王鐵軍， 徐 威

(1.煙臺(tái)新奧燃?xì)獍l(fā)展有限公司，山東煙臺(tái)264002；2.中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司 第十設(shè)計(jì)研究院，天津300074)

1 概述

統(tǒng)計(jì)資料表明，外力引起的破壞是管道運(yùn)行安全的主要威脅，在外力破壞中，水害對(duì)管道安全的威脅屬第一位。水害的發(fā)生具有一定的偶然性。每年汛期，水害事故都會(huì)頻繁發(fā)生，尤其是山區(qū)，泄洪道少，水道狹窄，水害現(xiàn)象更為嚴(yán)重，嚴(yán)重威脅管道的安全運(yùn)行。

澀寧蘭輸氣管道復(fù)線工程起自青海省柴達(dá)木盆地澀北一號(hào)氣田澀寧蘭老線澀北首站，東至蘭州西固區(qū)，管道沿線途經(jīng)青海省和甘肅省，線路長(zhǎng)度為921.4 km。管道設(shè)計(jì)壓力為6.3 MPa，干線管道規(guī)格為D660×7.1。澀寧蘭輸氣管道復(fù)線工程于2009年12月建成并投產(chǎn)。

2010年6月7日夜晚至8日上午9時(shí)，青海省烏蘭縣茶卡鎮(zhèn)塔拉村區(qū)域連續(xù)強(qiáng)降雨，地表雨水匯流成洪，突發(fā)洪水災(zāi)害，使?jié)瓕幪m輸氣管道復(fù)線工程設(shè)計(jì)三標(biāo)段烏蘭縣茶卡鎮(zhèn)塔拉村地段ADS003至ADS008+226 m樁間遭受不同程度破壞，管堤被沖毀，管道上方?jīng)_刷成溝，特別是樁號(hào)ADS007+529 m至ADS008+226 m之間，洪水沖毀狀況特別嚴(yán)重，樁號(hào)ADS007+574 m至ADS007+664 m長(zhǎng)度為90 m的防腐管道已被洪水沖出并漂管上浮，管段東側(cè)一端出現(xiàn)明顯自然彎曲，外露防腐管道管頂最高點(diǎn)距自然地面只有1.0 m，而在水害前該段管道實(shí)際管頂埋深為2.2 m以上。管溝塌陷及沖刷段中游部分的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)景見(jiàn)圖1(圖1中的紅色線段為埋地管道平面位置)，管溝塌陷及沖刷段下游部分的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)景見(jiàn)圖2。

圖1 管溝塌陷及沖刷段中游部分的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)景

圖2 管溝塌陷及沖刷段下游部分的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)景

2 水工保護(hù)措施

為了保證澀寧蘭輸氣管道復(fù)線的正常運(yùn)行，事故發(fā)生后的第一時(shí)間，在漂管上浮段通過(guò)清理管底淤積物使管道自然下沉至原位穩(wěn)定土層。

此處地形較平緩，縱坡坡度最大不超過(guò)3.5°。從此次山洪水毀情況來(lái)看，天氣突變導(dǎo)致的偶發(fā)性洪水會(huì)對(duì)管道運(yùn)行安全產(chǎn)生隱患，而且當(dāng)時(shí)正處于雨季，雨水及附近山上的融雪雪水較多。因此，對(duì)洪水沖毀線路段增設(shè)水工防護(hù)，提出鋼筋混凝土配重塊穩(wěn)管+袋裝砂截水墻防沖刷的措施。

2.1 鋼筋混凝土配重塊

根據(jù)GB 50423—2013《油氣輸送管道穿越工程設(shè)計(jì)規(guī)范》第4.2.3條，水下管段抗漂浮穩(wěn)定性按式(1)計(jì)算。

W1≥KF

(1)

W1=W2+Wc

(2)

式中W1——單位長(zhǎng)度管段的總重力(包括管身結(jié)構(gòu)自重W2和配重塊重量Wc，不含管內(nèi)介質(zhì)重量)，N/m

K——穩(wěn)定安全系數(shù)，大中型穿越工程取1.2，小型穿越工程取1.1，考慮到水毀事故對(duì)管道造成的破壞以及后期運(yùn)行安全，本文K取值為1.15

F——單位長(zhǎng)度管段靜水浮力，N/m

W2——單位長(zhǎng)度管身結(jié)構(gòu)自重，N/m

Wc——單位長(zhǎng)度管道需要施加的配重塊重量，N/m

因此，將式(2)代入式(1)，可得水下單位長(zhǎng)度管道的抗漂浮穩(wěn)定性計(jì)算公式，即式(3)。

(3)

由式(3)變換可得，為了防止水下管道上浮，單位長(zhǎng)度管道需要施加的配重塊重量計(jì)算公式為式(4)。

Wc≥1.15F-W2

(4)

在此基礎(chǔ)上進(jìn)行下列鋼筋混凝土配重塊的安裝間距計(jì)算。

① 管道浮力

管道浮力計(jì)算公式見(jiàn)式(5)。

(5)

式中D——管道外直徑，m，為0.660 m

ρw——水的密度，kg/m3，取1 000 kg/m3

g——重力加速度，m/s2,取9.8 m/s2

經(jīng)計(jì)算，單位長(zhǎng)度管道靜水浮力F為3 351.07 N/m。

② 管身結(jié)構(gòu)自重

單位長(zhǎng)度管身結(jié)構(gòu)自重按式(6)計(jì)算。

(6)

式中d——管道內(nèi)直徑，m，為0.645 8 m

ρ——鋼管鋼材密度，kg/m3，取7 850 kg/m3

經(jīng)計(jì)算，單位長(zhǎng)度管道管身結(jié)構(gòu)自重W2為1 119.77 N/m。

③ 配重塊重量

將F=3 351.07 N/m、W2=1 119.77 N/m代入公式(4)，可計(jì)算出單位長(zhǎng)度管道需要施加的配重塊重量Wc應(yīng)不小于2 733.96 N/m，本文Wc取2 734 N/m進(jìn)行計(jì)算。

④ 配重塊對(duì)管道實(shí)際產(chǎn)生的重力

單個(gè)配重塊對(duì)管道實(shí)際產(chǎn)生的重力按式(7)計(jì)算。

W=Vc(ρc-ρw)g

(7)

式中W——單個(gè)鋼筋混凝土配重塊扣除自身的浮力后對(duì)管道實(shí)際產(chǎn)生的重力，N

Vc——單個(gè)鋼筋混凝土配重塊的體積，m3，現(xiàn)場(chǎng)制作的配重塊每塊體積約為0.62 m3

ρc——鋼筋混凝土的密度，kg/m3，取2 400 kg/m3

經(jīng)計(jì)算，單個(gè)鋼筋混凝土配重塊扣除自身的浮力后對(duì)管道實(shí)際產(chǎn)生的重力W為8 506.4 N。

⑤ 配重塊設(shè)置間距

鋼筋混凝土配重塊設(shè)置的最大間距按式(8)計(jì)算。

(8)

式中Lmax——鋼筋混凝土配重塊設(shè)置的最大間距，m

將W=8 506.4 N、Wc=2 734 N/m代入式(8)，可計(jì)算出鋼筋混凝土配重塊設(shè)置的最大間距Lmax為3.11 m。因此，本文鋼筋混凝土配重塊的設(shè)置間距取3 m。

鋼筋混凝土配重塊制作時(shí)靠近管道的內(nèi)圓弧表面應(yīng)圓滑。放置配重塊的管道處在管道外面包覆厚度為8 mm的橡膠板，包裹時(shí)橡膠板搭接20 cm，搭接位置設(shè)在管道下方，橡膠板向配重塊兩邊各延伸50 cm，以防止配重塊破壞管道防腐層。鋼筋混凝土配重塊布置的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)景見(jiàn)圖3。

圖3 鋼筋混凝土配重塊布置的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)景

2.2 袋裝砂截水墻

依據(jù)SY/T 6793—2010《油氣輸送管道線路工程水工保護(hù)設(shè)計(jì)規(guī)范》第4.1.3條和第4.1.4條，以及SY/T 4126—2013《油氣輸送管道線路工程水工保護(hù)施工規(guī)范》第9.3.2條，截水墻應(yīng)符合以下要求。

① 截水墻基底應(yīng)置于管溝溝底，其頂面應(yīng)與原自然地面齊平。

② 截水墻兩端應(yīng)嵌入兩側(cè)管溝溝壁各0.2～0.5 m。溝壁土質(zhì)較軟時(shí)取較大值，土質(zhì)較硬時(shí)取較小值。

③ 截水墻基底應(yīng)水平，在巖質(zhì)管溝地段可置于穩(wěn)定的管溝溝底，土質(zhì)管溝地段嵌入管溝溝底不宜小于0.2 m。

④ 截水墻間距隨管溝溝底縱向坡度的增大而減小。由于本文中管道受洪水沖刷段地形較平緩，截水墻間距宜在10～20 m范圍。

⑤ 截水墻材料包括漿砌石、混凝土、草袋等，其適用范圍及厚度要求應(yīng)結(jié)合施工條件，并符合當(dāng)?shù)赝临|(zhì)情況。由于本文中管道受洪水沖刷段為季節(jié)性洪水沖刷，地表為荒漠戈壁，就近無(wú)石材可用，采用漿砌石和混凝土材料費(fèi)時(shí)費(fèi)力。從管溝開(kāi)挖斷面可以看出，管溝開(kāi)挖的土方中石塊粒徑較小，可就地取材做成袋裝砂截水墻，砂子最大粒徑不超過(guò)50 mm。袋子采用規(guī)格為0.25 m×0.30 m×0.50 m的聚丙烯抗腐蝕編織袋。袋裝砂應(yīng)逐層交錯(cuò)平整碼放。

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，在管溝不同程度塌陷線路段設(shè)置袋裝砂截水墻共81道，用于防止地表水和地下水對(duì)管道中心線附近土層的沖刷。截水墻間距為15 m，截水墻高度為2.5 m，厚度為0.5 m，寬度根據(jù)實(shí)際管溝寬度而定，并嵌入管溝兩邊原土層內(nèi)0.2 m。

3 運(yùn)行效果

通過(guò)以上措施，有效地解決了此次季節(jié)性山洪對(duì)管道產(chǎn)生的沖刷破壞。根據(jù)多年來(lái)的跟蹤觀察，該管道再未出現(xiàn)過(guò)此類問(wèn)題，水工保護(hù)措施有效得當(dāng)。

4 類似水工保護(hù)在工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

煙臺(tái)市區(qū)天然氣環(huán)城高壓管道工程是保障煙臺(tái)市區(qū)安全穩(wěn)定用氣，保障城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要能源通道，管道總長(zhǎng)度約127 km，其中丘陵和山地段長(zhǎng)度為50 km。該工程在設(shè)計(jì)中借鑒了澀寧蘭輸氣管道復(fù)線工程的水工保護(hù)經(jīng)驗(yàn)，采取了以下措施保證管道安全：管道穿越河流地段，結(jié)合河道的堤防、護(hù)灘、護(hù)堤及河道的整治規(guī)劃設(shè)置護(hù)岸砌體；對(duì)于穿越滯洪區(qū)管道，加大管道埋深，同時(shí)采取鋼筋混凝土配重塊的穩(wěn)管措施；對(duì)于管道通過(guò)陡坎、陡坡、河渠、沖溝、公路填方區(qū)等地方，視具體情況設(shè)置擋土墻、護(hù)坡、護(hù)壁、排水溝等。該項(xiàng)目即將進(jìn)入施工階段。