7所示。

魚鰭式導(dǎo)流板(如圖8所示)優(yōu)點(diǎn)：能夠通過改變管道繞流實(shí)現(xiàn)管道自埋，有效治理管道懸空。缺點(diǎn)：安裝的導(dǎo)流板需要預(yù)制并在鋪設(shè)前與管道進(jìn)行連接，增大了安裝階段的焊接難度；導(dǎo)流板與管道連接處可能出現(xiàn)電化學(xué)腐蝕；導(dǎo)流板的自埋作用受水流方向影響，若水流與導(dǎo)流板方向平行，則不能實(shí)現(xiàn)管道的自埋，因此在安裝時需要注意導(dǎo)流板的安裝方向；當(dāng)河床的泥沙特性沿管線不均勻時，由于渦流的沖刷速度不同可能造成管道局部二次懸空。魚鰭式導(dǎo)流板主要適用于砂質(zhì)河床，不適用于以粘土和礫石為主的河床，而且要求河水流速達(dá)到一定量值。

Figure 7.Structure diagram of spoiler 圖7.擾流器簡明結(jié)構(gòu)圖

Figure8.Physical pictureof fin-type deflector 圖8.魚鰭式導(dǎo)流板實(shí)物圖

4)仿生水草法

仿生水草通過吸收波能以達(dá)到消波作用，通過降低水流速度以減少波浪流動力對懸空段的沖刷，同時通過促進(jìn)水流中所挾泥沙的沉降以實(shí)現(xiàn)固沙促淤?！叭斯げ荨睂?shí)物圖如圖9所示。

優(yōu)點(diǎn)：從生態(tài)角度看，仿生水草法不會影響懸空段周圍動植物的生長環(huán)境，對于深水及淺水水域均適用，且在治理懸空段沖刷問題的同時不會發(fā)生二次懸跨的現(xiàn)象，治理可靠，一勞永逸。缺點(diǎn)：仿生水草法不適合懸空高度比較大的情況，建立纖維加強(qiáng)沙洲的施工工程量較大，專業(yè)技術(shù)要求高，處理工期比較長，一次性投資較高。仿生水草法適用于枯水期對河流穿越管道懸空段的治理和預(yù)防，不適用于汛期搶險。

Figure 9.Physical picture of “Artificial grass”圖9.“人工草”實(shí)物圖

3.4.改變管道懸空高度的穩(wěn)管方法

管道在剛剛出現(xiàn)懸空的階段更容易發(fā)生共振破壞，隨著管道懸空高度的逐漸增大，管道最大Mises應(yīng)力、最大應(yīng)變均有所增大，表明隨著懸空段的發(fā)展，管道更容易發(fā)生屈服破壞。因此，在管道運(yùn)行過程中應(yīng)注意對河流穿越段的監(jiān)檢測，以便于及時對懸空段進(jìn)行發(fā)現(xiàn)和治理；當(dāng)懸空段出現(xiàn)后，應(yīng)采取有效措施，以避免管道發(fā)生屈服及振動破壞。

1)拋填砂袋法

拋填砂袋法是在懸空段底部堆置砂袋來降低管道懸空高度的結(jié)構(gòu)支撐方法，施工時在懸空管道及其周圍一定范圍內(nèi)拋填重量約60 kg、裝有一定比例粗砂和水泥的砂袋，由潛水員在拋填過程中對砂袋進(jìn)行整理。

優(yōu)點(diǎn)：施工工藝簡單，便于實(shí)施，保護(hù)范圍廣，可以在管道不停產(chǎn)的情況下作業(yè)。缺點(diǎn)：可靠性較差，在較多不確定因素的影響下，拋填的砂袋可能再次被沖刷淘走從而造成管道二次懸空；不適宜用于支撐懸空高度較大的管段，如果管道懸空高度超過1 m，則砂袋堆容易倒塌。

2)灌漿袋法

灌漿袋法是一種通過結(jié)構(gòu)支撐治理河流穿越管道懸空段的方法，施工時首先由潛水員或機(jī)械設(shè)備預(yù)先在懸空段下方設(shè)置灌漿袋支撐模殼，然后向其中注入泥漿而成型，通過向上支撐懸空管道以縮小懸空高度，從而實(shí)現(xiàn)對懸空段的治理。其實(shí)物圖如圖10所示。

優(yōu)點(diǎn)：與其他方法相比，灌漿袋法較為經(jīng)濟(jì)實(shí)用，尤其是在大型作業(yè)母船無法作業(yè)的淺水區(qū)域，其優(yōu)勢更為突出；在施工過程中不會砸壞管道，且對管道尺寸沒有具體要求。缺點(diǎn)：灌漿袋法要求潛水員或機(jī)械設(shè)備在放置灌漿袋支撐模殼位置需準(zhǔn)確。灌漿袋法主要適用于管道懸空高度比較小的區(qū)域。

Figure 10.Physical picture of grouting bag method 圖10.灌漿袋法實(shí)物圖

綜合以上多種穩(wěn)管方法，對于河流穿越管道，可以采用箱涵或硬覆蓋的方式對懸空段進(jìn)行預(yù)防；可以采用灌漿袋法在汛期對懸空段進(jìn)行搶險，樁結(jié)構(gòu)支撐法、石籠亦可以用于汛期搶險，但在使用前需基于安全性與經(jīng)濟(jì)性對方案的實(shí)施進(jìn)行綜合評估；浮簾式降流促淤裝置和仿生水草法既可以用于汛期搶險，也可以用于汛期過后對懸空段的治理。在實(shí)際應(yīng)用中，可以考慮多種穩(wěn)管方案的聯(lián)合使用，例如將灌漿袋法與仿生水草法聯(lián)合使用，在實(shí)現(xiàn)快速搶險的同時有利于后續(xù)降流促淤，從而實(shí)現(xiàn)對懸空段的有效治理。

4.結(jié)論

本文在管道懸空段極限狀態(tài)機(jī)理研究的基礎(chǔ)上，對河流穿越管道懸空段穩(wěn)管方法進(jìn)行總結(jié)調(diào)研，取得如下成果：

1)針對懸空長度、土體彈性模量、周圍水流速度、懸空高度等不同影響因素，考慮三種破壞形式對河流穿越管道懸空段穩(wěn)管方法進(jìn)行可行性與可靠性分析；

2)考慮適用性及經(jīng)濟(jì)性，對各穩(wěn)管方法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析，為不同情境下懸空段的穩(wěn)管治理提供決策參考。