周佩佩 陳莉莎 朱 晶

南京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司

管線(xiàn)定向鉆穿越河道的防洪影響分析

周佩佩 陳莉莎 朱 晶

南京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司

根據(jù)《防洪法》第二十七條，穿河工程應(yīng)當(dāng)符合防洪標(biāo)準(zhǔn)、岸線(xiàn)規(guī)劃、航運(yùn)要求和其他技術(shù)要求，不得危害堤防安全，影響河勢(shì)穩(wěn)定、妨礙行洪暢通。以電力管線(xiàn)定向鉆穿越河道工程為例，簡(jiǎn)單介紹此類(lèi)穿河工程在做防洪影響分析時(shí)需要注意的幾點(diǎn)事項(xiàng)，方便大家在實(shí)際工作當(dāng)中借鑒和參考。

防洪；定向鉆；穿越

一、防洪總體要求

防洪要求包括工程自身的防洪要求和對(duì)河道堤防等水利工程設(shè)施的防洪影響兩個(gè)方面。

(一)防洪基本要求

管線(xiàn)穿堤出、入土點(diǎn)位于堤防管理范圍之外；

管道埋深滿(mǎn)足最大沖刷、河道規(guī)劃底高程、管道抗浮穩(wěn)定等要求；

管道穿越符合水利工程防洪管理等相關(guān)要求，標(biāo)識(shí)設(shè)置、運(yùn)行監(jiān)測(cè)、到期拆除方案等滿(mǎn)足相關(guān)安全要求；

管道穿河施工防滲處理、壓實(shí)及防沉降處理等措施滿(mǎn)足河道堤防及其他水利工程安全性要求；

管道穿河方案符合水利規(guī)劃要求，不對(duì)規(guī)劃實(shí)施造成不利影響。

(二)相關(guān)規(guī)范要求

(1)《防洪標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50201-2014)中“6.5 管道工程”

(2)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50286-2013)中“10 堤防與各類(lèi)建筑物、構(gòu)筑物的連接”

二、工程設(shè)計(jì)要點(diǎn)

(一)平面布置

選擇的穿越位置應(yīng)符合線(xiàn)路總體走向，并宜選在岸坡穩(wěn)定地段。若需在岸坡不穩(wěn)定地段穿越，則應(yīng)對(duì)岸坡做護(hù)岸、護(hù)坡整治加固工程。穿越宜與水域軸線(xiàn)正交通過(guò)。若需斜交時(shí)，交角不宜小于60°，采用定向鉆穿越時(shí)，不宜小于30°。

管線(xiàn)穿越長(zhǎng)度宜涵蓋設(shè)計(jì)洪水淹沒(méi)范圍，主河道的穿越長(zhǎng)度應(yīng)包括兩岸防洪堤，并滿(mǎn)足堤防保護(hù)的距離要求。當(dāng)兩岸設(shè)有防洪堤壩及規(guī)劃防洪堤壩時(shí)，穿越的起始位置及堤下埋深應(yīng)滿(mǎn)足水利主管部門(mén)規(guī)定。

管線(xiàn)采用水平定向鉆穿越時(shí)，若與公路橋梁、鐵路橋梁、水下隧道并行敷設(shè)，穿越管段距離橋梁墩臺(tái)沖刷坑外邊緣不宜小于10m，且不應(yīng)影響橋梁墩臺(tái)安全；距離水下隧道的凈距不應(yīng)小于30m。

為了不危及堤壩安全，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。

例，某通湖路管線(xiàn)共有1組6根電纜管下穿中心河，中心河河道管理范圍為河口線(xiàn)外10m。線(xiàn)路與河道中心線(xiàn)斜交約27°，入土點(diǎn)距離距離臨水側(cè)坡腳線(xiàn)約20m，管線(xiàn)出土點(diǎn)距離臨水側(cè)坡腳線(xiàn)約24m。管線(xiàn)直線(xiàn)距離長(zhǎng)約160m，曲線(xiàn)距離長(zhǎng)約195m。(注：此處線(xiàn)路與河道交角以及出入土點(diǎn)與大堤坡腳距離，應(yīng)根據(jù)實(shí)際地形優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，盡量符合規(guī)范要求。)

(二)縱斷面布置

水平定向鉆敷設(shè)穿越管段的入土角宜為6°～20°，出土角宜為4°～12°，應(yīng)根據(jù)地質(zhì)條件、穿越管徑、穿越長(zhǎng)度、管段埋深和彈性敷設(shè)條件確定。

以上述通湖路管線(xiàn)為例，管線(xiàn)縱剖面設(shè)計(jì)為曲線(xiàn)形式，設(shè)計(jì)管線(xiàn)敷設(shè)1組6孔×Φ200，綁扎寬度為650mm。管線(xiàn)從河道左岸鉆入，入土角為12°，穿過(guò)表層填土至③層土，管頂距離現(xiàn)狀河底線(xiàn)最近3.0m，出土點(diǎn)在河道右岸，出土角為8°。

三、定向鉆穿越施工方案簡(jiǎn)介

穿越斷面應(yīng)選擇在水域形態(tài)穩(wěn)定的地段，兩側(cè)場(chǎng)地應(yīng)滿(mǎn)足布設(shè)鉆機(jī)、泥漿池、材料堆放和管道組焊的要求。

定向鉆穿越施工應(yīng)采用環(huán)保型泥漿，并應(yīng)循環(huán)使用。(該條為強(qiáng)制性條文)

管線(xiàn)定向鉆穿越工程通常采用一次導(dǎo)向、擴(kuò)孔、拖管的措施施工。拖管主要程序是：挖工作坑——打?qū)蚩住淮螌?dǎo)向擴(kuò)孔——導(dǎo)向孔整形及高程、高差校正——穿設(shè)管道(管道焊接及拖管)。

(一)挖工作坑、下管坑

首先，在施工管道的兩端挖工作坑和下管坑，坑內(nèi)上部土方采用機(jī)械開(kāi)挖，下部用人工開(kāi)挖。施工前先將地下管線(xiàn)查明，然后再進(jìn)行施工。在開(kāi)挖過(guò)程中，采取鋼制密擋土板對(duì)土壁進(jìn)行支撐(橫板緊貼槽幫，支撐撐在橫板上)，保證原有構(gòu)筑物或底部建筑物的安全，以便于工程進(jìn)行操作，保證工程及人員的安全。

(二)鉆機(jī)就位和調(diào)試

按施工布置圖及規(guī)范要求將鉆機(jī)及附屬配套設(shè)備錨固在預(yù)定位置。鉆機(jī)入土角調(diào)整到設(shè)計(jì)要求角度。

泥漿是定向穿越中的關(guān)鍵因素，施工單位采取以下措施配制泥漿：①按照事先確定好的泥漿配比用一級(jí)膨潤(rùn)土加泥漿添加劑等，所加添加劑符合環(huán)保。②使用的泥漿添加劑有：降失水劑、提粘劑和防塌潤(rùn)劑等，所加添加劑符合環(huán)保。③為了確保泥漿的性能，使膨潤(rùn)土有足夠的水化時(shí)間，在用量不改變的情況下，采取兩套泥漿儲(chǔ)存罐，延長(zhǎng)循環(huán)周期的措施。

根據(jù)地質(zhì)土層的不同，泥漿的配比也隨之變化，并選用不同的添加劑，以達(dá)到預(yù)期的效果?；鶟{的配制：5～8%預(yù)水化膨潤(rùn)土+堿(Na2CO3)攪拌后水化而成(充分水化能明顯提高泥漿的性能)，堿的用量根據(jù)水質(zhì)情況具體確定。

對(duì)于廢棄泥漿水的處理：在泥漿水中加入絮凝劑，由于泥漿水是一種水中含有一定量的微細(xì)泥顆粒的懸浮液體，高分子絮凝劑是一類(lèi)水溶性的高聚物，將其與泥漿水混合時(shí)，由于絮凝劑具有架橋、網(wǎng)捕、吸附和電性中和等功能，可以破壞泥漿水的穩(wěn)定性，使泥顆粒從水中迅速凝聚、沉降，從而達(dá)到泥水分離效果。

泥漿碴混合物的處理：①在沉淀池中清理出來(lái)的沉碴，運(yùn)至蒸發(fā)池中，讓其自然脫水固化；②脫水后的鉆碴可做為路基填筑的填料，或運(yùn)到儲(chǔ)料場(chǎng)，或回填取土坑；③自然脫水固化后所形成的干泥可就地回填廢棄的泥漿池。沉淀泥漿碴運(yùn)至蒸發(fā)池中，清水循環(huán)利用。

(三)鉆孔導(dǎo)向

a鉆進(jìn)時(shí)的入土角為設(shè)計(jì)角度，入射角可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件調(diào)整。

b導(dǎo)向孔根據(jù)設(shè)計(jì)曲線(xiàn)鉆進(jìn)，曲線(xiàn)半徑由公式計(jì)算(根據(jù)鉆桿彎曲系數(shù)調(diào)整)。

c施工過(guò)程中，謹(jǐn)慎處理控向數(shù)據(jù)，并適當(dāng)控制鉆進(jìn)速度，保證導(dǎo)向孔光滑。

d由于每根鉆桿方向改變量較小，為保證左右方向，在出入鉆點(diǎn)之間每隔一根鉆桿就設(shè)一個(gè)明顯標(biāo)記。每鉆進(jìn)一根鉆桿，方向至少探測(cè)二次，對(duì)探測(cè)點(diǎn)要做好標(biāo)記。認(rèn)真記錄鉆進(jìn)過(guò)程中持扭矩、推力、泥漿流量、泥漿壓力、方向改變量。

e導(dǎo)向孔完成后，根據(jù)鉆孔軌跡和數(shù)據(jù)記錄，確定此導(dǎo)向孔是否可用。軸線(xiàn)左右偏離控制在1%L(鉆進(jìn)長(zhǎng)度)內(nèi)，深度偏差控制在0.5%L(鉆進(jìn)長(zhǎng)度)內(nèi)。出土點(diǎn)偏差控制在0.5m內(nèi)。

四、沖刷分析計(jì)算

水平定向鉆穿越深度應(yīng)符合相關(guān)規(guī)范的敷設(shè)要求，水域穿越管段管頂埋深不宜小于設(shè)計(jì)洪水沖刷線(xiàn)或疏浚深度線(xiàn)以下6m。

根據(jù)《管線(xiàn)定向鉆進(jìn)技術(shù)規(guī)范》(DG/TJ08-2075-2010 J11722-2010)穿河管線(xiàn)敷設(shè)最小覆土深度要求，一級(jí)主河道應(yīng)在百年一遇最大沖刷深度線(xiàn)以下3m，二級(jí)河道應(yīng)在河道河底設(shè)計(jì)標(biāo)高以下3m，最大沖刷深度線(xiàn)以下2m。

沖刷分析計(jì)算需根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告可知管線(xiàn)穿越位置處河道底部表層土及土層厚度，結(jié)合管線(xiàn)在河底中心的埋深，分析該處現(xiàn)狀斷面河槽是否會(huì)發(fā)生一般沖刷。

沖刷深度分析計(jì)算方法：河床沖刷主要是由于水流輸沙平衡被破壞所致，一般情況下，當(dāng)大流量來(lái)臨時(shí)，河床中細(xì)顆粒泥沙先起動(dòng)并以懸移形式隨水流下泄，較粗顆粒泥沙則以推移質(zhì)形式向前滾動(dòng)或滑動(dòng)，致使河床粗化，抗沖性增強(qiáng)；同時(shí)過(guò)水?dāng)嗝婷娣e增大，流速降低，從而水流沖刷作用減弱。水流與河床相互作用達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，沖刷即會(huì)終止。

沖刷深度計(jì)算根據(jù)《公路工程水文勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG C30-2015)中的計(jì)算方法，一般沖刷分析計(jì)算公式如下：

式中：hp——一般沖刷后最大水深(m)；

Q2——河槽部分通過(guò)的設(shè)計(jì)流量(m3/s)；

Bcj——河槽部分過(guò)水凈寬(m)；

IL——沖刷坑范圍內(nèi)粘性土液性指數(shù)，適用范圍為0.16～1.19；

Ad——單寬流量集中系數(shù)，其中取1.0～1.2； Bz是造床流量下的河槽寬度(m)，對(duì)復(fù)式河床可取平攤水位時(shí)河槽寬度；

Hz是造床流量下的河槽平均水深(m)，對(duì)復(fù)式河床可取平攤水位時(shí)河槽平均水深；

μ——水流側(cè)向壓縮系數(shù)，根據(jù)《公路工程水文勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG C30-2015)表7.3.1-1的規(guī)定；hcm——河槽最大水深(m)；hcq——河槽平均水深(m)。

五、岸坡抗滑穩(wěn)定分析計(jì)算

在對(duì)岸坡抗滑穩(wěn)定分析中，通常計(jì)算斷面取管線(xiàn)出入土點(diǎn)位置。根據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50286-2013)，不同堤防等級(jí)選取對(duì)應(yīng)的抗滑穩(wěn)定容許安全系數(shù)。

(一)分析計(jì)算方法及軟件

岸坡穩(wěn)定分析計(jì)算采用“瑞典圓弧滑動(dòng)計(jì)算法”計(jì)算滑動(dòng)力與抗滑力。根據(jù)工況不同，分別采用“總應(yīng)力法”和“有效應(yīng)力法”

計(jì)算軟件采用鐵道部第三勘測(cè)設(shè)計(jì)院與北京理正軟件設(shè)計(jì)研究院共同開(kāi)發(fā)的“邊坡穩(wěn)定分析軟件”(6.0PB1版)進(jìn)行分析計(jì)算。

(二)計(jì)算工況

根據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB-50286-2013)，計(jì)算工況可參照表1。

表1 穿河處穩(wěn)定分析計(jì)算工況

(三)計(jì)算參數(shù)

根據(jù)地質(zhì)資料查看計(jì)算所用各土層物理力學(xué)指標(biāo)，以通湖路管線(xiàn)為例，見(jiàn)表2。

表2 通湖路管線(xiàn)穿越處主要土層物理力學(xué)指標(biāo)表

(四)計(jì)算結(jié)果

參照《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》相關(guān)要求，以通湖路管線(xiàn)為例，河道參照1級(jí)堤防，在各計(jì)算工況下，河道岸坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 通湖路管線(xiàn)穿越處岸坡穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

根據(jù)岸坡抗滑穩(wěn)定分析計(jì)算結(jié)果得出結(jié)論，工程位置的左、右岸坡在各工況下抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)是否能滿(mǎn)足規(guī)范要求，并附岸坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果圖。

圖1 左岸高水位+水位降落期計(jì)算附圖

六、結(jié)語(yǔ)

當(dāng)前社會(huì)發(fā)展形勢(shì)下，定向鉆穿河工程應(yīng)用廣泛。近兩年，南京汛期水情嚴(yán)峻，河道防洪安全問(wèn)題必須引起重視。在做工程防洪影響分析時(shí)，分別從工程自身防洪要求和對(duì)河道堤防等水利設(shè)施的防洪影響兩個(gè)方面出發(fā)，參照相關(guān)規(guī)范，規(guī)范操作，才能更好地消除工程安全隱患，確保工程效益，進(jìn)而促進(jìn)我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)定發(fā)展。

[1]《中華人民共和國(guó)防洪法》(2015年4月修訂)；

[2]《防洪標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50201-2014)；

[3]《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50286-2013)；

[4]《管線(xiàn)定向鉆進(jìn)技術(shù)規(guī)范》(DG/TJ08-2075-2010 J11722-2010)；

[5]《公路工程水文勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG C30-2015)。