檀科明

（上海市城市建設(shè)設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200125）

1 工程背景及概況

1.1 工程背景

隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，舟山市展茅區(qū)域生產(chǎn)、生活污水有較大的增長，現(xiàn)狀展茅污水處理廠處理規(guī)模僅0.5萬t/d，已無法滿足展茅區(qū)域日益增長的污水處理需求，為解決展茅區(qū)域污水處理問題，舟山市水務(wù)集團(tuán)實(shí)施了展茅區(qū)域主管網(wǎng)調(diào)配工程，將展茅鎮(zhèn)污水輸送至附近有處理余量的島北污水處理廠處理。展茅區(qū)域污水經(jīng)污水泵站提升，采用壓力流管道向北跨海經(jīng)過規(guī)劃經(jīng)十一路、疏港大道送入舟山市島北污水處理廠處理。

1.2 工程概況

本工程在現(xiàn)狀展茅污水廠北側(cè)空地內(nèi)設(shè)一座污水提升泵站，規(guī)模為1.5萬m3/d，污水管道管徑D N500，全長約5.5 km，其中陸地開槽段3.72 km，海底段1.72 km。陸地開槽段采用P E實(shí)壁管，海底段采用無縫鋼管，壓力等級為1.0MPa。

本工程地處舟山展茅鎮(zhèn)螺門灣，北側(cè)為填海造地建成的新港工業(yè)園，南側(cè)為展茅污水處理廠，西側(cè)為漁業(yè)養(yǎng)殖基地，東側(cè)為螺門漁業(yè)公司碼頭。在微地貌上場地屬于海島丘陵地貌及濱海相淤積平原地貌，場地面絕對標(biāo)高為-0.98～3.61m（國家85高程系統(tǒng)），場地地形起伏較小，海底地質(zhì)情況為淤泥質(zhì)粘土，根據(jù)舟山水文站資料顯示，本海區(qū)歷史最高潮位3.18m，平均潮位2.20m，歷史最低潮位-2.21m，平均水深約3.1m，最大水深約5.10m。

2 海底管道的關(guān)鍵問題及對策

2.1 海底管道的關(guān)鍵問題

（1）長距離海底管道施工方式的選用

本工程海底管道距離較長，一次性穿越1.72 km難度大，風(fēng)險高，且中間無裸露灘涂、島嶼，不具備多次穿越條件，不適合牽引管施工；本工程管徑小于D N600，不適合頂管施工，且海底段距離較長，施工耗時久，無法滿足工期要求；鋪管船法常用于遠(yuǎn)陸地深海海底鋪設(shè)石油和天然氣輸送管道。鋪管船一般至少長100m以上，載重較大，現(xiàn)狀螺門灣最高水深僅5.1m左右，有擱淺風(fēng)險。因此確定適合的海底管道施工方式是本工程首要解決的關(guān)鍵問題。

（2）海底管道管材的選擇

由于海洋環(huán)境的特殊性，海底管道不僅要考慮管材本身材料類別、機(jī)械強(qiáng)度、化學(xué)性能、工程造價等因素，還需要考慮管材在海底的施工條件及工藝、抗腐蝕能力、可靠程度等因素。我國海底管道工程起步較晚，且海底管道管材的選用經(jīng)驗(yàn)及研究多是圍繞海洋石油和天然氣的輸送管道，因此如何根據(jù)工程實(shí)際情況選擇經(jīng)濟(jì)適用、結(jié)實(shí)可靠的污水壓力管道管材對本工程至關(guān)重要。

（3）海底污水輸送管道的防腐問題

鋼管不僅常年浸泡在海水和淤泥形成的侵蝕性環(huán)境中，還會因?yàn)楹５咨锏募纳鷮?dǎo)致其保護(hù)結(jié)構(gòu)被破壞，在淺灘區(qū)域，高、低潮位變化會形成一個干濕交替循環(huán)的環(huán)境，從而加速管道的侵蝕，此外，海水的電離作用還會持續(xù)不斷的侵蝕鋼管外壁，因此對鋼管外壁的防腐保護(hù)要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于常規(guī)陸地埋管，而作為污水輸送管道，鋼管的內(nèi)壁同樣需要有效可靠的防腐措施。因此，如何綜合考慮海洋環(huán)境的特殊性、施工條件，選擇可靠的防腐措施是本工程一個關(guān)鍵問題。

（4）海底管道的抗浮問題

當(dāng)管道沉入溝底后，溝內(nèi)土壤進(jìn)入自然回淤狀態(tài)，土壤將重新排水固化，當(dāng)土壤處于液態(tài)時，隨著土壤內(nèi)含水率降低，管道受到的浮力將成線性增加趨勢[1]，本工程海底管道所在螺門灣為淺灘海域，為淤泥質(zhì)粘土，海底管道上浮可能性較大，因此管道抗浮問題也是本工程必須解決的一個關(guān)鍵問題。

2.2 海底管道關(guān)鍵問題的對策探討

2.2.1 長距離海底管道的施工方式

本工程海底段管道全長1.72 km，由于所處環(huán)境特殊性、工期緊張、經(jīng)濟(jì)投資等因素影響，本工程不適合采用定向鉆進(jìn)牽引管、頂管、鋪管船等施工方法。海上開槽埋管施工是一種較為新興的海底管道施工工藝，該工藝施工周期短、投資節(jié)省、施工風(fēng)險低，且基本不造成環(huán)境污染[2]。但海上開槽施工受季風(fēng)及洋流等天氣影響較大，施工時需要密切關(guān)注氣象，選擇合適的施工期。經(jīng)綜合考慮，本工程采用海上開槽埋管進(jìn)行施工，其主要施工步驟：（1）采用抓斗式挖泥船開挖溝槽；（2）采用拖管船將管道拖拽至溝槽，充水沉管施工；（3）壓載配重塊，進(jìn)行溝槽回填；（4）管道水壓試驗(yàn)。具體施工工藝流程見圖1。

圖1 海上開槽施工工藝流程圖

2.2.2 海底管道管材的確定

目前國內(nèi)外各種新型管材種類繁多，污水壓力管道常用管材主要有P E管、玻璃鋼夾砂管（H OB A S管）、球墨鑄鐵管、鋼管等。P E管具有水力損失小、切割連接方便、無需防腐措施等優(yōu)點(diǎn)，適用于牽引管，但質(zhì)量較輕，海上沉管開槽實(shí)施難度大；玻璃鋼夾砂管剛度強(qiáng)，無需防腐措施且在海水中抗腐蝕能力較強(qiáng)，但小管徑產(chǎn)品較少見，材料脆，易變形，管配件需要專門定制；球墨鑄鐵管作為市政污水壓力管道最常用的管材，其成品具有防腐性能好、材料安全可靠、水力損失小等優(yōu)點(diǎn)，但管材單節(jié)較短，連接麻煩，且接口稍有擾動就容易損壞，不適用于海底管道工程；鋼管長期以來在各行各業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，技術(shù)經(jīng)驗(yàn)成熟，水力損失小、承壓能力強(qiáng)，具有良好的韌性，材料結(jié)實(shí)可靠，管材及管配件容易加工，可通過切割、焊接組成任意長度的管段，靈活適應(yīng)現(xiàn)場施工條件，空管狀態(tài)可浮于水面運(yùn)輸，充水后可進(jìn)行沉管施工，適用于海上開槽埋管，其缺點(diǎn)是需要另外采取可靠的防腐措施。綜合考慮海底管道埋管施工條件、管材可靠性，選用鋼管作為海底污水壓力管道管材。

2.2.3 海底污水輸送管道的防腐措施

鋼管外壁防腐材料的關(guān)鍵指標(biāo)有附著粘結(jié)能力、絕緣性能、抗陰極剝離性能、耐劃傷性。常用的防腐材料有環(huán)氧煤瀝青、P E涂層、熔結(jié)環(huán)氧涂層等，其中熔結(jié)環(huán)氧涂層（F B E）廣泛應(yīng)用于陸地、水下、海底等管道的防腐工程，其附著力、抗磨損性、耐化學(xué)性、耐候性（自然老化），耐濕熱性、耐水性等性能均遠(yuǎn)超普通涂料，國外20世紀(jì)80年代，環(huán)氧涂層就基本取代其他防腐材料，成為海洋工程中首選的防腐涂層。環(huán)氧涂料經(jīng)加熱后充分熔化流動，均勻地覆蓋、包裹鋼管外壁表面，并完全有效填補(bǔ)鋼管表面的錨紋，在此過程中，環(huán)氧粉末樹脂受熱固化形成熱固性聚合物，同時與鋼管也產(chǎn)生了某種化學(xué)鍵的結(jié)合作用，因此能長期強(qiáng)力地附著于鋼管表面。

在漫長的管道運(yùn)行期間，僅靠防腐涂層無法完全隔絕鋼材料與外界之間的介質(zhì)傳遞，此外防腐涂層在鋼管運(yùn)輸與施工過程中的難免產(chǎn)生擦碰損傷，導(dǎo)致在長期的運(yùn)行過程中鋼管與海水接觸發(fā)生電化學(xué)腐蝕，為保護(hù)污水壓力管道在更加安全可靠的環(huán)境下運(yùn)行，用電化學(xué)防護(hù)法與熔結(jié)環(huán)氧涂層相結(jié)合的方法，共同保護(hù)海底污水輸送管道。

2.2.4 海底管道抗浮問題的對策

本工程海底管道由于施工條件等因素限制，無法進(jìn)行深埋，淺埋的管道處于海底淤泥質(zhì)粘土層，該土質(zhì)會增加上浮風(fēng)險，展茅鎮(zhèn)螺門灣水深較淺，易受洋流影響，同時底層流速較慢，回淤效果較差，也增加了管道的上浮風(fēng)險。海底管道上浮很可能引起管道接口破裂，從而導(dǎo)致污水滲漏，污染海洋環(huán)境，因此必須要采取措施對管道進(jìn)行固定，施加重力壓載，防止管道上浮。本工程采用增加鋼管壁厚及配重塊壓載兩種措施，D N500鋼管國標(biāo)壁厚一般為7mm左右，經(jīng)綜合比較，鋼管壁厚采用12mm，一方面可以增加管道自重，另一方面增加壁厚可以更好的保護(hù)管道不被腐蝕破漏[3]；此外，在管道上間隔一定距離壓載一塊鋼混凝土配重塊對管道進(jìn)行錨固。

3 海底管道關(guān)鍵問題的對策設(shè)計(jì)

3.1 海底開槽埋管工藝

（1）海底管道溝槽斷面設(shè)計(jì)

海底管道采用海上開槽埋管工藝施工，海底管道施工溝槽斷面見圖2。

圖2 海底管道溝槽橫斷面圖（單位：cm）

（2）海上開槽埋管工藝

海上開槽工藝主要可分為以下幾個階段：施工準(zhǔn)備；管道浮運(yùn)；水面對接；海上沉管；管道試壓。

施工準(zhǔn)備階段：陸上進(jìn)行成品管材組焊，將成品管材焊接為約200m左右的長管，并做好焊口處防腐，安裝犧牲陽極保護(hù)塊；利用平潮時間，在海上同步使用G P S進(jìn)行測量放樣，打設(shè)定位樁，采用抓斗式挖泥船進(jìn)行水下溝槽開挖，開挖完畢后由潛水員采用水下沖吸泥方法修正以及檢測基底高程和槽段平直度，基槽檢測合格后由施工船舶人員拋填塊石，然后進(jìn)行管道基礎(chǔ)施工。水下開槽操作流程見圖3。

管道浮運(yùn)階段：選擇天氣好、風(fēng)浪小、高平潮時間，將焊接完成的長管一段封閉固定于拖管船上，將管道輕拖出水，間隔30 m左右配置一艘拖船及控制纜點(diǎn)，管道下灘時，各船統(tǒng)一指揮、協(xié)調(diào)一致，確保管道安全下水浮運(yùn)至安裝軸線位置，再用鋼絲繩固定于定位樁上。

圖3 抓斗式挖泥船水下開槽示意圖

水面對接階段：將兩條長管道一端固定于海上焊接船上，將管道與焊接平臺連接成為一個整體。

海上沉管階段：本階段分為三個關(guān)鍵部分，一是管道精確定位，二是準(zhǔn)確控制管道下沉入槽，三是與已沉放好的水下管道進(jìn)行對接。下沉?xí)r，一端注水，另一端控制排氣，隨時根據(jù)情況調(diào)節(jié)下沉長度、速度，可通過固定纜繩調(diào)節(jié)下沉位置，確保管道順利準(zhǔn)確入槽。為控制各長管有序下沉，每次下沉?xí)r保持有30m長度浮于水面之上，便于與下段長管進(jìn)行水面對接，對接完成后及時完成下沉工作，沉管結(jié)束后，由專業(yè)潛水員潛水對管道進(jìn)行水下檢查，確保管道完整、緊貼管道基礎(chǔ)、受力良好，確認(rèn)無誤后壓載配重混凝土塊，再進(jìn)行回填，回填結(jié)束后在其上填埋砌塊石，確保管道不受外力擾動。

（3）管道試壓。全段海底管道沉管結(jié)束后，按照相關(guān)規(guī)范一次性進(jìn)行整體試壓，試驗(yàn)壓力為設(shè)計(jì)壓力值1.5倍，且不低于0.9MPa。

3.2 海底管道防腐設(shè)計(jì)

（1）防腐設(shè)計(jì)

本工程鋼管內(nèi)、外壁防腐均屬于第1類涂層[4]，內(nèi)壁防腐采用加強(qiáng)級熔結(jié)環(huán)氧防腐涂層，厚度不小于400μm?？紤]到過程中的碰擦磨損，外壁防腐采用特強(qiáng)級熔結(jié)環(huán)氧防腐涂層，厚度不小于800μm。管材防腐均在廠內(nèi)做好，成品運(yùn)至工程現(xiàn)場，焊口部位防腐在現(xiàn)場修補(bǔ)。防腐材料涂敷前，將鋼管表面清理干凈，還應(yīng)進(jìn)行除銹處理，達(dá)S a2.5級，錨紋深度40～100μm。

（2）電化學(xué)防護(hù)設(shè)計(jì)

管道采用鋁合金犧牲陽極保護(hù)塊，間隔180m設(shè)置一組，海上焊接口處加設(shè)一組，在海底段兩端各設(shè)置一處測試樁，并做標(biāo)識，每3個月左右測量各點(diǎn)電位、陽極輸出電流等數(shù)值，一旦發(fā)現(xiàn)電位不足，及時更換犧牲陽極保護(hù)塊。犧牲陽極保護(hù)塊設(shè)計(jì)見圖4。

圖4 犧牲陽極保護(hù)塊設(shè)計(jì)示意圖（單位：mm）

3.3 海底管道抗浮措施設(shè)計(jì)

采用預(yù)制鋼混凝土配重塊壓載管道，間隔50m設(shè)置一處，長管段海上焊接處加設(shè)，配重塊重量約799 k g/塊，配重塊與管道間隙采用5mm厚橡膠填充，防止表面防腐涂層磨損。配重塊斷面見圖5。

4 結(jié)語

目前，海底敷設(shè)的污水輸送管道工程案例較少，本工程通過對其關(guān)鍵問題及其對策的研究探討，制定合理可靠的設(shè)計(jì)方案，經(jīng)設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)理和建設(shè)單位的共同努力，已于2018年順利完工，整個過程安全有序，項(xiàng)目實(shí)施過程積累的設(shè)計(jì)與施工經(jīng)驗(yàn)可為后續(xù)類似工程提供參考。

圖5 配重塊斷面圖（單位：cm）