徐圩新區(qū)達(dá)標(biāo)尾水排海工程海域管道施工設(shè)計(jì)與實(shí)踐

徐聆溪 冉宗信 王其倉(cāng) 程志剛 姜 萬(wàn)

（1、江蘇方洋集團(tuán)有限公司，江蘇 連云港222000 2、江蘇方洋水務(wù)有限公司，江蘇 連云港 222000）

1 工程概況

徐圩新區(qū)地處連云港東部沿海，是國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)設(shè)立的全國(guó)沿海七大石化產(chǎn)業(yè)基地之一。近年來(lái)，受上游善后河、燒香河等排水的影響，徐圩新區(qū)水質(zhì)不容樂(lè)觀，已難以達(dá)標(biāo)規(guī)劃的III 類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)徐圩新區(qū)的河流水系基本在原來(lái)的引潮河的基礎(chǔ)上改（擴(kuò)）建而成，河網(wǎng)水系的含鹽量較高，微生物難以生長(zhǎng)，導(dǎo)致河流的自?xún)裟芰Φ拖?，已無(wú)足夠環(huán)境容量和自?xún)裟芰θ菁{達(dá)標(biāo)尾水。此外，達(dá)標(biāo)尾水若排河處理，其水質(zhì)應(yīng)經(jīng)過(guò)科學(xué)論證，保證在規(guī)劃年限內(nèi)新區(qū)河流的水質(zhì)指標(biāo)能達(dá)標(biāo)，并應(yīng)征得水行政主管部門(mén)的認(rèn)可，可行性較低。經(jīng)充分科學(xué)論證，徐圩新區(qū)達(dá)標(biāo)尾水排海工程于2020 年1 月啟動(dòng)建設(shè)，以入海點(diǎn)為界分為陸域管道及海域管道，管道總長(zhǎng)約26.12 km，其中陸域管道約3.84 km，海域管道約22.28 km。工程總投資約8.2 億元。工程位置見(jiàn)圖1（a）所示。

圖1

海域工程布置設(shè)計(jì)：

海域工程主要包括頂管工作井和海域排放管道，陸域管道進(jìn)入12m×8m 寬頂管工作井后采用頂管穿越復(fù)堆河和海濱大道，其中陸域部分為頂管工作井至入海點(diǎn)，管道長(zhǎng)約400m，海域排放管道以入海點(diǎn)為界全長(zhǎng)22279m，包括接陸域部分頂管管線長(zhǎng)720m，敷管船敷管長(zhǎng)21259m 和擴(kuò)散管300m。擴(kuò)散段布置100 根DN110的上升管，每根上升管設(shè)置2 只DN65 噴口。海域工程布置圖如圖1（b）所示。

2 施工方案設(shè)計(jì)

2.1 排海管敷設(shè)方案

本次排海管設(shè)計(jì)入海穿越現(xiàn)狀復(fù)堆河底及已建海濱大道海堤，常見(jiàn)穿越方式為架管穿越及頂管穿越[1]，由于架管穿越對(duì)現(xiàn)狀海濱大道通車(chē)影響較大，另從減少海底埋管施工對(duì)局部水體中懸浮物量和底棲生物破壞程度及施工便利角度出發(fā)，灘涂部分落潮露灘不宜采用開(kāi)槽埋管法施工，可采用有較大埋深的頂管方案，因此本工程整體采用頂管穿越進(jìn)入外海。復(fù)堆河和海堤走向一致，復(fù)堆河內(nèi)側(cè)原為農(nóng)田，地形開(kāi)闊平坦，交通便利，適合作為頂管施工的場(chǎng)地。頂管工作井位于規(guī)劃復(fù)堆河西岸，接收井位于海域側(cè)水深-3.4m 處，頂管段長(zhǎng)度1120m（以入海點(diǎn)為界，陸域頂管400m，海域頂管720m），見(jiàn)圖2。

圖2 頂管示意圖

2.2 海域管材及防腐設(shè)計(jì)

海域管道采用單管排放，管徑為DN1400，海域管道材質(zhì)采用鋼管。城市排水用鋼管常規(guī)選用Q235B 鋼板制作，它具有良好的韌性，且管材及管件易加工[2]。對(duì)于海域施工，鋼管的優(yōu)點(diǎn)有強(qiáng)度大、硬度高、受外力難以破壞，即使破壞多以癟管、失圓變形為主、極少破漏、開(kāi)裂幾乎不會(huì)整體斷裂，抗錨害能力強(qiáng)；管道自身穩(wěn)定性好，可長(zhǎng)時(shí)間放在海床表面；對(duì)管道上方的回填料的施工方法及重量的要求較低；管道強(qiáng)度大、延性好，可容許的懸空距離長(zhǎng)，一般海底地質(zhì)沉降對(duì)管道幾乎沒(méi)有影響。缺點(diǎn)為鋼材本身不防腐，需通過(guò)內(nèi)外防腐、陰極保護(hù)等措施進(jìn)行防腐處理。

低碳鋼在海水中的平均腐蝕速度為125μm/a，實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐都證明，海底金屬管道的腐蝕，主要是電化學(xué)腐蝕[3]。除耐海水特種金屬之外，埋地或海底金屬管道的防腐方法主要分為在金屬表面涂耐蝕保護(hù)層或隔離層、陰極保護(hù)法和涂層+陰極保護(hù)三種方法。本工程排海管道較長(zhǎng)，如單獨(dú)采用涂層防腐，涂層在涂覆過(guò)程中，不可避免地存在毛細(xì)孔或漏涂處，而且在安裝或使用中易破損，導(dǎo)致腐蝕集中于這些部位。但采用了陰極保護(hù)后，便可彌補(bǔ)涂層的不足，二者結(jié)合使用是最經(jīng)濟(jì)的、最有效的方法，因此采用涂層+犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)方法。

2.3 擴(kuò)散器設(shè)計(jì)

擴(kuò)散器的作用是將污水分散成許多小流體，并要求擴(kuò)散器的噴口間距以各噴口排出污水在初始稀釋過(guò)程中相互不重疊為限，在較大面積內(nèi)擴(kuò)散，本質(zhì)上是擴(kuò)散器將點(diǎn)源排放改變?yōu)榫€源排放，使排放水流與受納水體充分混合形成稀釋水流[4]。擴(kuò)散器的長(zhǎng)度直接影響到近區(qū)的稀釋效果，影響擴(kuò)散器的長(zhǎng)度的主要因素包括污水排放量、初始稀釋度的要求、水深、密度及水動(dòng)力條件等。根據(jù)《污水排海管道工程技術(shù)規(guī)范》（GB/T 19570-2017）6.12 條，本工程初始稀釋度采用100 倍，長(zhǎng)度按下式計(jì)算：

式中：

Lb——擴(kuò)散器長(zhǎng)度，單位為米（m）；

Q ——污水排放量，單位為立方米每秒（m3/s）；

H ——污水的最大浮升高度，單位為米（m）；

g'——折減重力加速度，單位為米每平方秒（m/s2）

Sc——初始稀釋度。

根據(jù)測(cè)算結(jié)果，考慮降低工程費(fèi)用，擴(kuò)散器長(zhǎng)度Lb采用300m。

3 海域管道施工技術(shù)

海域段排放管全長(zhǎng)22678.5m，其中放流段總長(zhǎng)度為22378.5（包括頂管穿堤段1120m，鋪管船施工21258.5m），排海管樁號(hào)K01+120-K18+400.0埋設(shè)深度為2.0m，樁號(hào) K18+400.0-K22+678.5 埋設(shè)深度為2.5m；排海管道擴(kuò)散段樁號(hào)為K22+378.5-K22+678.5 采用“T”型擴(kuò)散器，總長(zhǎng)300m，其上布置有100 根DN110 上升管間距3m 布置，每根上升管設(shè)置2 只DN65 噴管，共200 個(gè)DN65 橡膠鴨嘴閥。海域鋪管工程主要包括：接收井、管道敷設(shè)和管道清管試壓、海管挖溝、海砂及碎石回填保護(hù)、擴(kuò)散段擴(kuò)散器安裝及保護(hù)和附屬設(shè)施施工六個(gè)方面。

3.1 管道鋪設(shè)

海管由駁船倒運(yùn)到主作業(yè)船堆管區(qū)，在起重工的指揮下按操作規(guī)程吊裝管材。吊裝機(jī)械采用鋪管船主鉤進(jìn)行吊裝作業(yè)，索具采用吊管專(zhuān)用索具。單管重約7.5t，采用2 根鋼絲繩進(jìn)行吊裝，吊裝夾角60°。管道焊接等施工均在鋪管作業(yè)船上完成，鋪管作業(yè)線由船艏至船艉主要布置7 個(gè)作業(yè)工位（圖3），分別完成管線管口處理、組對(duì)、焊接、檢驗(yàn)、犧牲陽(yáng)極安裝、防腐等作業(yè)內(nèi)容。

圖3 鋪管作業(yè)線工藝流程

在鋪管船作業(yè)線首端位置設(shè)置牽引機(jī)構(gòu)，能夠牽引管線內(nèi)部的內(nèi)對(duì)口器，再通過(guò)Φ19 鋼纜的連接管道內(nèi)防腐機(jī)。新管進(jìn)入作業(yè)線后，牽引機(jī)構(gòu)鋼纜通過(guò)管線內(nèi)部連接內(nèi)對(duì)口器牽引纜，啟動(dòng)牽引機(jī)構(gòu)將內(nèi)對(duì)口器從C 工位牽引至B 工位，內(nèi)對(duì)口器就位后，即可進(jìn)行新的一輪流水作業(yè)。

管線鋪設(shè)過(guò)程中需滿(mǎn)管注水，防止管線上浮[5]。采用管線末端推球式注水，在管線端部安裝發(fā)球裝置，通過(guò)法蘭將發(fā)球裝置連接在海管端部。發(fā)球裝置內(nèi)預(yù)安裝聚氨酯泡沫球2 個(gè)，外側(cè)連接注水配管（圖4）。注水配管根據(jù)海管鋪設(shè)情況進(jìn)行分段注水，先對(duì)a 腔內(nèi)注水，推動(dòng)前端聚氨酯泡沫球注入海管內(nèi)。隨管線鋪設(shè)，海管每鋪設(shè)12m，向海管內(nèi)注水18.1m3。

圖4 發(fā)球裝置示意圖

3.2 預(yù)挖溝施工

預(yù)挖溝范圍為管道鎮(zhèn)墩處以及擴(kuò)散段基槽開(kāi)挖。預(yù)挖溝采用13m3抓斗船進(jìn)行開(kāi)挖。抓斗式抓斗船是利用旋轉(zhuǎn)式挖泥機(jī)的吊桿及鋼索來(lái)懸掛泥斗，在抓斗本身重量的作用下，放入海底抓取泥土，然后開(kāi)動(dòng)斗索絞車(chē)，通過(guò)吊桿頂端的滑輪，將抓斗關(guān)閉、升起，再轉(zhuǎn)動(dòng)挖泥機(jī)到開(kāi)底泥駁將泥卸掉，然后挖泥機(jī)又轉(zhuǎn)回挖掘地點(diǎn)，進(jìn)行挖泥，如此循環(huán)作業(yè)[6]。開(kāi)挖的泥土使用1000m3開(kāi)底泥駁進(jìn)行運(yùn)輸和卸載，利用泥駁本身的開(kāi)底結(jié)構(gòu)進(jìn)行排放控制，待泥土沉放海底時(shí)，關(guān)閉開(kāi)底結(jié)構(gòu)，返航繼續(xù)裝載。

3.3 鎮(zhèn)墩施工

根據(jù)工程特點(diǎn)鋪管工序安排，本工程有兩處鋼制鎮(zhèn)墩施工，一處位于155°彎頭部位，一處位于直線段。鎮(zhèn)墩外部為鋼制套箱，利用混凝土將鋼管包裹固定在鎮(zhèn)墩內(nèi)，鎮(zhèn)墩基礎(chǔ)采用拋石基床，厚度1m。鎮(zhèn)墩安裝前先進(jìn)行基床施工，由挖泥船進(jìn)行基槽開(kāi)挖，放坡1:6，然后由潛水員進(jìn)行土工格柵鋪設(shè)，驗(yàn)收完成后，由拋石船進(jìn)行拋石，然后由潛水員進(jìn)行碎石找平。鎮(zhèn)墩預(yù)制完成后，由三航起15 進(jìn)行吊裝，鋼制鎮(zhèn)墩重量在150 噸左右，由兩根鋼絲繩從底部困住鎮(zhèn)墩，棱角處墊上墊木。鎮(zhèn)墩起吊時(shí)不準(zhǔn)在其上、其下站人，與吊運(yùn)無(wú)關(guān)人員隔離鎮(zhèn)墩50m 以外。吊離地面20cm，停留10min，經(jīng)檢查無(wú)異常情況進(jìn)行起運(yùn)。當(dāng)運(yùn)至墩位停留，待停止擺動(dòng)，徐徐下降，對(duì)位后入水。由潛水員下水檢查安裝位置的偏差情況，并進(jìn)行調(diào)整。

3.4 后挖溝施工

后挖溝施工范圍為除去預(yù)挖溝范圍以外的一般段海管埋設(shè)。按照“布錨圖”在GPS 衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)的引導(dǎo)下，用拖輪將駁船拖帶到挖溝起點(diǎn)附近拋錨穩(wěn)船，然后用拋錨艇按“布錨方案”中的要求，布設(shè)挖溝作業(yè)母船船8 只移船定位錨。起始錨按八字錨位法布設(shè)，每個(gè)錨位離管線距離應(yīng)不小于200m。施工過(guò)程中拋錨艇上的人員隨時(shí)注意是否有流錨現(xiàn)象。挖溝施工典型布錨圖如圖5 所示。

圖5 挖溝船拋錨示意圖

調(diào)整挖溝機(jī)位置，使海管處于挖溝機(jī)兩個(gè)導(dǎo)向柱之間，然后將挖溝機(jī)下放到海床面，聲納檢測(cè)海管是否置于導(dǎo)向柱之內(nèi)，如聲納顯示海管已置于導(dǎo)向柱內(nèi)，完成挖溝機(jī)定位作業(yè)。挖溝施工時(shí)首先逐步將液壓系統(tǒng)壓力調(diào)節(jié)至工作壓力。船舶的前進(jìn)速度和挖溝機(jī)的工作壓力要根據(jù)挖溝監(jiān)控效果而定，通過(guò)剖面聲納實(shí)時(shí)監(jiān)控成溝形狀，GPS 實(shí)時(shí)監(jiān)視挖溝的軌跡，根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)的土壤條件和其它環(huán)境因素，調(diào)整挖溝機(jī)的速度，以適應(yīng)當(dāng)?shù)氐耐跍檄h(huán)境，使成溝達(dá)到質(zhì)量要求。

圖6 挖溝施工示意圖

3.5 擴(kuò)散段施工

本工程排海管道擴(kuò)散段位全長(zhǎng)300m，其上設(shè)置有100 根上升管，主要包括基槽開(kāi)挖、管道墊層、管道鋪設(shè)、海砂回填、連鎖塊余排護(hù)面等施工，其中基槽開(kāi)挖46330m3，粗海砂回填。擴(kuò)散段施工在放流段快施工完成前進(jìn)行，提前將該段挖泥作業(yè)完成，當(dāng)需要時(shí)進(jìn)行砂墊層及機(jī)織布鋪設(shè)，然后當(dāng)管道鋪設(shè)至直角拐彎點(diǎn)時(shí)，將擴(kuò)散段預(yù)制的管節(jié)分段吊裝，潛水配合安裝，完成管道鋪設(shè)后，立即進(jìn)行海砂回填、連鎖塊余排護(hù)面等施工。

3.6 海砂碎石回填

管道敷設(shè)完畢后，上部需回填海砂或者袋裝碎石壓載。非通航放流段全長(zhǎng)19425.5m，管道敷設(shè)完成后進(jìn)行回填海砂處理；通航放流段全長(zhǎng)1833m，管道敷設(shè)完成后采用袋裝碎石壓載。海砂回填計(jì)劃采用定位駁施工，在定位駁一側(cè)設(shè)置拋砂導(dǎo)向系統(tǒng)，砂船靠駁方駁另一側(cè)通過(guò)傳輸帶將砂送至導(dǎo)管拋砂系統(tǒng)，進(jìn)行鋪砂作業(yè)。袋裝碎石施工位于通航放流段，采用定位駁施工，運(yùn)輸駁將袋裝碎石運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)，利用運(yùn)輸駁上的履帶吊進(jìn)行袋裝碎石的拋填。

4 結(jié)論

徐圩新區(qū)達(dá)標(biāo)尾水排海工程于2021 年7 月完工，設(shè)計(jì)排放規(guī)模為11.83 萬(wàn)噸/天，主要由調(diào)壓泵站、陸域管道、海域管道和擴(kuò)散器四部分組成，排海直徑為1.4 米，總長(zhǎng)度約26km。其中海域管道長(zhǎng)約22km，采用頂管法施工，關(guān)鍵設(shè)計(jì)及施工難點(diǎn)在于擴(kuò)散器設(shè)計(jì)與安裝、管道鋪設(shè)及海管挖溝等。本工程的順利建成可為徐圩新區(qū)國(guó)家生態(tài)環(huán)境部環(huán)境綜合治理托管服務(wù)模式試點(diǎn)工作提供有力支撐，也可為類(lèi)似海域管線工程提供技術(shù)借鑒。