徐圩新区达标尾水排海工程海域管道施工设计与实践

徐聆溪 冉宗信 王其仓 程志刚 姜 万

（1、江苏方洋集团有限公司，江苏 连云港222000 2、江苏方洋水务有限公司，江苏 连云港 222000）

1 工程概况

徐圩新区地处连云港东部沿海，是国务院批准设立的全国沿海七大石化产业基地之一。近年来，受上游善后河、烧香河等排水的影响，徐圩新区水质不容乐观，已难以达标规划的III 类水质标准。同时徐圩新区的河流水系基本在原来的引潮河的基础上改（扩）建而成，河网水系的含盐量较高，微生物难以生长，导致河流的自净能力低下，已无足够环境容量和自净能力容纳达标尾水。此外，达标尾水若排河处理，其水质应经过科学论证，保证在规划年限内新区河流的水质指标能达标，并应征得水行政主管部门的认可，可行性较低。经充分科学论证，徐圩新区达标尾水排海工程于2020 年1 月启动建设，以入海点为界分为陆域管道及海域管道，管道总长约26.12 km，其中陆域管道约3.84 km，海域管道约22.28 km。工程总投资约8.2 亿元。工程位置见图1（a）所示。

图1

海域工程布置设计：

海域工程主要包括顶管工作井和海域排放管道，陆域管道进入12m×8m 宽顶管工作井后采用顶管穿越复堆河和海滨大道，其中陆域部分为顶管工作井至入海点，管道长约400m，海域排放管道以入海点为界全长22279m，包括接陆域部分顶管管线长720m，敷管船敷管长21259m 和扩散管300m。扩散段布置100 根DN110的上升管，每根上升管设置2 只DN65 喷口。海域工程布置图如图1（b）所示。

2 施工方案设计

2.1 排海管敷设方案

本次排海管设计入海穿越现状复堆河底及已建海滨大道海堤，常见穿越方式为架管穿越及顶管穿越[1]，由于架管穿越对现状海滨大道通车影响较大，另从减少海底埋管施工对局部水体中悬浮物量和底栖生物破坏程度及施工便利角度出发，滩涂部分落潮露滩不宜采用开槽埋管法施工，可采用有较大埋深的顶管方案，因此本工程整体采用顶管穿越进入外海。复堆河和海堤走向一致，复堆河内侧原为农田，地形开阔平坦，交通便利，适合作为顶管施工的场地。顶管工作井位于规划复堆河西岸，接收井位于海域侧水深-3.4m 处，顶管段长度1120m（以入海点为界，陆域顶管400m，海域顶管720m），见图2。

图2 顶管示意图

2.2 海域管材及防腐设计

海域管道采用单管排放，管径为DN1400，海域管道材质采用钢管。城市排水用钢管常规选用Q235B 钢板制作，它具有良好的韧性，且管材及管件易加工[2]。对于海域施工，钢管的优点有强度大、硬度高、受外力难以破坏，即使破坏多以瘪管、失圆变形为主、极少破漏、开裂几乎不会整体断裂，抗锚害能力强；管道自身稳定性好，可长时间放在海床表面；对管道上方的回填料的施工方法及重量的要求较低；管道强度大、延性好，可容许的悬空距离长，一般海底地质沉降对管道几乎没有影响。缺点为钢材本身不防腐，需通过内外防腐、阴极保护等措施进行防腐处理。

低碳钢在海水中的平均腐蚀速度为125μm/a，实验和实践都证明，海底金属管道的腐蚀，主要是电化学腐蚀[3]。除耐海水特种金属之外，埋地或海底金属管道的防腐方法主要分为在金属表面涂耐蚀保护层或隔离层、阴极保护法和涂层+阴极保护三种方法。本工程排海管道较长，如单独采用涂层防腐，涂层在涂覆过程中，不可避免地存在毛细孔或漏涂处，而且在安装或使用中易破损，导致腐蚀集中于这些部位。但采用了阴极保护后，便可弥补涂层的不足，二者结合使用是最经济的、最有效的方法，因此采用涂层+牺牲阳极阴极保护方法。

2.3 扩散器设计

扩散器的作用是将污水分散成许多小流体，并要求扩散器的喷口间距以各喷口排出污水在初始稀释过程中相互不重叠为限，在较大面积内扩散，本质上是扩散器将点源排放改变为线源排放，使排放水流与受纳水体充分混合形成稀释水流[4]。扩散器的长度直接影响到近区的稀释效果，影响扩散器的长度的主要因素包括污水排放量、初始稀释度的要求、水深、密度及水动力条件等。根据《污水排海管道工程技术规范》（GB/T 19570-2017）6.12 条，本工程初始稀释度采用100 倍，长度按下式计算：

式中：

Lb——扩散器长度，单位为米（m）；

Q ——污水排放量，单位为立方米每秒（m3/s）；

H ——污水的最大浮升高度，单位为米（m）；

g'——折减重力加速度，单位为米每平方秒（m/s2）

Sc——初始稀释度。

根据测算结果，考虑降低工程费用，扩散器长度Lb采用300m。

3 海域管道施工技术

海域段排放管全长22678.5m，其中放流段总长度为22378.5（包括顶管穿堤段1120m，铺管船施工21258.5m），排海管桩号K01+120-K18+400.0埋设深度为2.0m，桩号 K18+400.0-K22+678.5 埋设深度为2.5m；排海管道扩散段桩号为K22+378.5-K22+678.5 采用“T”型扩散器，总长300m，其上布置有100 根DN110 上升管间距3m 布置，每根上升管设置2 只DN65 喷管，共200 个DN65 橡胶鸭嘴阀。海域铺管工程主要包括：接收井、管道敷设和管道清管试压、海管挖沟、海砂及碎石回填保护、扩散段扩散器安装及保护和附属设施施工六个方面。

3.1 管道铺设

海管由驳船倒运到主作业船堆管区，在起重工的指挥下按操作规程吊装管材。吊装机械采用铺管船主钩进行吊装作业，索具采用吊管专用索具。单管重约7.5t，采用2 根钢丝绳进行吊装，吊装夹角60°。管道焊接等施工均在铺管作业船上完成，铺管作业线由船艏至船艉主要布置7 个作业工位（图3），分别完成管线管口处理、组对、焊接、检验、牺牲阳极安装、防腐等作业内容。

图3 铺管作业线工艺流程

在铺管船作业线首端位置设置牵引机构，能够牵引管线内部的内对口器，再通过Φ19 钢缆的连接管道内防腐机。新管进入作业线后，牵引机构钢缆通过管线内部连接内对口器牵引缆，启动牵引机构将内对口器从C 工位牵引至B 工位，内对口器就位后，即可进行新的一轮流水作业。

管线铺设过程中需满管注水，防止管线上浮[5]。采用管线末端推球式注水，在管线端部安装发球装置，通过法兰将发球装置连接在海管端部。发球装置内预安装聚氨酯泡沫球2 个，外侧连接注水配管（图4）。注水配管根据海管铺设情况进行分段注水，先对a 腔内注水，推动前端聚氨酯泡沫球注入海管内。随管线铺设，海管每铺设12m，向海管内注水18.1m3。

图4 发球装置示意图

3.2 预挖沟施工

预挖沟范围为管道镇墩处以及扩散段基槽开挖。预挖沟采用13m3抓斗船进行开挖。抓斗式抓斗船是利用旋转式挖泥机的吊杆及钢索来悬挂泥斗，在抓斗本身重量的作用下，放入海底抓取泥土，然后开动斗索绞车，通过吊杆顶端的滑轮，将抓斗关闭、升起，再转动挖泥机到开底泥驳将泥卸掉，然后挖泥机又转回挖掘地点，进行挖泥，如此循环作业[6]。开挖的泥土使用1000m3开底泥驳进行运输和卸载，利用泥驳本身的开底结构进行排放控制，待泥土沉放海底时，关闭开底结构，返航继续装载。

3.3 镇墩施工

根据工程特点铺管工序安排，本工程有两处钢制镇墩施工，一处位于155°弯头部位，一处位于直线段。镇墩外部为钢制套箱，利用混凝土将钢管包裹固定在镇墩内，镇墩基础采用抛石基床，厚度1m。镇墩安装前先进行基床施工，由挖泥船进行基槽开挖，放坡1:6，然后由潜水员进行土工格栅铺设，验收完成后，由抛石船进行抛石，然后由潜水员进行碎石找平。镇墩预制完成后，由三航起15 进行吊装，钢制镇墩重量在150 吨左右，由两根钢丝绳从底部困住镇墩，棱角处垫上垫木。镇墩起吊时不准在其上、其下站人，与吊运无关人员隔离镇墩50m 以外。吊离地面20cm，停留10min，经检查无异常情况进行起运。当运至墩位停留，待停止摆动，徐徐下降，对位后入水。由潜水员下水检查安装位置的偏差情况，并进行调整。

3.4 后挖沟施工

后挖沟施工范围为除去预挖沟范围以外的一般段海管埋设。按照“布锚图”在GPS 卫星定位导航系统的引导下，用拖轮将驳船拖带到挖沟起点附近抛锚稳船，然后用抛锚艇按“布锚方案”中的要求，布设挖沟作业母船船8 只移船定位锚。起始锚按八字锚位法布设，每个锚位离管线距离应不小于200m。施工过程中抛锚艇上的人员随时注意是否有流锚现象。挖沟施工典型布锚图如图5 所示。

图5 挖沟船抛锚示意图

调整挖沟机位置，使海管处于挖沟机两个导向柱之间，然后将挖沟机下放到海床面，声纳检测海管是否置于导向柱之内，如声纳显示海管已置于导向柱内，完成挖沟机定位作业。挖沟施工时首先逐步将液压系统压力调节至工作压力。船舶的前进速度和挖沟机的工作压力要根据挖沟监控效果而定，通过剖面声纳实时监控成沟形状，GPS 实时监视挖沟的轨迹，根据施工现场的土壤条件和其它环境因素，调整挖沟机的速度，以适应当地的挖沟环境，使成沟达到质量要求。

图6 挖沟施工示意图

3.5 扩散段施工

本工程排海管道扩散段位全长300m，其上设置有100 根上升管，主要包括基槽开挖、管道垫层、管道铺设、海砂回填、连锁块余排护面等施工，其中基槽开挖46330m3，粗海砂回填。扩散段施工在放流段快施工完成前进行，提前将该段挖泥作业完成，当需要时进行砂垫层及机织布铺设，然后当管道铺设至直角拐弯点时，将扩散段预制的管节分段吊装，潜水配合安装，完成管道铺设后，立即进行海砂回填、连锁块余排护面等施工。

3.6 海砂碎石回填

管道敷设完毕后，上部需回填海砂或者袋装碎石压载。非通航放流段全长19425.5m，管道敷设完成后进行回填海砂处理；通航放流段全长1833m，管道敷设完成后采用袋装碎石压载。海砂回填计划采用定位驳施工，在定位驳一侧设置抛砂导向系统，砂船靠驳方驳另一侧通过传输带将砂送至导管抛砂系统，进行铺砂作业。袋装碎石施工位于通航放流段，采用定位驳施工，运输驳将袋装碎石运至现场，利用运输驳上的履带吊进行袋装碎石的抛填。

4 结论

徐圩新区达标尾水排海工程于2021 年7 月完工，设计排放规模为11.83 万吨/天，主要由调压泵站、陆域管道、海域管道和扩散器四部分组成，排海直径为1.4 米，总长度约26km。其中海域管道长约22km，采用顶管法施工，关键设计及施工难点在于扩散器设计与安装、管道铺设及海管挖沟等。本工程的顺利建成可为徐圩新区国家生态环境部环境综合治理托管服务模式试点工作提供有力支撑，也可为类似海域管线工程提供技术借鉴。