城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿蓝ㄏ蜚@穿越內(nèi)河航道通航條件影響分析

孫建軍，倪曉雯

（1.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；2.山東省建筑工程質(zhì)量檢驗(yàn)檢測中心有限公司，山東 濟(jì)南 250031）

隨著城市建設(shè)快速發(fā)展，城市埋地燃?xì)夤艿赖囊?guī)模越來越大，不可避免會遇到管道與航道交叉問題，燃?xì)夤艿浪蕉ㄏ蜚@穿越技術(shù)是一種現(xiàn)代非開挖敷設(shè)管道的施工技術(shù)[1]，主要用于管道穿越河流、公路等。城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿来┰絻?nèi)河航道時，其選址與布設(shè)方案不但決定著燃?xì)夤艿辣旧淼陌踩?，而且對通航船舶的安全有著直接影響?/p>

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)》[2]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河建筑物必須布設(shè)在遠(yuǎn)離灘險、港口和錨地的穩(wěn)定河段。該規(guī)定對于安全間距僅做了定性要求，沒給出定量標(biāo)準(zhǔn)。關(guān)于管道埋設(shè)要求，《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》第5.3.2 條：在航道和可能通航的水域內(nèi)布置水下過河建筑物，應(yīng)埋置于河床內(nèi)，其頂部設(shè)置深度，Ⅰ級～Ⅴ級航道不應(yīng)小于遠(yuǎn)期規(guī)劃航道底標(biāo)高以下2m。如果僅遵照該條規(guī)定，可能會出現(xiàn)由于穿越管道覆土厚度不夠而造成水平定向鉆施工中冒漿或者穿越管道抗浮能力不足的風(fēng)險，因此，為保證管道建設(shè)和運(yùn)營安全，科學(xué)分析管道埋設(shè)影響因素、合理確定埋設(shè)方案極為重要。本文以桓臺縣某城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿蓝ㄏ蜚@穿越小清河航道為例，從管道選址、河床極限沖刷深度、船舶應(yīng)急拋錨貫入深度、管道埋設(shè)方案等方面，闡述了城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿蓝ㄏ蜚@穿越內(nèi)河航道的選址要求、最小埋設(shè)深度及出入土點(diǎn)位置要求等，以減少管道對航道通航條件的影響。

1 工程概況

桓臺縣某城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿啦捎枚ㄏ蜚@方式穿越小清河航道，下距岔河大橋111m，管道穿越長度1000m，管道規(guī)格為D323×6.4mm，采用直縫高頻電阻焊鋼管，入土角13°，出土角，定向鉆曲率半徑1500D。依據(jù)《山東省內(nèi)河航道與港口布局規(guī)劃》[3]，小清河規(guī)劃等級為Ⅲ級，穿越處航道設(shè)計(jì)底寬45m，設(shè)計(jì)水深3.92m，護(hù)岸坡度1∶2.5。

2 選址符合性論證

關(guān)于水下管道穿越航道的選址要求，《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》第5.3.1 條對于安全間距僅做了定性要求，沒給出定量標(biāo)準(zhǔn)。由于城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿缹儆谖ｋU品管道，一旦發(fā)生泄漏后果嚴(yán)重，因此，城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿琅c相鄰涉水設(shè)施的安全間距應(yīng)從嚴(yán)控制，水平定向鉆穿越航道時還應(yīng)參照執(zhí)行以下相關(guān)要求：

（1）《油氣輸送管道穿越工程設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]第3.3.8條：水域穿越管段與港口、碼頭、水下建筑物之間的距離，當(dāng)采用定向鉆穿越、隧道穿越時不宜小于100m。

（2）《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》[5]第12.5.8 條：輸送有毒有害、易燃易爆物質(zhì)的管線穿（跨）越河流時，管線距特大橋、大橋、中橋的距離，應(yīng)不小于100m；距小橋的距離，應(yīng)不小于50m。

該城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿拦こ逃捎谑軆砂都扔泄芫€路由、村莊、道路、規(guī)劃等因素影響，需從規(guī)劃錨地與跨河橋梁之間穿過，最終管道選址距下游橋梁外緣111m，距上游規(guī)劃錨地247m，所處河段河勢穩(wěn)定，最大程度避開了港口和錨地，與相鄰涉水設(shè)施的安全間距滿足要求，對航道條件基本沒有影響。

3 最小埋深要求

《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》第5.3.2 條：在航道和可能通航的水域內(nèi)布置水下過河建筑物，應(yīng)埋置于河床內(nèi)，其頂部設(shè)置深度，Ⅰ級～Ⅴ級航道不應(yīng)小于遠(yuǎn)期規(guī)劃航道底標(biāo)高以下2m。在此基礎(chǔ)上，為確保城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿腊踩?，結(jié)合該管道選址位置、航道通航條件、定向鉆施工特點(diǎn)等因素，尚應(yīng)重點(diǎn)考慮以下核心因素影響：

（1）小清河作為地區(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）管道上游即為規(guī)劃錨地，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）水平定向鉆施工中，可能會出現(xiàn)由于穿越管道覆土厚度不夠而造成冒漿或者穿越管道抗浮能力不足的風(fēng)險。因此，水平定向鉆穿越管道設(shè)計(jì)還應(yīng)參照執(zhí)行《油氣輸送管道穿越工程設(shè)計(jì)規(guī)范》第5.1.4 條規(guī)定，水域穿越管道管頂埋深應(yīng)以河道洪水沖刷線標(biāo)高和疏浚深度線標(biāo)高較低者為基準(zhǔn)，穿越管道的最小管頂埋深不宜小于6m。

3.1 河床極限沖刷深度

3.1.1 極限沖刷深度采用《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》[6]中平順護(hù)岸沖刷深度計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算

式中：hs為沖刷深度（m）；H0為沖刷處水深（m）；Ucp為近岸垂線平均流速（m/s）；為水流流速分配不均勻系數(shù)；U 為河道水流行進(jìn)流速（m/s）；Uc為泥沙起動流速（m/s）；n 為與防護(hù)岸坡在平面上的形狀有關(guān)，取1/4～1/6。

3.1.2 設(shè)計(jì)洪水

根據(jù)《油氣輸送管道穿越工程設(shè)計(jì)規(guī)范》中水域穿越工程等級與設(shè)計(jì)洪水劃分規(guī)定，小清河穿越工程等級為中型穿越工程，設(shè)計(jì)洪水頻率為50 年一遇，管道穿越處小清河干流50 年一遇洪水流量為620m3/s。

3.1.3 計(jì)算結(jié)果分析

表1 極限沖刷深度計(jì)算結(jié)果

3.2 船舶應(yīng)急拋錨貫入深度

關(guān)于船舶應(yīng)急拋錨貫入深度的研究，目前尚沒有統(tǒng)一的計(jì)算方法。本研究利用經(jīng)驗(yàn)算法、理論公式法和規(guī)范參考方法對比分析拋錨貫入深度。

3.2.1 經(jīng)驗(yàn)算法

根據(jù)規(guī)劃，本段航道通航船舶為1000 噸級貨船，選取1000 噸級船舶所對應(yīng)霍爾錨作為代表錨型。根據(jù)相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，錨的貫穿深度可以按錨爪長度的一定倍數(shù)進(jìn)行預(yù)測[7]，貫穿深度與錨爪長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，1000 噸級船舶錨爪長度為0.82m，則拋錨貫穿深度為0.82m。

3.2.2 理論公式法

理論公式采用Young 公式法計(jì)算錨的貫入深度[8]：

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 為物體接觸土壤時的速度（m/s）；A 為物體的橫截面積（m2）。

根據(jù)式（3）計(jì)算得到錨貫入深度為0.42m。

3.2.3 參考算法

參考GB50217-2007《電力工程電纜設(shè)計(jì)規(guī)范》中對于通航水域海底電纜的埋設(shè)深度要求，錨入水底深度隨錨質(zhì)量變化的關(guān)系為：

式中：Y 為入水底深度（m）；X 為錨重（t）。

經(jīng)計(jì)算，1000 噸級船舶拋錨貫穿深度為0.87m。

3.2.4 綜合分析

綜合經(jīng)驗(yàn)算法、理論公式法、規(guī)范參考方法計(jì)算的結(jié)果，霍爾錨撞擊河床后的貫入量，對比結(jié)果見表2：

表2 貫入量匯總

綜上所述，從偏安全角度考慮，本管道穿越小清河航道最大沖刷位置處，船舶應(yīng)急拋錨貫入深度最大值取0.87m。

4 埋設(shè)方案合理性分析

4.1 出入土點(diǎn)

根據(jù)《油氣輸送管道穿越工程設(shè)計(jì)規(guī)范》第3.3.9條：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。該管道入土點(diǎn)距小清河現(xiàn)狀左（北）堤外堤腳距離為752m，出土點(diǎn)距小清河現(xiàn)狀右（南）堤外堤腳距離為132m，均大于50m，滿足規(guī)范要求。

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。同時，為確保水平定向鉆施工安全，防止施工中出現(xiàn)冒漿或者穿越管道抗浮能力不足的風(fēng)險，河道洪水沖刷線以下管頂以上覆蓋層厚度不宜小于6m。

考慮河床極限沖刷、船舶應(yīng)急拋錨、施工安全等因素后，在航道和可能通航的水域范圍內(nèi)，管頂以上覆蓋層厚度能夠滿足通航要求，見表3。

表3 管道埋設(shè)深度

5 結(jié)論和建議

（1）水平定向鉆施工中，可能會出現(xiàn)由于穿越管道覆土厚度不夠而造成冒漿或者穿越管道抗浮能力不足的風(fēng)險，因此，除滿足《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》要求外，還應(yīng)參照執(zhí)行《油氣輸送管道穿越工程設(shè)計(jì)規(guī)范》相關(guān)規(guī)定。

（2）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。