浅谈水利工程海底管道保护方式

游海清

(平潭综合实验区城乡交通与建设运输服务中心，福建 福州 350400)

1 海底管道保护方式

海底管道保护方式分为两方面，第一为海底管道自身的防腐、防破坏的保护措施，主要有防腐涂层、混凝土配重保护层、牺牲阳极等。第二为海底管道在铺设时通过预挖沟或后挖沟形式将海底管道埋设在海床以下，并在管道上方回填砂袋、碎石、块石、混凝土连锁排等覆盖，对管线形成保护，防止因抛锚等外力对管线造成伤害。

本文主要依托福建平潭(一闸三线)工程海坛海峡跨海管道项目，浅析海底管道后挖沟沉管，然后砂袋回填、海工砼沉排覆盖保护的方式。

福建省平潭及闽江口水资源配置(一闸三线)工程由莒口拦河闸、闽江竹岐～大樟溪引水工程、大樟溪～福清、平潭输水工程和大樟溪～福州、长乐输水工程组成。平潭海坛海峡(跨海段)采用海底管道，设计输水流量 8.8 m3/s。主要解决平潭综合实验区供水问题，促进区域经济可持续发展和生态改善的大型水资源配置工程，属于国家重点172工程。跨海段线路总长4.201 km,其中4 根1.2 m 的钢管段长4.029 km， 两端与输水隧洞连接段为单根直径2.8 m钢管段长0.173 km。

2 海底管道后挖沟沉管

管线整体后挖沟使管线沉入沟底，管线后挖沟深度为管顶埋深2.5 m，可以有效保护管线不受外力破坏。管线后挖沟沉管一般采用喷射式后挖沟机进行沉管施工。

作业时挖沟机就位于管线上方，挖沟机启动后，由主作业船通过牵引缆拖拽行走，进行管线后挖沟作业。喷射式挖沟机首先利用前端的中压射水对管线底部及周围泥土进行切割、分块，后由轴流泵产生的大流量喷冲水流，对管线底部及周围泥土进行冲刷，使管线周边土壤液化，液化土溶液一部分随喷冲水流冲出沟外，另一部分由气举装置排出沟外，从而形成管沟。管线在自重的作用下沉入沟中，从而完成沉管作业。挖沟质量及过程控制主要通过监控设备完成，同时结合人工管道埋深调查(图1和图2)。

图1 后挖沟作业示意图

图2 后挖沟沉管典型断面图

3 碎石及砂袋回填覆盖保护

管道上方回填砂袋或碎石用保护管线不以受到锚害、冲刷悬空等，以福建平潭(一闸三线)工程海坛海峡跨海管道项目航道段的碎石及砂袋回填为例，为确保对管线有效的保护需对管顶最小保护层厚度计算分析。主要影响因素有以下几个方面。

3.1 锚害分析

锚在贯穿过程中的主动力主要包括：贯入锚的重量和任何被应用的驱动力。阻力包括作用在锚前断面和侧面的底部和侧向土壤支撑力，以及拖拽力。向上的净阻力使贯入锚做减速运动，直到最终停止。

锚贯穿到海床土壤里的动力行为可以通过如下的牛顿第二定律表达式：

(1)

式中：M为锚在土壤中的有效质量(kg)；W为锚的浮重，等于锚的重力减去浮力(N)；y为锚在土壤中的贯穿深度(m)；v为锚的速度(m/s)；t为锚在土壤中的运行时间(s)；F(v,y)为土壤阻力。

通常情况下，锚落入海床中时，初始时为垂直贯入，当达到最大落锚深度后，随着船舶的惯性行进，锚在海床中的合成运动轨迹一般为抛物线，在锚运动到海床表面水平位置时，锚达到最大抓力。

为了避免锚在拖曳过程中对管道造成损伤，应依据锚在达到海床水平位置时，锚爪在管顶保护层里的贯入深度来确定所需的最小保护层厚度，计算公式如下：

Td=max(H，Z)+CL+DT

(2)

式中：Td为保护层的最小厚度(m)；H为锚爪贯入覆盖层的深度(m)=DAsinθA-0.5J；DA为锚爪长度(m)；θA为锚爪与锚柄之间的最大夹角，一般取45度；J为锚柄宽度(m)；CL为锚爪与管道应保持的最小间隙；Dt为包括涂层在内的管道总外径(m)；Z为由于锚的直接冲击引起的穿透保护层的深度(m)。

本工程附近水域最大通航5 000吨级的船舶,故以5 000吨级船舶为例,按2吨重的霍尔锚计算,锚高约2.2 m,猫爪高度约1.1 m,锚身厚约0.6 m.经计算,管顶最小保护层厚度约0.7 m,考虑一定的富余度,管顶保护层厚度1.3 m,面层采用铺设两层C40海工砼沉排，满足安全要求。

3.2 潮流冲刷分析

3.2.1 计算公式及基本原理

本次数学模型采用丹麦的MIKE软件，该软件能够较好的模拟海湾、海洋近岸、河口、河道等区域的潮流运动形态。

水流运动方程

连续方程

(3)

(4)

N-S方程

X方向：

(5)

(6)

Y方向：

(7)

(8)

式中：H为水深，H=h+ξ，其中ξ，h分别为水位和水深；p，q分别为x，y方向上的流通通量；C为谢才系数；g为重力加速度；f为科氏力系数；ρ为水的密度；W，Wx，Wy为风速在x，y上的分量；fw为风阻力系数；τxx，τxy，τyy为有效剪切力分量。

应用有限体积法(FVM)进行积分离散并利用通量的坐标旋转不变性，把二维问题转化成一系列局部的一维问题进行求解，采用通量差分裂格式(FDS)计算各跨单元的水量与动量通量。

守恒形式的平面二维浅水方程组可写成如下的向量形式：

式中，q=[h，hu，hv]T为守恒物理量；

(9)

f(q)=[hu，hu2+gh2/2，huv]T为x向通量；

g(q)=[hv，hv2+gh2/2，huv]T为y向通量；

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

对上式在控制体积上积分，得到控制体单元的积分方程，再对此积分方程运用高斯散度定理，化为沿线控制单元周线的线积分，最终写成离散形式可得：

3.2.2 定解条件

(10)

1)初始条件

初始水位值根据各测站实测值水位值，进行线性插值，初始流速值设为0。

2)边界条件

陆边界： Qn=0 法线方向流量为零

水边界： 以实测潮流量过程为边界条件。

动边界：部分地区的干湿循环变化，可根据本单元及相邻单元的水力条件来计算。在单元变干的过程中，有水的单元通过流量(即单元边质量通量)向四周邻近单元传输水量逐步变成半干单元，当单元内水深小于指定的极小阈值后成为完全的干旱单元。反之，在单元变湿的过程中，干旱单元由于周边邻近单元来水流量而逐步变成半干单元，当单元内水深大于另一指定的阈值后成为完全的湿单元。

当某一单元处于完全干旱状态，该单元不参加计算；当单元为半干旱状态，则根据水量平衡及简化的动量平衡方程进行计算；当单元为完全湿单元时，应用完整的黎曼近似解来求解方程组。

3.2.3 模型建立

综合考虑本工程区域潮流特性、泥沙冲淤模拟分析的精度及计算时长等因素，本项目拟用网格嵌套形式开展工程区域水动力形态及泥沙冲淤变化分析。根据目前收集到的实测海洋水文资料，实测测站(如梅花潮位站、平潭潮位站、崇武潮位站)和测点(福清海坛海峡10船同步实测点)距离本工程较远，为保障模型计算分析的准确性，需进行模型验证分析工作，且根据规范规定模型边界应选取在水流均匀、冲淤平衡的断面位置，由于海坛海峡周边岛屿多、地形起伏大，断面水流分布严重不平衡，难以作为模型边界，故需一个包含外海的大范围模型。而为使数据精确化，整个区域数据精度又跟网格划分程度紧密相关，故需一个工程区域附近的小范围模型。

本工程大范围数学模型为：福建宁德至莆田平海湾段，如图3所示，二维模型单元数约85 000个，节点数约46 000个。最小网长度格长设计为20 m。小范围数学模型为：海坛海峡北部入口至南部入口，二维模型单元数约48 000个，节点数25 000个。最小网格长度设计约为6 m，以保证模型具有良好的计算精度，模型计算范围及地形情况如图所示。工程区铺设海底管道时面上有砼沉排覆盖时，设置为不可冲刷区，其他工程区域附近根据地质勘查报告均设置为中值粒径0.13 mm。

潮流模型计算大范围及地形情况图 潮流模型计算小范围数学模型图

3.2.4 计算工况

从工程安全角度出发，选择最不利计算工况，见表1。

表1 计算工况表

3.2.5 计算结果

该段桩号海管面层海工砼沉排防护措施实施后，对工程偏安全考虑，选取冬季大潮、平潭多年平均潮位(0.37 m)、极端高潮位(4.59 m)和极端低潮位(-4.06 m)四种不利工况。主要出现冲刷趋势的位置有：沉排北侧区域，冲深不大于0.44 m。沉排东北侧冲深不大于0.48 m。沉排西偏南侧冲深不大于0.35 m。沉排南侧冲深不大于0.25 m。沉排南侧范围内的冲刷区域虽然距离较近，但冲深几乎都小于0.3 m。防护措施实施后，沉排周围基本逐渐呈淤积趋势。从长期来看，冲淤程度尚未对工程造成实质影响，且工程防护措施在垂向尺度比较小，在海流长期往复作用下，变化幅度由大变小，最终达到冲淤平衡。以上四种不利工况计算结果表明工程措施是满足要求的。

因此平潭海管项目航道段采用砂袋回填、碎石回填后覆盖混凝土连锁排进行海管保护。

4 碎石及砂袋回填施工工艺

碎石回填时，在海底管道悬空处上方采用抛沙船及导向漏斗进行碎石回填，对管线管线进行有效覆盖，通常在碎石回填后在管线上方进行混凝土连锁排进行覆盖，从而更好的达到对管线保护的目的(图4)。

图4 碎石回填工具示意图

砂袋回填一般采用机械方式或潜水员进行砂袋码放回填，回填后可在管线上方进行混凝土连锁排进行覆盖，从而更好的达到对管线保护的目的。

砂袋回填采用定位船上配置挖掘机抛填施工。定位船定位采用八字抛锚，单边抛锚长度约150 m。

装载船停靠定位船，定位船上挖掘机将砂袋卸于管沟内。

抛填砂袋高程通过船载自带测深仪及人工打水坨进行双重控制，对于不符合设计要求的部分进行局部补抛(图5)。

图5 砂袋抛填示意图

5 混凝土连锁排覆盖施工工艺

碎石回填及砂袋回填后采用混凝土连锁排覆盖进一步保护管线安全。

混凝土沉排采用C40海工砼，砼预制块规格400 mm×400 mm×160 mm(长度×宽度×厚度)；砼连锁块预制时应将丙纶绳在砼块体间打结，并将丙纶绳置于砼块中间。混凝土沉排基布由500 g/m丙纶长丝机织土工布与150 g/m涤纶无纺布针刺复核而成，排体基本宽度18 m。沉排施工采用专业的铺排船舶，能够高效准确的将沉排铺设至设计区域，其施工流程见图6。

图6 沉排施工流程示意图

6 结语

我国沿海岛屿众多，海底管道将随着社会的发展将会在水利工程得到更广泛的应用，海底管道保护也将是一个重要的课题。平潭海管项目的顺利实施，验证了海底管道后挖沟沉管与回填覆盖的保护方式的可行性。