淺談水利工程海底管道保護(hù)方式

游海清

(平潭綜合實(shí)驗(yàn)區(qū)城鄉(xiāng)交通與建設(shè)運(yùn)輸服務(wù)中心，福建 福州 350400)

1 海底管道保護(hù)方式

海底管道保護(hù)方式分為兩方面，第一為海底管道自身的防腐、防破壞的保護(hù)措施，主要有防腐涂層、混凝土配重保護(hù)層、犧牲陽極等。第二為海底管道在鋪設(shè)時(shí)通過預(yù)挖溝或后挖溝形式將海底管道埋設(shè)在海床以下，并在管道上方回填砂袋、碎石、塊石、混凝土連鎖排等覆蓋，對(duì)管線形成保護(hù)，防止因拋錨等外力對(duì)管線造成傷害。

本文主要依托福建平潭(一閘三線)工程海壇海峽跨海管道項(xiàng)目，淺析海底管道后挖溝沉管，然后砂袋回填、海工砼沉排覆蓋保護(hù)的方式。

福建省平潭及閩江口水資源配置(一閘三線)工程由莒口攔河閘、閩江竹岐～大樟溪引水工程、大樟溪～福清、平潭輸水工程和大樟溪～福州、長樂輸水工程組成。平潭海壇海峽(跨海段)采用海底管道，設(shè)計(jì)輸水流量 8.8 m3/s。主要解決平潭綜合實(shí)驗(yàn)區(qū)供水問題，促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)改善的大型水資源配置工程，屬于國家重點(diǎn)172工程?？绾６尉€路總長4.201 km,其中4 根1.2 m 的鋼管段長4.029 km， 兩端與輸水隧洞連接段為單根直徑2.8 m鋼管段長0.173 km。

2 海底管道后挖溝沉管

管線整體后挖溝使管線沉入溝底，管線后挖溝深度為管頂埋深2.5 m，可以有效保護(hù)管線不受外力破壞。管線后挖溝沉管一般采用噴射式后挖溝機(jī)進(jìn)行沉管施工。

作業(yè)時(shí)挖溝機(jī)就位于管線上方，挖溝機(jī)啟動(dòng)后，由主作業(yè)船通過牽引纜拖拽行走，進(jìn)行管線后挖溝作業(yè)。噴射式挖溝機(jī)首先利用前端的中壓射水對(duì)管線底部及周圍泥土進(jìn)行切割、分塊，后由軸流泵產(chǎn)生的大流量噴沖水流，對(duì)管線底部及周圍泥土進(jìn)行沖刷，使管線周邊土壤液化，液化土溶液一部分隨噴沖水流沖出溝外，另一部分由氣舉裝置排出溝外，從而形成管溝。管線在自重的作用下沉入溝中，從而完成沉管作業(yè)。挖溝質(zhì)量及過程控制主要通過監(jiān)控設(shè)備完成，同時(shí)結(jié)合人工管道埋深調(diào)查(圖1和圖2)。

圖1 后挖溝作業(yè)示意圖

圖2 后挖溝沉管典型斷面圖

3 碎石及砂袋回填覆蓋保護(hù)

管道上方回填砂袋或碎石用保護(hù)管線不以受到錨害、沖刷懸空等，以福建平潭(一閘三線)工程海壇海峽跨海管道項(xiàng)目航道段的碎石及砂袋回填為例，為確保對(duì)管線有效的保護(hù)需對(duì)管頂最小保護(hù)層厚度計(jì)算分析。主要影響因素有以下幾個(gè)方面。

3.1 錨害分析

錨在貫穿過程中的主動(dòng)力主要包括：貫入錨的重量和任何被應(yīng)用的驅(qū)動(dòng)力。阻力包括作用在錨前斷面和側(cè)面的底部和側(cè)向土壤支撐力，以及拖拽力。向上的凈阻力使貫入錨做減速運(yùn)動(dòng)，直到最終停止。

錨貫穿到海床土壤里的動(dòng)力行為可以通過如下的牛頓第二定律表達(dá)式：

(1)

式中：M為錨在土壤中的有效質(zhì)量(kg)；W為錨的浮重，等于錨的重力減去浮力(N)；y為錨在土壤中的貫穿深度(m)；v為錨的速度(m/s)；t為錨在土壤中的運(yùn)行時(shí)間(s)；F(v,y)為土壤阻力。

通常情況下，錨落入海床中時(shí)，初始時(shí)為垂直貫入，當(dāng)達(dá)到最大落錨深度后，隨著船舶的慣性行進(jìn)，錨在海床中的合成運(yùn)動(dòng)軌跡一般為拋物線，在錨運(yùn)動(dòng)到海床表面水平位置時(shí)，錨達(dá)到最大抓力。

為了避免錨在拖曳過程中對(duì)管道造成損傷，應(yīng)依據(jù)錨在達(dá)到海床水平位置時(shí)，錨爪在管頂保護(hù)層里的貫入深度來確定所需的最小保護(hù)層厚度，計(jì)算公式如下：

Td=max(H，Z)+CL+DT

(2)

式中：Td為保護(hù)層的最小厚度(m)；H為錨爪貫入覆蓋層的深度(m)=DAsinθA-0.5J；DA為錨爪長度(m)；θA為錨爪與錨柄之間的最大夾角，一般取45度；J為錨柄寬度(m)；CL為錨爪與管道應(yīng)保持的最小間隙；Dt為包括涂層在內(nèi)的管道總外徑(m)；Z為由于錨的直接沖擊引起的穿透保護(hù)層的深度(m)。

本工程附近水域最大通航5 000噸級(jí)的船舶,故以5 000噸級(jí)船舶為例,按2噸重的霍爾錨計(jì)算,錨高約2.2 m,貓爪高度約1.1 m,錨身厚約0.6 m.經(jīng)計(jì)算,管頂最小保護(hù)層厚度約0.7 m,考慮一定的富余度,管頂保護(hù)層厚度1.3 m,面層采用鋪設(shè)兩層C40海工砼沉排，滿足安全要求。

3.2 潮流沖刷分析

3.2.1 計(jì)算公式及基本原理

本次數(shù)學(xué)模型采用丹麥的MIKE軟件，該軟件能夠較好的模擬海灣、海洋近岸、河口、河道等區(qū)域的潮流運(yùn)動(dòng)形態(tài)。

水流運(yùn)動(dòng)方程

連續(xù)方程

(3)

(4)

N-S方程

X方向：

(5)

(6)

Y方向：

(7)

(8)

式中：H為水深，H=h+ξ，其中ξ，h分別為水位和水深；p，q分別為x，y方向上的流通通量；C為謝才系數(shù)；g為重力加速度；f為科氏力系數(shù)；ρ為水的密度；W，Wx，Wy為風(fēng)速在x，y上的分量；fw為風(fēng)阻力系數(shù)；τxx，τxy，τyy為有效剪切力分量。

應(yīng)用有限體積法(FVM)進(jìn)行積分離散并利用通量的坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)不變性，把二維問題轉(zhuǎn)化成一系列局部的一維問題進(jìn)行求解，采用通量差分裂格式(FDS)計(jì)算各跨單元的水量與動(dòng)量通量。

守恒形式的平面二維淺水方程組可寫成如下的向量形式：

式中，q=[h，hu，hv]T為守恒物理量；

(9)

f(q)=[hu，hu2+gh2/2，huv]T為x向通量；

g(q)=[hv，hv2+gh2/2，huv]T為y向通量；

b(q)=[0，gh(Sσx-Sfx)，gh(Sσy-Sfy)]T為源、匯項(xiàng)。

對(duì)上式在控制體積上積分，得到控制體單元的積分方程，再對(duì)此積分方程運(yùn)用高斯散度定理，化為沿線控制單元周線的線積分，最終寫成離散形式可得：

3.2.2 定解條件

(10)

1)初始條件

初始水位值根據(jù)各測(cè)站實(shí)測(cè)值水位值，進(jìn)行線性插值，初始流速值設(shè)為0。

2)邊界條件

陸邊界： Qn=0 法線方向流量為零

水邊界： 以實(shí)測(cè)潮流量過程為邊界條件。

動(dòng)邊界：部分地區(qū)的干濕循環(huán)變化，可根據(jù)本單元及相鄰單元的水力條件來計(jì)算。在單元變干的過程中，有水的單元通過流量(即單元邊質(zhì)量通量)向四周鄰近單元傳輸水量逐步變成半干單元，當(dāng)單元內(nèi)水深小于指定的極小閾值后成為完全的干旱單元。反之，在單元變濕的過程中，干旱單元由于周邊鄰近單元來水流量而逐步變成半干單元，當(dāng)單元內(nèi)水深大于另一指定的閾值后成為完全的濕單元。

當(dāng)某一單元處于完全干旱狀態(tài)，該單元不參加計(jì)算；當(dāng)單元為半干旱狀態(tài)，則根據(jù)水量平衡及簡化的動(dòng)量平衡方程進(jìn)行計(jì)算；當(dāng)單元為完全濕單元時(shí)，應(yīng)用完整的黎曼近似解來求解方程組。

3.2.3 模型建立

綜合考慮本工程區(qū)域潮流特性、泥沙沖淤模擬分析的精度及計(jì)算時(shí)長等因素，本項(xiàng)目擬用網(wǎng)格嵌套形式開展工程區(qū)域水動(dòng)力形態(tài)及泥沙沖淤變化分析。根據(jù)目前收集到的實(shí)測(cè)海洋水文資料，實(shí)測(cè)測(cè)站(如梅花潮位站、平潭潮位站、崇武潮位站)和測(cè)點(diǎn)(福清海壇海峽10船同步實(shí)測(cè)點(diǎn))距離本工程較遠(yuǎn)，為保障模型計(jì)算分析的準(zhǔn)確性，需進(jìn)行模型驗(yàn)證分析工作，且根據(jù)規(guī)范規(guī)定模型邊界應(yīng)選取在水流均勻、沖淤平衡的斷面位置，由于海壇海峽周邊島嶼多、地形起伏大，斷面水流分布嚴(yán)重不平衡，難以作為模型邊界，故需一個(gè)包含外海的大范圍模型。而為使數(shù)據(jù)精確化，整個(gè)區(qū)域數(shù)據(jù)精度又跟網(wǎng)格劃分程度緊密相關(guān)，故需一個(gè)工程區(qū)域附近的小范圍模型。

本工程大范圍數(shù)學(xué)模型為：福建寧德至莆田平海灣段，如圖3所示，二維模型單元數(shù)約85 000個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)約46 000個(gè)。最小網(wǎng)長度格長設(shè)計(jì)為20 m。小范圍數(shù)學(xué)模型為：海壇海峽北部入口至南部入口，二維模型單元數(shù)約48 000個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)25 000個(gè)。最小網(wǎng)格長度設(shè)計(jì)約為6 m，以保證模型具有良好的計(jì)算精度，模型計(jì)算范圍及地形情況如圖所示。工程區(qū)鋪設(shè)海底管道時(shí)面上有砼沉排覆蓋時(shí)，設(shè)置為不可沖刷區(qū)，其他工程區(qū)域附近根據(jù)地質(zhì)勘查報(bào)告均設(shè)置為中值粒徑0.13 mm。

潮流模型計(jì)算大范圍及地形情況圖 潮流模型計(jì)算小范圍數(shù)學(xué)模型圖

3.2.4 計(jì)算工況

從工程安全角度出發(fā)，選擇最不利計(jì)算工況，見表1。

表1 計(jì)算工況表

3.2.5 計(jì)算結(jié)果

該段樁號(hào)海管面層海工砼沉排防護(hù)措施實(shí)施后，對(duì)工程偏安全考慮，選取冬季大潮、平潭多年平均潮位(0.37 m)、極端高潮位(4.59 m)和極端低潮位(-4.06 m)四種不利工況。主要出現(xiàn)沖刷趨勢(shì)的位置有：沉排北側(cè)區(qū)域，沖深不大于0.44 m。沉排東北側(cè)沖深不大于0.48 m。沉排西偏南側(cè)沖深不大于0.35 m。沉排南側(cè)沖深不大于0.25 m。沉排南側(cè)范圍內(nèi)的沖刷區(qū)域雖然距離較近，但沖深幾乎都小于0.3 m。防護(hù)措施實(shí)施后，沉排周圍基本逐漸呈淤積趨勢(shì)。從長期來看，沖淤程度尚未對(duì)工程造成實(shí)質(zhì)影響，且工程防護(hù)措施在垂向尺度比較小，在海流長期往復(fù)作用下，變化幅度由大變小，最終達(dá)到?jīng)_淤平衡。以上四種不利工況計(jì)算結(jié)果表明工程措施是滿足要求的。

因此平潭海管項(xiàng)目航道段采用砂袋回填、碎石回填后覆蓋混凝土連鎖排進(jìn)行海管保護(hù)。

4 碎石及砂袋回填施工工藝

碎石回填時(shí)，在海底管道懸空處上方采用拋沙船及導(dǎo)向漏斗進(jìn)行碎石回填，對(duì)管線管線進(jìn)行有效覆蓋，通常在碎石回填后在管線上方進(jìn)行混凝土連鎖排進(jìn)行覆蓋，從而更好的達(dá)到對(duì)管線保護(hù)的目的(圖4)。

圖4 碎石回填工具示意圖

砂袋回填一般采用機(jī)械方式或潛水員進(jìn)行砂袋碼放回填，回填后可在管線上方進(jìn)行混凝土連鎖排進(jìn)行覆蓋，從而更好的達(dá)到對(duì)管線保護(hù)的目的。

砂袋回填采用定位船上配置挖掘機(jī)拋填施工。定位船定位采用八字拋錨，單邊拋錨長度約150 m。

裝載船停靠定位船，定位船上挖掘機(jī)將砂袋卸于管溝內(nèi)。

拋填砂袋高程通過船載自帶測(cè)深儀及人工打水坨進(jìn)行雙重控制，對(duì)于不符合設(shè)計(jì)要求的部分進(jìn)行局部補(bǔ)拋(圖5)。

圖5 砂袋拋填示意圖

5 混凝土連鎖排覆蓋施工工藝

碎石回填及砂袋回填后采用混凝土連鎖排覆蓋進(jìn)一步保護(hù)管線安全。

混凝土沉排采用C40海工砼，砼預(yù)制塊規(guī)格400 mm×400 mm×160 mm(長度×寬度×厚度)；砼連鎖塊預(yù)制時(shí)應(yīng)將丙綸繩在砼塊體間打結(jié)，并將丙綸繩置于砼塊中間?；炷脸僚呕加?00 g/m丙綸長絲機(jī)織土工布與150 g/m滌綸無紡布針刺復(fù)核而成，排體基本寬度18 m。沉排施工采用專業(yè)的鋪排船舶，能夠高效準(zhǔn)確的將沉排鋪設(shè)至設(shè)計(jì)區(qū)域，其施工流程見圖6。

圖6 沉排施工流程示意圖

6 結(jié)語

我國沿海島嶼眾多，海底管道將隨著社會(huì)的發(fā)展將會(huì)在水利工程得到更廣泛的應(yīng)用，海底管道保護(hù)也將是一個(gè)重要的課題。平潭海管項(xiàng)目的順利實(shí)施，驗(yàn)證了海底管道后挖溝沉管與回填覆蓋的保護(hù)方式的可行性。