官云鵬

(福建省水利水電勘測設計研究院， 福建 福州 350001)

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福鼎沙埕鎮(zhèn)跨海引水工程幾個關鍵技術的應用

官云鵬

(福建省水利水電勘測設計研究院， 福建 福州 350001)

沙埕鎮(zhèn)跨海引水工程施工難度高，技術要求專業(yè)，在施工中應用水下淺地層剖面探測技術、管道整體性設計、S形沖泥沉管法施工等關鍵技術，保障了工程的實施，可為其他類似工程提供借鑒。

跨海供水工程； 海底管道路由； 水下淺地層剖面探測技術； 鋼絲網(wǎng)骨架塑料復合管； S形沖泥沉管法施工

1 概 述

福鼎市沙埕鎮(zhèn)為閩東沿海半島干旱缺水地區(qū)，鎮(zhèn)里淡水資源嚴重匱乏。沙埕鎮(zhèn)跨海引水工程，從沙埕鎮(zhèn)對岸的黨洋水庫經(jīng)釣岙、跨沙埕港至沙埕鎮(zhèn)水廠，引水規(guī)模為2550m3/d，管線總長度4.4km，其中沙埕港跨海段管長1.7km。

對跨海供水工程來說，海底管道是整個工程總投資和進度的控制性部分。該工程規(guī)模小，投資低，然而跨海段施工難度高，技術要求專業(yè)，需要在施工中引進一些關鍵技術，保證工程的實施[1]。

2 水下淺地層剖面探測技術

海底管線路由是管道系統(tǒng)工程設計和工程建設的基礎，要鋪設海底輸水管道，首先要選擇合適的海底路由，也就是海底線路，保證在設計使用年限內(nèi)，海底管線能夠安全、穩(wěn)定地運行，同時還要求海底管線盡可能短，以降低工程造價。

由于海水掩蓋，海底地形難以直接觀察，無法調(diào)查路由區(qū)海底地質(zhì)情況。在該工程海底管道路由設計中采用水下淺地層剖面探測技術，對路由區(qū)海底地形地貌及底層地質(zhì)情況進行綜合探測[2]。

水下淺地層剖面探測技術是通過換能器將控制信號轉(zhuǎn)換為不同頻率的聲波脈沖向海底發(fā)射，該聲波在海水和沉積層傳播過程中遇到聲阻抗界面，經(jīng)反射返回換能器轉(zhuǎn)換為模擬或數(shù)字信號后記錄下來，并輸出為能夠反映地層聲學特征的淺地層聲學記錄剖面[3]。

對于淺地層聲學記錄剖面的成果解釋，主要是通過聲波反射界面的追蹤與識別，經(jīng)過對反射特征的分析，結(jié)合現(xiàn)場地形地貌與相關地質(zhì)資料和其他勘探資料，特別是代表性的鉆探資料，最終對探測成果進行分析判斷。沙埕港海底管線路由區(qū)海底地形典型的特征分析如下。

2.1 礁石

從波形記錄上看(見圖1)，表現(xiàn)為毛躁的表面，有較明顯起伏。分析認為，由于海底礁石常年經(jīng)受暗涌沖擊下浮砂的侵蝕，大多表面粗糙多孔，而淺剖儀發(fā)射的線性調(diào)頻波探測精度極高，可以把礁石表面粗糙的特征表現(xiàn)出來。

圖1 礁石反射特征

2.2 淤泥

淤泥質(zhì)地松軟，無骨架顆粒，反射損失較小，對聲波的衰減較小，是淺剖探測最適宜的地層，在波形特征上表現(xiàn)為灰度較淺，如圖2所示。

圖2 淤泥反射特征

2.3 淤泥質(zhì)黏土

淤泥質(zhì)黏土具有同淤泥類似的物理特性，也是淺剖探測較適宜的地層，反射特征區(qū)別于淤泥的均質(zhì)，表現(xiàn)為多條紋狀，且能量灰度較淤泥強，如圖3所示。

圖3 淤泥質(zhì)黏土反射特征

2.4 砂

砂是由顆粒組成的介質(zhì)，且海底沉積砂層相對密實，故砂層對聲波的反射能量較強，穿透的聲波在顆粒間的漫反射也造成了聲波在傳播過程中的能量損失，故淺剖發(fā)射的聲波探測對砂質(zhì)海底效果較差，聲波能量多以反射和透射損失為主，穿透深度較小。從反射特征圖譜來看，呈現(xiàn)散點狀，且灰度較大，如圖4所示。圖4揭示的淤泥、淤泥質(zhì)黏土、砂的特征區(qū)分非常明顯。

圖4 砂反射特征

2.5 管道

圖5為探測剖面中管道位置典型反射特征，呈明顯的拋物線形態(tài)。

圖5 管道反射特征

利用水下淺地層剖面探測技術，布置網(wǎng)格狀測線，就可清晰、直觀地顯示海底的地形地貌，以及地層地質(zhì)情況，在水下管道路由布置中避開礁石、深溝等區(qū)域。

3 管道整體性設計

沙埕鎮(zhèn)跨海管道設計內(nèi)水壓力為2.5MPa，還要承受30m深的外水壓力；由于管線經(jīng)過的海底為淤泥，管道長期運行會產(chǎn)生沉降；另外在海上鋪設過程中管道易受到波浪和洋流的影響，須經(jīng)得起海浪上下左右的顛簸所產(chǎn)生的變形破壞；水深30m，運行期維護和保養(yǎng)費用很大，如果管道質(zhì)量出一點問題，就可能產(chǎn)生巨大的影響，就有可能使整個海底管道報廢。因此，該工程通過管材、接頭、管道配重等幾方面設計，使管道形成一個整體，經(jīng)得起海上施工的折騰，滿足長期使用的要求。

3.1 管材選擇

根據(jù)工程特點，通過比較鋼管、玻璃鋼管、PE管及鋼絲網(wǎng)骨架塑料復合管，最終選用鋼絲網(wǎng)骨架塑料復合管。鋼絲網(wǎng)骨架塑料復合管是以高強度鋼絲左右螺旋纏繞成型的網(wǎng)狀骨架為增強體，并用高性能的粘結(jié)樹脂層將鋼絲網(wǎng)骨架與內(nèi)外層高密度聚乙烯緊密地連接在一起，這種管材克服了鋼管和塑料管各自的缺點，而又保持了鋼管和塑料管各自的優(yōu)點。具有耐腐蝕、耐老化、耐磨、耐壓、耐化學等特性，克服金屬管道不耐腐、非金屬管道不耐壓、玻璃鋼管道對鋪設環(huán)境要求高而抗沖擊力較差等諸多弱點，剛性高，抗沖擊性強，又具有優(yōu)良柔韌性。

為保證海底管道不因管材的質(zhì)量而報廢，每根鋼絲網(wǎng)骨架塑料復合管施工前均進行壓水實驗，合格后方準使用。

3.2 接頭設計

管道的接頭是海上管道最薄弱的環(huán)節(jié)，易受到外力影響而產(chǎn)生破壞，解決的方法有兩種：減少接頭；提高接頭的連接強度。

為減少管道接頭，并滿足管道運輸要求，采用定制的18m長管材，減少50%的管道接頭，降低管道接頭破壞的安全隱患。

鋼絲網(wǎng)骨架塑料復合管接頭方式有對焊連接、承插連接、法蘭連接、電熱熔套筒連接。該項目采用電熱熔套筒連接。電熱熔套筒經(jīng)定制，內(nèi)有薄鋼板卷焊而成的鋼骨架，接頭與管材結(jié)合在一起后，電熱熔套筒的鋼骨架與鋼絲網(wǎng)骨架塑料復合管的鋼絲網(wǎng)骨架有15cm的搭接長度，能讓管材承受的應力能向下傳遞，不會在接頭處斷開，使得整個管道形成一個整體。

3.3 配重塊使用

鋼絲網(wǎng)骨架塑料復合管每米重量僅為15kg，整根管自重為25.5t，空管時浮力為53.4t。海上施工時，管道將浮在海面上，無法下沉至海底溝槽內(nèi)，并且受風浪影響，管道上下左右擺動，雖然鋼絲網(wǎng)骨架塑料復合管具有一定的柔韌性，但也經(jīng)不起長時間受海浪的影響，容易產(chǎn)生彎曲破壞，因此需要進行配重設計，使管道迅速沉入溝槽中，不受風浪影響。該工程配重塊采用耐海水腐蝕低合金鑄鐵，配重塊每2.0m設置一個，為環(huán)狀, 厚度60mm, 長度90mm。

4 S形沖泥沉管法施工

海上管道施工須采用專業(yè)的施工方法，該項目海上管道施工流程如下：

a.在鋪管前，采用拖動的水力機械形成高壓噴射水流，在海底沖切出設計要求的管溝斷面，并且實現(xiàn)不間斷前行，快速開挖海底管溝。

b.在鋪管船上，將管材、接頭及配重塊安裝并檢驗合格后，通過鋪管船上車槽式滑道及圓弧形托管架，將管沉入海底開挖好的溝槽中。

c.在管道沉放島溝槽中，同時在管道兩側(cè)小船通過繩索間隔左右拉扯，使溝槽中的管道形成一定的S形，并在溝槽中回填碎塊石，使管道以S形固定下來。

該工程海上管道施工采用S形沖泥沉管法，使管道增加了變形余量。在管道長期使用過程中，海床均會有一定的變遷，同時管道也會產(chǎn)生沉降，管道新增的變形余量能夠適應這些變化，以減少變形對管材及接頭的損傷。

5 結(jié) 論

通過水下淺地層剖面探測技術、管道整體性設計、S形沖泥沉管法施工等關鍵技術的應用，沙埕鎮(zhèn)跨海引水工程從前期設計到完工通水僅用不到9個月時間，經(jīng)過2年的運行使用，用水流量穩(wěn)定，運行情況良好，符合設計要求。我國海島眾多，均存在缺水問題，跨海供水是一項不錯的選擇，沙埕鎮(zhèn)跨海引水工程能夠為其他工程設計提供借鑒。

[1] WYLIE E B,STREETER V L,SUO Lisheng.Fluid Transients in System[M].New Jersey:Prentice Hall Inc,Englewood Cliffs,1993.

[2] 陳乃祥.水利水電工程的力學瞬變仿真與控制[M].北京：中國水利水電出版社,2005.

[3] 樊紅剛,陳乃祥,孟祥文,等.虛擬阻抗法在水電工程仿真自動建模中的應用[J].清華大學學報,2001,41(10):82-85.

Application of several key technologies in Fuding Shacheng Town sea water diversion project

GUAN Yunpeng

(FujianWaterResourcesandHydropowerSurvey&DesignInstitute,Fuzhou350001,China)

Shacheng Town sea water diversion project is characterized by high construction difficulty and professional technology. Underwater shallow layer profile detection technology, pipeline integrity design, s-shaped mud slide immersed tube construction and other key technologies are applied in construction, thereby ensuring project implementation and providing reference for other similar projects.

sea water supply project; submarine pipeline routing; underwater shallow layer profile detection technology; steel mesh skeleton plastic composite pipe; construction by s-shaped mud slide immersed tube method

10.16616/j.cnki.10-1326/TV.2016.04.005

TV52

A

2096-0131(2016)04- 0015- 03