浅谈石亭江穿越管道在河道内埋深的研究方法

刘 力（中国石化股份有限公司西南油气分公司油气销售中心，四川德阳618000）

浅谈石亭江穿越管道在河道内埋深的研究方法

刘 力（中国石化股份有限公司西南油气分公司油气销售中心，四川德阳618000）

本次石亭江φ711天然气管道穿越长度511.06m，属大型穿越工程，其防洪标准为P=1%（100年一遇）。为保证深埋河道天然气管道能达到其设计寿命，防止恶劣气候形成的特大洪水冲刷河床，甚至冲断天然气管道，需对深埋河道的天然气管道进行埋深计算和校核。针对管道布置对穿越河段进行论证与评价，预测河道、河势演变趋势；利用高景关水文站实测水文资料及工程河段实测1/1000带状地形图及1/200实测水文大断面图，评价了穿越河段上下游地区的防洪安全带给天然气管道的影响，通过计算确定了管道的埋深。

防洪标准；气象气候；地质条件；河势演变；冲刷深度

1 石亭江穿越概况

本次石亭江穿越管段属于新场-天府新区输气管道一期工程，管径为φ711×11。石亭江穿越位于广汉市金轮镇与德阳市旌阳区天元镇交界位置，河流穿越等级为大型，采用大开挖方式穿越石亭江，管道接点之间水平长度501.77m，管道实长511.06m。

图1 石亭江大开挖穿越平面图

1.1 穿越段河床结构

石亭江江水主要在主河道的中间位置通过，河面河道的宽度约150m，河流主槽水最深约3.35m。据现场调查，最高洪水位约499.12m。场地地貌单元为河流堆积河谷。穿越区河床表层可见第四系冲洪积层。其微地貌主要为石亭江河床、低漫滩、高漫滩、一级阶地。

1.2 地质条件

根据岩土工程勘察报告显示，穿越场地在勘察深度范围内地层岩性为第四系全新统冲洪积（Q4al+pl）和上更新统冲积、冰水沉积（Q3fal），岩性主要为砂砾卵石层，地质勘察未揭露基岩。

2 天然气管道穿越石亭江河道的埋深确定方法研究

2.1 对天然气管道穿越石亭江河道水面线的影响分析

以石亭江穿越下游900m的CS-1断面作为河段水面线推求的起始断面，穿越工程洪水水面线计算河道长约1800m，共布置7个水文大断面，采用天然河道水流能量方程推算河道水面线（见表1）。

由表1可以看出，现状情况下，石亭江穿越工程遭遇P= 1%洪水时，穿河轴线位置水位为499.11m；遭遇P=5%洪水时，轴线位置洪水水位为497.92m。由于穿越工程采用暗埋方式穿越石亭江，不侵占河道行洪断面，不会产生壅水。

2.2 石亭江流域冲刷与淤积分析计算

2.2.1 河道冲刷计算

河道冲刷计算参照公路和铁路部门相关研究成果，运用《公路工程水文勘测设计规范》（JTJ062-2002）推荐的64-1修正式进行计算。

表1 石亭江穿越工程河段现状水面线成果

式中：Hp——桥下一般冲刷后的最大水深（m）；

Ad——单宽流量集中系数，当Ad＞1.8时，Ad取1.8；

Bz——造床流量下河槽宽度（m）；

Hz——造床流量下的河槽平均水深（m）；

Qp——频率为p%的设计流量（m3/s）；

Q2——桥下河槽部分通过的设计流量（m3/s）；

Qc——天然状态下河槽部分设计流量（m3/s）；

Qt1——天然状态下桥下河滩部分设计流量（m3/s）；

μ——桥墩水流侧向压缩系数；

Bcj——河槽部分桥孔过水净宽（m）；

Hcm——河槽最大水深（m）；

Hcq——桥下河槽平均水深（m）；

E——与汛期含沙量有关的系数；

d——河槽泥沙平均粒径（mm）。

石亭江穿越工程轴线100年一遇洪水一般冲刷深1.97m，20年一遇洪水一般冲刷深1.58m。

石亭江穿越工程轴线100年一遇洪水一般冲刷深1.97m，20年一遇洪水一般冲刷深1.58m。

2.2.2 对堤防工程的冲刷计算

穿越工程将穿越石亭江左、右岸已成堤防，考虑到穿越堤防时埋置深度需求，对堤防平行水流的局部冲刷进行了复核计算。其冲刷深度按《堤防工程设计规范》（GB50286-2013）中D.2.2-1公式进行计算：

式中：Hs——局部冲刷深度，m；

H0——冲刷处的水深，m；

UCP——近岸垂线平均流速，m/s；

UC——泥沙起动流速（m/s），对于粘性和砂质河床采用张瑞瑾公式计算：

对于卵石的起动流速采用长江科学院的起动公式计算：

式中：d50——泥沙中值粒径（mm）；

γS、γ——分别为泥沙及水的重度（kN/m3）。

对于顺坝及平顺护岸冲刷深度按下列公式计算：

式中：U——行近流速；

η——水流流速不均匀系数，根据水流流向与岸坡夹角查表采用。

结合工程河段河床质基本情况，工程河段顺河堤防段100年一遇局部冲刷深度为 2.53m、20年一遇局部冲刷深为1.56m。

根据堤防工程设计规范，100年一遇洪水总冲刷深度为100年一遇洪水一般冲刷深度+100年一遇局部冲刷深度。

工程河段100年一遇总冲刷深度4.6m （一般冲刷深度1.97m+局部冲刷深度2.53m），石亭江穿越工程穿越石亭江右岸堤基础时，管道轴线设计高程为481.5m，管顶设计高程为482.3m，堤防轴线处现状河底高程为496.2m，埋深在14.0m以上，且上部有稳管措施，设计管线埋深满足要求；石亭江穿越工程穿越石亭江左岸拟恢复堤基础时，管轴线设计高程为481.5m，管顶设计高程为482.3m，深泓线高程为490.4m，埋深在8.1m以上，扣除100年一遇洪水最大冲刷深后还有3.5m，且上部有稳管措施，管线设计埋深满足要求。

2.3 穿越工程建成后河势的影响分析

2.3.1 纵向稳定指标的计算

河床的纵向稳定程度取决于水流对泥沙的作用力与河床泥沙抵抗力之间的对比关系，纵向稳定指标的一般计算公式为：

式中：φ——表示河床纵向稳定的系数；

J——表示河段平均比降（‰）。

纵向稳定系数φ值愈大，则泥沙运动愈弱，河床愈不易变形，河床纵向愈稳定；反之，φ值愈小，则泥沙运动愚强，河床愈易变形，河床纵向愈不稳定。经计算，该河段纵向稳定系数为14.3，计算结果表明，工程所在河道，河床冲淤变幅较小，河道稳定性较好。

2.3.2 横向稳定指标计算

河床的横向稳定程度与河岸土的抗冲能力密切相关，其次与滩槽高差也有关。根据实测资料的分析表明，河床的宽深关系对河岸相对抗冲能力关系很大，可用下列河相关系表示河床横向稳定程度。

式中：ζ——横向稳定系数；

B——表示造床流量下的水面宽，m；

ζ——也称断面河相系数，其值愈大，河槽愈宽浅，河床稳定程度愈差。

经计算，工程河段纵向稳定系数为14.3，横向稳定系数为7.6，参照国内其它河道计算成果，工程河道纵向较稳定，河道纵向变化不大；河段横向稳定性较好，主要表现为河道深泓线小幅度摆动。

石亭江穿越工程不侵占河道行洪断面，工程建成后不会改变河道的演变趋势，河道演变仍表现为河道纵向上的缓慢下切及横断面上的深泓线小幅度摆动。

3 综合分析

3.1 穿越工程建成后对河段泄洪影响分析

本工程不侵占河道行洪断面，不会在河段形成壅水，因此仅对工程河段现状安全行洪能力进行分析。

根据河道水面线计算成果，结合本工程河段一级阶地分布高程，评价河段左、右岸现已建成堤防堤顶高程500.1～502.2m，河段100年一遇洪水位在498.20～500.04m之间，河段20年一遇洪水位在497.28～498.57m之间，经分析，考虑1m堤顶安全超高后，工程河段现状安全行洪能力远大于3260m3/s，大于20年一遇标准，基本达到100年一遇标准。

3.2 穿越工程建成后对堤防基础的影响

工程所处河段堤防建成于20世纪90年代，下部为混凝土面板堤，堤高6.1～8.5m，粉质粘土、卵石等堆积、压实填充而成并用水泥进行浆砌，迎水面边坡坡度近1：0.5～1：1.0，现状堤基埋深仅为1.3m。管线埋深满足要求穿越工程与已经堤防基础立交，从现状堤防基础以下约10m处穿越石亭江，两岸岸坡处采用热煨弯头（曲率半径R=6D）组装上岸，埋置于堤身内部，工程建成后不会对堤防基础产生影响，但会因为管道建设破坏部分堤段，需要进行恢复。

石亭江穿越工程管道上岸堤后回填原料，并进行夯实，夯实系数不小于0.85，对于破坏的岸堤按照原位置原坡度进行理坡，坡面结构形式自下而上依次为原料回填夯实、M7.5水泥砂浆固坡，厚50mm、C20混凝土厚200mm；坡底设C20混凝土马道，宽2m。东侧阶地上田坎采用采用M7.5水泥砂浆砌石挡土墙及护坡进行防护。

4 结论

石亭江穿越工程位于位于广汉市金轮镇与德阳市旌阳区天元镇交界位置，该河段河槽宽度在300～500m之间，大于规范规定的200m，其防洪标准为P=1%（100年一遇）。

经过分析计算，穿越处河段100年一遇局部冲刷深度为2.53m；工程河段100年一遇总冲刷深度4.6m。本穿越工程河槽部分管道设计底部高程为 481.5m，设计管顶高程为482.3m，河流各横断面最大水深点的连线-深泓线高程为490.4m，设计埋深在8.1m以上，扣除最大冲刷深后还有3.5m，超过规范要求的1.0m，工程自身是安全的。

[1]《油气输送管道跨越工程设计规范》（GB50459-2009）.

[2]《水利水电工程设计洪水计算规范》（SL 44-2006）.

[3]《油气输送管道穿越工程设计规范》（GB50403-2007）.

TV672.2

A

2095-2066（2016）35-0117-02

2016-12-3

刘 力（1982-），男，工程师，本科，主要从事油气田地面工程建设管理和长输管道生产运营维护的相关工作。