孫建軍*,張兵,范海文
(山東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,山東 濟(jì)南 250101)
關(guān)于穿越航道的水下管道選址要求,《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》[1]第5.3.1 條:穿越航道的水下電纜、管道、涵管和隧道等水下過(guò)河建筑物必須布設(shè)在遠(yuǎn)離灘險(xiǎn)、港口和錨地的穩(wěn)定河段。該規(guī)定對(duì)于安全間距僅做了定性要求,沒(méi)給出定量標(biāo)準(zhǔn)。船閘引航道附近一般會(huì)配套建設(shè)停泊錨地、靠船墩等,船舶通航密度大,在此處建設(shè)管道穿越工程會(huì)面臨船舶通航及拋錨帶來(lái)的埋設(shè)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn),在水平方向上往往做不到絕對(duì)遠(yuǎn)離碼頭、錨地等,因此,為保證管道建設(shè)和運(yùn)營(yíng)安全,科學(xué)分析管道埋設(shè)影響因素、合理確定埋設(shè)尺度就顯得極為重要。本文以日濮洛原油管道(日照-濮陽(yáng)-洛陽(yáng)原油管道工程)穿越長(zhǎng)溝船閘引航道為例,綜合分析了河床極限沖刷、船舶應(yīng)急拋錨、船閘改擴(kuò)建等因素影響,合理論證了管道埋置方案的可行性,以減小對(duì)航道通航條件的影響,確保建成后船閘、錨地使用及航運(yùn)正常進(jìn)行。日濮洛原油管道首站位于日照港嵐山港區(qū),末站位于洛陽(yáng)市吉利區(qū),線路全長(zhǎng)796km,管道在濟(jì)寧市汶上縣定向鉆穿越梁濟(jì)運(yùn)河(京杭運(yùn)河)長(zhǎng)溝船閘上游引航道。
(1)與通航有關(guān)的設(shè)施。管道采用定向鉆方式穿越長(zhǎng)溝船閘上游引航道,上距長(zhǎng)溝船閘遠(yuǎn)調(diào)站及停泊錨地486m,下距船閘停泊段靠船墩163m。
(2)航道條件。管道穿越梁濟(jì)運(yùn)河于長(zhǎng)溝閘上與鄧樓閘下之間,本段航道已按Ⅲ級(jí)航道標(biāo)準(zhǔn)建成,設(shè)計(jì)最小水深3.4m,底高程30.8m,航道底寬45m。依據(jù)《山東省內(nèi)河航道與港口布局規(guī)劃》[2],梁濟(jì)運(yùn)河航道規(guī)劃等級(jí)為Ⅱ級(jí)。目前,長(zhǎng)溝船閘已按Ⅱ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)建成,引航道設(shè)計(jì)底寬60m,底高程29.85m。
關(guān)于穿越航道的水下管道布設(shè)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定如下:
(1)《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》:在航道和可能通航的水域內(nèi)布置水下過(guò)河建筑物,應(yīng)埋置于河床內(nèi),其頂部設(shè)置深度,Ⅰ級(jí)~Ⅴ級(jí)航道不應(yīng)小于遠(yuǎn)期規(guī)劃航道底標(biāo)高以下2m。
(2)《油氣輸送管道穿越工程設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]:水平定向鉆入土點(diǎn)、出土點(diǎn)及隧道豎井邊緣距大堤坡腳的距離不宜小于50m。
結(jié)合本項(xiàng)目管道選址位置、航道通航條件等特點(diǎn),尚應(yīng)重點(diǎn)考慮以下核心因素影響:①梁濟(jì)運(yùn)河作為地區(qū)重要的行洪河道,為保障河道行洪和管道安全,應(yīng)考慮并合理計(jì)算河床的極限沖刷深度。②管道上下游有船閘錨地、停泊區(qū)等設(shè)施,船舶通航密度大,應(yīng)在河道極限沖刷工況下,計(jì)算代表船型應(yīng)急拋錨貫入深度。③考慮航運(yùn)遠(yuǎn)期發(fā)展的需要,應(yīng)合理論證管道出入土點(diǎn)位置,為二線船閘建設(shè)預(yù)留足夠空間。
沖刷深度按照《公路工程水文勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]中粘性土河床一般沖刷計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算。
式中,hp 為一般沖刷后的最大水深(m);Q2 為河槽部分通過(guò)的設(shè)計(jì)流量(m3/s);hcm 為河槽部分最大水深(m);Ad 為單寬流量集中系數(shù);hcp 為河槽部分平均水深(m)。
根據(jù)式(1)計(jì)算,管道穿越梁濟(jì)運(yùn)河處發(fā)生50 年一遇設(shè)計(jì)洪水時(shí),河床極限沖刷深度為0.84m。
本文利用經(jīng)驗(yàn)算法、理論公式法和有限元數(shù)值模擬方法對(duì)比分析拋錨貫入深度。
(1)代表船型和錨型。根據(jù)規(guī)劃,本段航道通航最大船舶為2000 噸級(jí)貨船。據(jù)調(diào)研,工程區(qū)域船舶現(xiàn)多采用霍爾錨與斯貝克錨,斯貝克錨是霍爾錨的改進(jìn)型,錨型在結(jié)構(gòu)上相似,其結(jié)構(gòu)尺寸并無(wú)太大差異,因此本研究采用霍爾錨作為代表錨型。
(2)經(jīng)驗(yàn)算法。根據(jù)相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn),錨的貫穿深度可以按錨爪長(zhǎng)度的一定倍數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)[5],貫穿深度與錨爪長(zhǎng)度的比例在沙土及硬粘土中均為1,在泥、軟淤泥及粘土中最小為3,最大為5。根據(jù)穿越處河道地質(zhì)資料,河床以下主要為沙土及硬粘土,2000 噸級(jí)船舶錨爪長(zhǎng)度為0.89m,則拋錨貫穿深度為0.89m。
(3)理論公式法。理論公式采用Young 公式法計(jì)算錨貫入深度[6]:
式中:D 為貫穿深度(m);N 為物體的形狀系數(shù);S 為土壤系數(shù);W 為物體的質(zhì)量(kg);V 為物體接觸土壤時(shí)的速度(m/s);A 為物體的橫截面積(m2)。
根據(jù)式(2)計(jì)算得到錨貫入深度為0.49m。
(4)有限元方法。近年來(lái),有限元法被廣泛應(yīng)用于模擬拋錨貫入深度研究中,能夠真實(shí)模擬工程區(qū)域河床底部的地質(zhì)特征及落錨沖擊河床的動(dòng)態(tài)貫入過(guò)程。根據(jù)研究[7],船錨斜向60 度落下時(shí)貫入深度最大,為最不利工況,經(jīng)分析,工程區(qū)域2000 噸級(jí)貨船拋錨最大貫入深度為0.86m。
(5)綜合分析。由于經(jīng)驗(yàn)算法僅根據(jù)相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)中錨的貫穿深度和錨爪長(zhǎng)度的比例關(guān)系來(lái)估算,該方法計(jì)算結(jié)果沒(méi)有考慮本項(xiàng)目的地質(zhì)、水深、船型等情況,結(jié)果適用性較差;Young 公式算法,雖考慮了速度、工程地質(zhì)、水深、錨重等因素,但是在工程地質(zhì)的參數(shù)選取針對(duì)性較差,選擇范圍較廣,無(wú)法具體描述工程實(shí)際地質(zhì)情況;有限元方法能夠充分考慮本項(xiàng)目的地質(zhì)、水深、船型等情況,模擬錨貫入河床的整個(gè)動(dòng)力過(guò)程,因此能夠較好地反映工程地質(zhì)下的沖擊過(guò)程,結(jié)果更具有針對(duì)性和適用性。因此,本研究最終以有限元方法計(jì)算結(jié)果0.86m 為準(zhǔn),其他方法研究結(jié)果僅作為參考。
為使管道建成后不影響遠(yuǎn)期長(zhǎng)溝二線船閘的規(guī)劃建設(shè),減小對(duì)航道條件的影響,本文結(jié)合二線船閘布置方案,對(duì)管道出入土點(diǎn)位置進(jìn)行優(yōu)化,為二線船閘建設(shè)預(yù)留足夠空間。穿越處管道與船閘的平面布置關(guān)系,見(jiàn)圖1。
圖1 管道與船閘平面關(guān)系圖
管道出入土點(diǎn)均位于大堤背水側(cè),不在航道范圍內(nèi),結(jié)合本文提出的二線船閘布置方案,管道出入土點(diǎn)位置能夠滿足遠(yuǎn)期二線船閘布置要求。
考慮極限工況,河床極限沖刷深度和船舶應(yīng)急拋錨貫入深度是管道埋設(shè)深度的核心控制因素,因此,設(shè)計(jì)管頂高程按照“規(guī)劃航道底高程-河床極限沖刷深度-船舶應(yīng)急拋錨貫入深度”進(jìn)行控制。在極限工況條件下,管頂以上覆蓋層厚度不應(yīng)小于《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》中的2m 要求。
考慮河床極限沖刷、船舶應(yīng)急拋錨、遠(yuǎn)期二線船閘建設(shè)等因素后,在航道和可能通航的水域范圍內(nèi),管頂以上覆蓋層厚度滿足通航要求,見(jiàn)表1。
表1 管道埋設(shè)深度
(1)定向鉆施工管道埋深一般較大,如果在水平方向上不能做到絕對(duì)遠(yuǎn)離碼頭、錨地等,若在極限工況下管道埋深足夠大,可以等同認(rèn)為在垂直方向上做到了遠(yuǎn)離。
(2)考慮河床極限沖刷、船舶拋錨等因素后,管道頂部覆蓋層厚度仍滿足通航要求,且為遠(yuǎn)期船閘建設(shè)預(yù)留了足夠空間,對(duì)航道通航條件基本沒(méi)有影響。
(3)為確保管道及船舶航行安全,管道建設(shè)單位應(yīng)設(shè)置導(dǎo)助航設(shè)施及安全警示標(biāo)志等,并配套建設(shè)必要的維護(hù)及安全保障設(shè)施。