原油管道穿越船閘引航道通航條件影響分析

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 工程河段通航環(huán)境

（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。

2 埋置方案要求

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。

3 航道影響因素分析

3.1 河床極限沖刷深度

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。

3.2 船舶應(yīng)急拋錨貫入深度

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。

3.3 遠(yuǎn)期二線船閘建設(shè)

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

4 埋設(shè)方案分析

4.1 出入土點(diǎn)

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。

4.2 埋設(shè)深度

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

5 結(jié)論和建議

（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。