游海清

(平潭綜合實驗區(qū)城鄉(xiāng)交通與建設運輸服務中心，福建 福州 350400)

1 海底管道保護方式

海底管道保護方式分為兩方面，第一為海底管道自身的防腐、防破壞的保護措施，主要有防腐涂層、混凝土配重保護層、犧牲陽極等。第二為海底管道在鋪設時通過預挖溝或后挖溝形式將海底管道埋設在海床以下，并在管道上方回填砂袋、碎石、塊石、混凝土連鎖排等覆蓋，對管線形成保護，防止因拋錨等外力對管線造成傷害。

本文主要依托福建平潭(一閘三線)工程海壇海峽跨海管道項目，淺析海底管道后挖溝沉管，然后砂袋回填、海工砼沉排覆蓋保護的方式。

福建省平潭及閩江口水資源配置(一閘三線)工程由莒口攔河閘、閩江竹岐～大樟溪引水工程、大樟溪～福清、平潭輸水工程和大樟溪～福州、長樂輸水工程組成。平潭海壇海峽(跨海段)采用海底管道，設計輸水流量 8.8 m3/s。主要解決平潭綜合實驗區(qū)供水問題，促進區(qū)域經濟可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)改善的大型水資源配置工程，屬于國家重點172工程?？绾６尉€路總長4.201 km,其中4 根1.2 m 的鋼管段長4.029 km， 兩端與輸水隧洞連接段為單根直徑2.8 m鋼管段長0.173 km。

2 海底管道后挖溝沉管

管線整體后挖溝使管線沉入溝底，管線后挖溝深度為管頂埋深2.5 m，可以有效保護管線不受外力破壞。管線后挖溝沉管一般采用噴射式后挖溝機進行沉管施工。

作業(yè)時挖溝機就位于管線上方，挖溝機啟動后，由主作業(yè)船通過牽引纜拖拽行走，進行管線后挖溝作業(yè)。噴射式挖溝機首先利用前端的中壓射水對管線底部及周圍泥土進行切割、分塊，后由軸流泵產生的大流量噴沖水流，對管線底部及周圍泥土進行沖刷，使管線周邊土壤液化，液化土溶液一部分隨噴沖水流沖出溝外，另一部分由氣舉裝置排出溝外，從而形成管溝。管線在自重的作用下沉入溝中，從而完成沉管作業(yè)。挖溝質量及過程控制主要通過監(jiān)控設備完成，同時結合人工管道埋深調查(圖1和圖2)。

圖1 后挖溝作業(yè)示意圖

圖2 后挖溝沉管典型斷面圖

3 碎石及砂袋回填覆蓋保護

管道上方回填砂袋或碎石用保護管線不以受到錨害、沖刷懸空等，以福建平潭(一閘三線)工程海壇海峽跨海管道項目航道段的碎石及砂袋回填為例，為確保對管線有效的保護需對管頂最小保護層厚度計算分析。主要影響因素有以下幾個方面。

3.1 錨害分析

錨在貫穿過程中的主動力主要包括：貫入錨的重量和任何被應用的驅動力。阻力包括作用在錨前斷面和側面的底部和側向土壤支撐力，以及拖拽力。向上的凈阻力使貫入錨做減速運動，直到最終停止。

錨貫穿到海床土壤里的動力行為可以通過如下的牛頓第二定律表達式：

(1)

式中：M為錨在土壤中的有效質量(kg)；W為錨的浮重，等于錨的重力減去浮力(N)；y為錨在土壤中的貫穿深度(m)；v為錨的速度(m/s)；t為錨在土壤中的運行時間(s)；F(v,y)為土壤阻力。

通常情況下，錨落入海床中時，初始時為垂直貫入，當達到最大落錨深度后，隨著船舶的慣性行進，錨在海床中的合成運動軌跡一般為拋物線，在錨運動到海床表面水平位置時，錨達到最大抓力。

為了避免錨在拖曳過程中對管道造成損傷，應依據(jù)錨在達到海床水平位置時，錨爪在管頂保護層里的貫入深度來確定所需的最小保護層厚度，計算公式如下：

Td=max(H，Z)+CL+DT

(2)

式中：Td為保護層的最小厚度(m)；H為錨爪貫入覆蓋層的深度(m)=DAsinθA-0.5J；DA為錨爪長度(m)；θA為錨爪與錨柄之間的最大夾角，一般取45度；J為錨柄寬度(m)；CL為錨爪與管道應保持的最小間隙；Dt為包括涂層在內的管道總外徑(m)；Z為由于錨的直接沖擊引起的穿透保護層的深度(m)。

本工程附近水域最大通航5 000噸級的船舶,故以5 000噸級船舶為例,按2噸重的霍爾錨計算,錨高約2.2 m,貓爪高度約1.1 m,錨身厚約0.6 m.經計算,管頂最小保護層厚度約0.7 m,考慮一定的富余度,管頂保護層厚度1.3 m,面層采用鋪設兩層C40海工砼沉排，滿足安全要求。

3.2 潮流沖刷分析

3.2.1 計算公式及基本原理

本次數(shù)學模型采用丹麥的MIKE軟件，該軟件能夠較好的模擬海灣、海洋近岸、河口、河道等區(qū)域的潮流運動形態(tài)。

水流運動方程

連續(xù)方程

(3)

(4)

N-S方程

X方向：

(5)

(6)

Y方向：

(7)

(8)

式中：H為水深，H=h+ξ，其中ξ，h分別為水位和水深；p，q分別為x，y方向上的流通通量；C為謝才系數(shù)；g為重力加速度；f為科氏力系數(shù)；ρ為水的密度；W，Wx，Wy為風速在x，y上的分量；fw為風阻力系數(shù)；τxx，τxy，τyy為有效剪切力分量。

應用有限體積法(FVM)進行積分離散并利用通量的坐標旋轉不變性，把二維問題轉化成一系列局部的一維問題進行求解，采用通量差分裂格式(FDS)計算各跨單元的水量與動量通量。

守恒形式的平面二維淺水方程組可寫成如下的向量形式：

式中，q=[h，hu，hv]T為守恒物理量；

(9)

f(q)=[hu，hu2+gh2/2，huv]T為x向通量；

g(q)=[hv，hv2+gh2/2，huv]T為y向通量；

b(q)=[0，gh(Sσx-Sfx)，gh(Sσy-Sfy)]T為源、匯項。

對上式在控制體積上積分，得到控制體單元的積分方程，再對此積分方程運用高斯散度定理，化為沿線控制單元周線的線積分，最終寫成離散形式可得：

3.2.2 定解條件

(10)

1)初始條件

初始水位值根據(jù)各測站實測值水位值，進行線性插值，初始流速值設為0。

2)邊界條件

陸邊界： Qn=0 法線方向流量為零

水邊界： 以實測潮流量過程為邊界條件。

動邊界：部分地區(qū)的干濕循環(huán)變化，可根據(jù)本單元及相鄰單元的水力條件來計算。在單元變干的過程中，有水的單元通過流量(即單元邊質量通量)向四周鄰近單元傳輸水量逐步變成半干單元，當單元內水深小于指定的極小閾值后成為完全的干旱單元。反之，在單元變濕的過程中，干旱單元由于周邊鄰近單元來水流量而逐步變成半干單元，當單元內水深大于另一指定的閾值后成為完全的濕單元。

當某一單元處于完全干旱狀態(tài)，該單元不參加計算；當單元為半干旱狀態(tài)，則根據(jù)水量平衡及簡化的動量平衡方程進行計算；當單元為完全濕單元時，應用完整的黎曼近似解來求解方程組。

3.2.3 模型建立

綜合考慮本工程區(qū)域潮流特性、泥沙沖淤模擬分析的精度及計算時長等因素，本項目擬用網格嵌套形式開展工程區(qū)域水動力形態(tài)及泥沙沖淤變化分析。根據(jù)目前收集到的實測海洋水文資料，實測測站(如梅花潮位站、平潭潮位站、崇武潮位站)和測點(福清海壇海峽10船同步實測點)距離本工程較遠，為保障模型計算分析的準確性，需進行模型驗證分析工作，且根據(jù)規(guī)范規(guī)定模型邊界應選取在水流均勻、沖淤平衡的斷面位置，由于海壇海峽周邊島嶼多、地形起伏大，斷面水流分布嚴重不平衡，難以作為模型邊界，故需一個包含外海的大范圍模型。而為使數(shù)據(jù)精確化，整個區(qū)域數(shù)據(jù)精度又跟網格劃分程度緊密相關，故需一個工程區(qū)域附近的小范圍模型。

本工程大范圍數(shù)學模型為：福建寧德至莆田平海灣段，如圖3所示，二維模型單元數(shù)約85 000個，節(jié)點數(shù)約46 000個。最小網長度格長設計為20 m。小范圍數(shù)學模型為：海壇海峽北部入口至南部入口，二維模型單元數(shù)約48 000個，節(jié)點數(shù)25 000個。最小網格長度設計約為6 m，以保證模型具有良好的計算精度，模型計算范圍及地形情況如圖所示。工程區(qū)鋪設海底管道時面上有砼沉排覆蓋時，設置為不可沖刷區(qū)，其他工程區(qū)域附近根據(jù)地質勘查報告均設置為中值粒徑0.13 mm。

潮流模型計算大范圍及地形情況圖 潮流模型計算小范圍數(shù)學模型圖

3.2.4 計算工況

從工程安全角度出發(fā)，選擇最不利計算工況，見表1。

表1 計算工況表

3.2.5 計算結果

該段樁號海管面層海工砼沉排防護措施實施后，對工程偏安全考慮，選取冬季大潮、平潭多年平均潮位(0.37 m)、極端高潮位(4.59 m)和極端低潮位(-4.06 m)四種不利工況。主要出現(xiàn)沖刷趨勢的位置有：沉排北側區(qū)域，沖深不大于0.44 m。沉排東北側沖深不大于0.48 m。沉排西偏南側沖深不大于0.35 m。沉排南側沖深不大于0.25 m。沉排南側范圍內的沖刷區(qū)域雖然距離較近，但沖深幾乎都小于0.3 m。防護措施實施后，沉排周圍基本逐漸呈淤積趨勢。從長期來看，沖淤程度尚未對工程造成實質影響，且工程防護措施在垂向尺度比較小，在海流長期往復作用下，變化幅度由大變小，最終達到沖淤平衡。以上四種不利工況計算結果表明工程措施是滿足要求的。

因此平潭海管項目航道段采用砂袋回填、碎石回填后覆蓋混凝土連鎖排進行海管保護。

4 碎石及砂袋回填施工工藝

碎石回填時，在海底管道懸空處上方采用拋沙船及導向漏斗進行碎石回填，對管線管線進行有效覆蓋，通常在碎石回填后在管線上方進行混凝土連鎖排進行覆蓋，從而更好的達到對管線保護的目的(圖4)。

圖4 碎石回填工具示意圖

砂袋回填一般采用機械方式或潛水員進行砂袋碼放回填，回填后可在管線上方進行混凝土連鎖排進行覆蓋，從而更好的達到對管線保護的目的。

砂袋回填采用定位船上配置挖掘機拋填施工。定位船定位采用八字拋錨，單邊拋錨長度約150 m。

裝載船停靠定位船，定位船上挖掘機將砂袋卸于管溝內。

拋填砂袋高程通過船載自帶測深儀及人工打水坨進行雙重控制，對于不符合設計要求的部分進行局部補拋(圖5)。

圖5 砂袋拋填示意圖

5 混凝土連鎖排覆蓋施工工藝

碎石回填及砂袋回填后采用混凝土連鎖排覆蓋進一步保護管線安全。

混凝土沉排采用C40海工砼，砼預制塊規(guī)格400 mm×400 mm×160 mm(長度×寬度×厚度)；砼連鎖塊預制時應將丙綸繩在砼塊體間打結，并將丙綸繩置于砼塊中間。混凝土沉排基布由500 g/m丙綸長絲機織土工布與150 g/m滌綸無紡布針刺復核而成，排體基本寬度18 m。沉排施工采用專業(yè)的鋪排船舶，能夠高效準確的將沉排鋪設至設計區(qū)域，其施工流程見圖6。

圖6 沉排施工流程示意圖

6 結語

我國沿海島嶼眾多，海底管道將隨著社會的發(fā)展將會在水利工程得到更廣泛的應用，海底管道保護也將是一個重要的課題。平潭海管項目的順利實施，驗證了海底管道后挖溝沉管與回填覆蓋的保護方式的可行性。