摘" 要：在海床上挖溝深埋并進行堆石覆蓋保護是工程中常用的海底管道保護設(shè)計方法，以往的堆石保護方法所用的石方量巨大，結(jié)果往往過于保守，造成工程造價大幅增加。該文給出幾種堆石保護設(shè)計的優(yōu)化方法并結(jié)合跨航道海底管道保護案例，對跨航道海底管道保護方案設(shè)計進行優(yōu)化。通過經(jīng)濟評價分析論證設(shè)計優(yōu)化帶來的經(jīng)濟效益。

關(guān)鍵詞：海底管道；穿越航道;堆石保護;挖溝埋設(shè);設(shè)計優(yōu)化

中圖分類號：TE83" " " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）14-0109-05

Abstract： It is a common design method for submarine pipeline protection to dig trenches and bury them deep and cover them with rockfill. By previous rockfill protection methods， a large amount of stone were used， and the result is often too conservative， resulting in a substantial increase in project cost. In this paper， several optimization methods of rockfill protection design are given， and combined with the case of cross-channel submarine pipeline protection， the design of cross-channel submarine pipeline protection scheme is optimized. The economic benefits brought by design optimization are demonstrated through economic evaluation and analysis.

Keywords： submarine pipeline; crossing channel; rockfill protection; trenching and burying; design optimization

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，海上航線日益繁忙，過往船舶對穿越航道的海底管道造成破壞的概率大大增加，海底管道的運行面臨著巨大風險。為了消除這種潛在的危害，工程上常對危險區(qū)域的海底管道進行挖溝埋設(shè)并根據(jù)危險程度覆蓋一定厚度的堆石層進行保護。圖1為典型的堆石保護設(shè)計方案。

如圖1所示，保護方案主要分海床預(yù)挖溝和砂石回填2個步驟。海底管道有時不可避免的要穿越航道，而船舶拋錨是對海底管道安全的巨大威脅。航道交越處寬度通常有數(shù)百米寬，對航道密集區(qū)域甚至可達數(shù)公里，并且管道穿越航道時還要求埋設(shè)寬度為航道寬度的一定倍數(shù)。合理設(shè)計堆石保護斷面可以減少海上挖溝與砂石覆蓋保護的工程量。本文以跨航道海底管道工程實例為背景，對穿越航道的埋設(shè)要求寬度和管溝拋石保護斷面進行優(yōu)化設(shè)計，并對優(yōu)化前后的設(shè)計方案進行經(jīng)濟評價分析。

1" 穿越航道埋設(shè)寬度優(yōu)化

在設(shè)計時，穿越航道的埋設(shè)寬度常取航道交越段寬度的2倍[1]，但有些時候此值是過于保守的，帶來保護工程量的顯著增加。

1）航道通航寬度是依據(jù)JTS 180—3—2018《海輪航道通航標準》計算得出，在計算時，考慮了航跡帶寬度（漂移、船寬）、船舶間富裕寬度和船舶與航道底邊間富裕寬度。航道寬度值已經(jīng)考慮了部分余量，一般情況下船舶并不會偏移航道航行，并且在近海區(qū)域船舶也是不準偏移航道航行的。因此在設(shè)計時考慮管道埋設(shè)寬度取航道交越寬度的2倍是有待優(yōu)化的，特別是對于較寬的航道區(qū)域。

2）海輪航道通航標準中，對穿越航道建筑物、構(gòu)筑物滿足埋設(shè)要求的寬度按以下辦法確定，示意圖如圖2所示。

①軸線不變的限制性航道，其寬度可取規(guī)劃航道寬度的1.2～1.4倍。②在海床或河床穩(wěn)定、航道軸線基本不變的水域，其寬度不應(yīng)小于規(guī)劃航道通航寬度的2～3倍，或不小于自然河寬。③在海床或河床欠穩(wěn)定、航道軸線擺動頻繁的水域，其寬度應(yīng)通過模型試驗研究確定，并應(yīng)覆蓋航道軸線可能變化的范圍。④在通航水域?qū)掗煹乃?，其寬度?yīng)覆蓋全部通航水域的范圍。

以上對埋設(shè)保護要求的寬度值往往過于保守，特別是對于較寬的航道。對于大型航道或航道密集區(qū)域，航道和管道交越寬度有數(shù)公里甚至十幾公里，此時保護范圍取照航道寬度的2倍顯然是不合適的。

在中華人民共和國國土資源部的海底電纜管道保護規(guī)定中，對海底電纜管道保護區(qū)范圍要求的最大值為海底電纜管道兩側(cè)各500 m，一般來說船舶航行是可以限制在左右偏移500 m的范圍內(nèi)。當航道交越寬度大于1 km時，若按照海港設(shè)計規(guī)范取兩倍航道寬度值進行保護，航道交越段單側(cè)額外保護范圍將會大于500 m。某原油進口工程需要建設(shè)一條海底管道，管道路由區(qū)交越某航道，該航道交越寬度為6 km，若按照海港設(shè)計規(guī)范取兩倍航道寬度值進行保護，航道交越段單側(cè)額外保護范圍達到3 km，航道交越段管道埋設(shè)保護寬度有待優(yōu)化。

2" 管道堆石保護斷面優(yōu)化

海底管道跨航道段管道保護常采用預(yù)挖溝拋石保護方式，挖溝工程量和砂石回填量很大程度上由保護斷面設(shè)計決定。在確定了挖溝深度和長度后，如果對挖溝邊坡比和堆石回填面進行設(shè)計優(yōu)化，可減少工程量，節(jié)約成本。

2.1" 邊坡穩(wěn)定性優(yōu)化設(shè)計

目前為止，國內(nèi)外研究中常使用的邊坡穩(wěn)定性評價方法有極限平衡法、數(shù)值分析法和概率統(tǒng)計法。其中極限平衡法是分析評估邊坡穩(wěn)定性最普遍、成熟的方法，是分析天然靜力作用下邊坡穩(wěn)定性的主要方法[2]。該方法是一種定量方法，是采用土力學中極限平衡的概念，由力和力矩的靜態(tài)平衡計算邊坡在極限平衡狀態(tài)下是否穩(wěn)定，進而得到邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)。通過計算多個可能的滑移面及其相應(yīng)的安全系數(shù)，得到最危險滑移面，其中最小的安全系數(shù)對應(yīng)的滑移面為最危險滑移面，示意圖如圖3所示。

文獻JTJ 319—99《疏浚工程技術(shù)規(guī)范》[3]中有對各類土質(zhì)設(shè)計水下邊坡比的推薦值，在缺少資料的情況下可以參考選用。同時在該規(guī)范要求的基礎(chǔ)上，結(jié)合詳細勘察資料可以應(yīng)用極限平衡法等方法綜合分析，確定最優(yōu)化的邊坡比值。

2.2" 堆石回填斷面優(yōu)化設(shè)計

回填石塊可以有效保護管道免受落錨拖錨的危害，回填堆石層厚度主要取決于錨的拖曳運動中錨爪貫入堆石層中的深度，如圖4所示。

2.2.1" 堆石回填層厚度

在錨運動到海床表面水平位置時，錨達到最大抓力，錨爪完全貫入堆石層，堆石層的最小厚度可由下式計算得到

Td=max（Ｈ，Ｚ）＋ＣＬ＋Ｄt

式中：Td為堆石層的最小厚度，m；H為錨爪貫入覆蓋層的深度=DAsinθA-0.5J，m；DA為錨爪長度，m；θA為錨爪和錨柄之間的最大夾角，大抓力錨一般可取45°；J為錨柄寬度，m；CL為錨爪與管道應(yīng)保持的最小間隙，可取0.3 m；Dt為包括涂層在內(nèi)的管道總外徑，m；Z為由于錨的直接沖擊引起的穿透堆石層的深度，m。

對于堆石層，錨爪貫入覆蓋層的深度H一般都大于由于錨的直接沖擊引起的穿透堆石層的深度Z。

該公式計算所得值較保守，可以采用有限元分析軟件進行模擬和縮尺度拖錨“離心”試驗的方法[4]對堆石保護層厚度進行優(yōu)化，確定使得錨在拖曳時偏離原有指向管道的拖曳軌跡所需的最小堆石保護層厚度。

2.2.2" 碎石層和塊石層厚度

拋石保護層分為碎石層和塊石層，碎石層主要起到分散海底管道所受應(yīng)力作用，塊石層起主要的抗錨作用和保證拋石保護層穩(wěn)定的作用。塊石粒徑越大，能有效減少相同力鏈所含顆粒的數(shù)目，提高力鏈的穩(wěn)定性，從而大大提高抗錨害能力[5]。同時塊石粒徑越大，其在波流作用下的穩(wěn)定性越好，拋石保護層有效壽命更長。故在設(shè)計拋石保護層時，在滿足碎石層最小要求厚度值的前提下，適當提高塊石層厚度占堆石層厚度的比例，可以提高拋石保護層的保護能力和使用壽命。

2.2.3" 拋石量優(yōu)化

在設(shè)計時，出于保守考慮在計算得到最小堆石層厚度后往往直接向設(shè)計管溝內(nèi)回填足量碎石和塊石以滿足所要求的堆石保護層厚度，使得所需的回填石方量較大。實際上，管溝底部回填的碎石對拋石保護層抗錨害能力影響不大，故可以先采用粗砂等較石塊便宜的材料回填底部，再進行堆石保護，減少堆石用量。

2.2.4" 管溝底面寬度優(yōu)化

預(yù)挖溝管溝底部寬度應(yīng)考慮鋪設(shè)精度和穩(wěn)定性計算側(cè)向位移的要求，管溝內(nèi)鋪設(shè)一條管道時，管溝底部寬度建議不小于3倍管徑（含配重層厚度），同時要考慮安裝誤差。管溝內(nèi)鋪設(shè)兩條并行管道時，管道間距應(yīng)滿足穩(wěn)定性計算側(cè)向位移的要求，且管道間距不應(yīng)小于1倍管徑（含配重層厚度）。DNCGL—OS—F101《Submarine Pipeline Systems》[6]中規(guī)定了電纜和油氣管道應(yīng)至少保持0.3 m垂向距離。同時GB 50217—2007《電力工程電纜設(shè)計規(guī)范》[7]也規(guī)定了直埋電纜平行于油氣管道時容許的最小間距為1 m，交叉凈距不可小于0.5 m。

2.2.5" 挖溝埋設(shè)施工方式優(yōu)化

預(yù)挖溝埋設(shè)法開挖量大，同時回填量大，對于有大埋深要求的區(qū)域會導(dǎo)致工程量較后挖溝方式大很多。要形成有效的拋石回填結(jié)構(gòu)，需要預(yù)挖管溝。有些區(qū)域航道保護要求埋深較大，但抵御落錨影響所需的堆石層厚度比總埋深小，整體采用預(yù)挖溝的管溝截面積很大，開挖工程費用很高。

后挖溝方法較預(yù)挖溝方法能顯著減少開挖回填工程量，在設(shè)計管溝斷面時，可以考慮先預(yù)挖部分管溝，溝底預(yù)留出后挖溝施工所需的寬度，將管道放置后用后挖溝方式繼續(xù)沉管達到所需的管頂深度，最后分層回填保護。對于航道段埋深較大且需要堆石回填的區(qū)域，采用預(yù)挖溝加后挖溝結(jié)合的挖溝方式能夠有效節(jié)約開挖和回填工程量，管溝斷面示意圖如圖5所示。

3" 案例分析

某原油進口工程需要建設(shè)一條海底管道，管道路由與一航道交越長度達3 km，現(xiàn)對該段交越處的海底管道保護設(shè)計進行優(yōu)化對比分析。

根據(jù)本工程水域船舶調(diào)研情況，設(shè)計代表船型按照30萬噸級油輪考慮，計算分析得到回填塊石層厚度3 m，管頂埋深4 m。

優(yōu)化前方案：交越段保護長度6 km（按照兩倍寬度?。?。溝底部寬度5 m，邊坡比1∶5，碎石層厚度1 m，塊石層厚度2 m，原土回填厚度1 m，管頂埋深4 m，管溝斷面示意圖如圖6所示。

3.1" 優(yōu)化方案1

對交越保護長度優(yōu)化后方案：交越段保護長度4 km（按照兩側(cè)各500 m）。管溝底部寬度5 m，邊坡比1∶5，碎石層厚度1 m，塊石層厚度2 m，原土回填厚度1 m，管頂埋深4 m。

航道交越段保護長度直接減少2 km，整體費用減少三分之一。

3.2" 優(yōu)化方案2

在優(yōu)化方案1的基礎(chǔ)上，對管溝邊坡比和溝底碎石優(yōu)化后方案：交越段保護長度4 km（按照兩側(cè)各500 m）。管溝底部寬度5 m，邊坡比1∶4，碎石層厚度1 m，塊石層厚度2 m，原土回填回填厚度1 m，管頂埋深4 m，管溝斷面示意圖如圖7所示。

3.3" 優(yōu)化方案3

挖溝方式采用預(yù)挖溝加后挖溝方式優(yōu)化后方案：交越段保護長度4 km（按照兩側(cè)各500 m）。管溝底部寬度5 m，邊坡比1∶4，碎石層厚度1 m，塊石層厚度2 m，原土回填厚度1 m，管頂埋深4 m，管溝斷面示意圖如圖8所示。

管溝斷面優(yōu)化前優(yōu)化方案1和管溝斷面優(yōu)化后的優(yōu)化方案2和優(yōu)化方案3工程量及費用對比，見表1。

只優(yōu)化保護長度時，保護長度從6 km優(yōu)化至4 km可以直接減少工程投資三分之一，優(yōu)化顯著。對管溝斷面進行優(yōu)化時，優(yōu)化方案2優(yōu)化邊坡比，并且溝底碎石部分換原土回填，可以優(yōu)化22.8%，節(jié)約2 396.5萬美元投資。優(yōu)化方案3在優(yōu)化方案2的基礎(chǔ)上再采用預(yù)挖溝加后挖溝施工方式繼續(xù)優(yōu)化管溝斷面，總計可以優(yōu)化44.1%，節(jié)約4 628.83萬美元投資。

4" 結(jié)論

本文針對海洋管道堆石保護設(shè)計中存在的設(shè)計方法過于保守，造成保護設(shè)計工程大、投資估算過高等問題，從穿越航道保護寬度和管道堆石保護斷面優(yōu)化2個角度提出了具體的優(yōu)化方法，并給出了優(yōu)化設(shè)計案例。從案例分析結(jié)果可知，本文提出的海洋管道堆石保護優(yōu)化設(shè)計方法，在滿足設(shè)計要求的同時，可大大節(jié)省了工程預(yù)算，對于目前海底管道航道段的埋設(shè)保護費用高的問題提供了解決方向和方法。

參考文獻：

[1] 海輪航道通航標準：JTS 180—3—2018[S].2018.

[2] 閆一彬.南海北部陸坡區(qū)海底邊坡穩(wěn)定性數(shù)值分析[D].遼寧：大連理工大學，2019.

[3] 疏浚工程技術(shù)規(guī)范：JTJ 319—99[S].1999.

[4] 李慶，馬坤明，王鳳蓮，等.穿越航道的海底管道保護設(shè)計抗錨害分析研究[C]//第三屆中國管道完整性管理技術(shù)會議論文集.2012：1129-1134.

[5] 肖鵬.海底電纜拋石保護層抗錨害能力分析[D].湖北：華中科技大學，2012.

[6] Submarine Pipeline Systems：DNVGL—ST—F101[S].2017.

[7] 電力工程電纜設(shè)計規(guī)范：GB 50217—2007[S].2007.