拋石法在澀寧蘭復線凹岸治理中的應用

王洪波，刑貴先，孟獻強，侯林強

1.中國石油天然氣管道工程有限公司，河北廊坊065000

2.中國石油天然氣管道局，河北廊坊065000

3.中油管道建設工程有限公司，河北廊坊065000

拋石法在澀寧蘭復線凹岸治理中的應用

王洪波1，刑貴先2，孟獻強2，侯林強3

1.中國石油天然氣管道工程有限公司，河北廊坊065000

2.中國石油天然氣管道局，河北廊坊065000

3.中油管道建設工程有限公司，河北廊坊065000

為解決澀寧蘭復線河道凹岸處管道敷設問題，提出三種方案并進行了對比，最終采用拋石法進行凹岸處管道防護。根據河流最大流速，確定了拋石的最小粒徑。在保護管道的基礎上，采用漿砌石擋墻加素土的方法，不僅有效保護了管道，也保護了岸邊公路。多年的正常運行表明，拋石法對于處理凹岸處管道穿越是一種有效、可靠的方法。

管道設計；拋石法；凹岸地區；沖刷

隨著管道行業的蓬勃發展，管道的設計壓力、鋼級和口徑大幅度提高，工作環境也由傳統的平坦地區向惡劣的環境（高地震烈度區、凍土區、滑坡地帶、不良地質條件地區）不斷擴展，在這種情況下，對于惡劣的管道路由，需要有新的設計手段和施工方案作為施工的依據和保障，以滿足現場工程的需要。

河道凹岸處管道敷設，作為管道在受限條件下的一種敷設工況，需要采用新的設計手段和施工方法來進行處理。在凹岸治理中，凹岸沖刷不僅影響岸堤以及周邊土體的穩定性，而且也會影響管道的安全。本文結合澀寧蘭復線AK184湟水河凹岸防護工程，提出了基于拋石法的地基和邊坡治理方案，并對拋石粒徑和施工方案的確定進行了探討和研究。

1　工程概況

澀寧蘭復線AK184-AK187段位于青海省民和縣磨彎子村東，為低中山地貌，山勢較陡峻，沖溝、陡坎發育，梁卯地形明顯，植被覆蓋率30%～50%，主要以草地為主。該段地層為第三系粉砂巖，紫紅色，強風化～中風化，土石工程分級Ⅳ～Ⅴ級。

該段線路社會依托和交通便利，施工作業帶距離川下公路僅有十幾米，為施工作業的開展和設備管材的調配提供了便利條件。澀寧蘭復線在2008年6月定線，當時該段山腳到河道的最小距離可達28.9 m，在設計中滿足現場施工的要求[1]。

AK184-AK187段拍攝于湟水河彎道處，由于設計使用的航拍圖為2008年初，但2008年10月的一場大雨使該處的地形發生了變化（如圖1～2所示），川下公路在山體滑坡和河道凹岸沖刷的作用下，發生了大面積塌方，原敷設在公路邊坡內的一條混凝土水管道在坍塌中已經損壞（如圖3所示）。

圖1　原地貌塌方處示意

圖2　現場地形現狀

圖3　公路邊坡以及邊坡下水泥管損壞示意

AK184-AK187段山體主要是由強風化的粉砂巖夾雜3～5 m厚的卵石層組成，在水蝕作用下山體已經極不穩定，隨時有滑坡的危險。2008年10月的山體滑坡導致公路受損，路邊坡內的水管破碎，使得公路邊坡縮小近10 m，若再次發生山體滑坡將會直接影響管道的安全，加之該處河道逐漸向公路一側沖刷，施工和后期運營都存在很大的安全隱患。

2　方案分析

由于洪水凹岸沖刷，導致公路邊坡塌方，地方公路部門已明確通知，不允許在AK184-AK187段沿山體坡腳敷設管道；另外，公路在河道凹岸沖刷的作用下，隨時都有滑坡的可能性。若在此段施工，重型設備的碾壓和振動就更容易導致公路滑坡，因此，該段管道路由需進行改線處理。

通過現場踏勘，提出了三個整改方案：繞山改線方案、定向鉆方案和拋石方案。

2.1方案一（繞山改線）

該方案是管道在AK180處不穿過川下公路，而是一直向東穿過新建的工業園進場道路，沿著山溝敷設（見圖4）。到了山上地勢比較開闊、平坦的路段，可以穿過老管道一直向東敷設，然后再沿著東側山溝向下，一直穿過公路，連到原線路上。該方案可以避開河道改道和滑坡體的威脅，并且不占用公路部門的路基，大大降低了施工難度，還可少穿2次公路，降低了工程成本。該方案除了下山處采取溝下焊接的施工方式，其他均可以采取溝上焊接，施工和焊接難度不大。但該方案通過民和縣的新建工業園區邊緣，需要得到有關部門的許可方可實施，且需在上山、下山處增設一定量的水工保護措施，來保證管道的安全。

圖4　各方案示意

2.2方案二（定向鉆）

此方案是將AK187+1向東40 m附近作為定向鉆的入土點，貼著公路與河道中間處穿過，然后從AK184附近出土，定向鉆的水平長度約487.5 m。此方案不僅可以成功地避開河道和滑坡風險，而且不占用公路邊溝和路基。此方案施工措施簡單，且施工難度較小，也少穿了2次公路。但該方案需要重新對該穿越處湟水河進行地質勘探，以確認該處是否滿足定向鉆要求，若不滿足，該方案將無法實施。

2.3方案三（拋石）

該方案是在塌方區進行拋石處理，平整出一條可以施工的作業面，并進行碾壓處理，以保證基礎的承載力和穩定性；在管道的外側修筑擋墻，以保證回填土的穩定性。該方案可以對管道、河道和岸邊公路進行綜合治理。

繞山改線方案由于管道進入了民和縣的新建工業園區邊緣，雖與地方國土局協調，該方案未被通過。定向鉆方案在現場的定向鉆入土、出土點位置做了兩個選址性鉆孔，現場地勘結果表明，在地表下1.5 m存在厚度為7～9.5 m的卵石層，卵石粒徑較大，定向鉆風險較大。拋石方案施工簡單，不僅可以保護管道而且還可以保護岸邊的公路，且經過經濟比選，施工費用較低。因此，選用拋石方案。

3　拋石防護方案

拋石法在長輸管道防護設計中應用較少，但在水利工程中經常使用。拋石法是指通過機械或人工拋投塊石、卵石等人工或天然石料，在指定的區域內堆砌形成符合設計要求的結構體，并使之具有某種特定功能的一種施工方法。

拋石法最普遍的應用方式是各類堤岸的基腳防護，即拋石保護堤腳。拋石保護堤腳是采用拋石法對岸坡的下部分進行防護，增強基腳的抗沖刷能力，達到護岸的效果。

3.1拋石法工程特性

拋石的環境、工程特性主要包括六個方面[2]：

（1）拋投施工簡單，利用塊石自重置于水中，可實施人工與機械并舉施工。

（2）具有可變形性，并且對被保護的堤岸坡有極大的相容性，同時拋石具有一定的自愈能力。

（3）具有很高的水力糙率，可減少波浪雨水流的沖刷作用。

（4）便于維修，且對維修技術要求較低，維修費用也較低。

（5）具有耐久性，在同等經濟指標下，塊石比水泥和土工合成物等材料壽命長；即使是鋼材，其強度雖高于塊石，但是在水下不做防銹保護，其耐久性也難與塊石相比。

（6）塊石不存在環境污染問題，包括對水體、空氣與被加固的介質結構的侵蝕、腐蝕和毒害等。這一特點是拋石法歷久不衰沿用至今的關鍵所在。

3.2塊石粒徑計算

塊石穩定尺寸主要與水流流速、水流的紊動程度、塊石密度、塊石所在位置等有關。在實際工程設計中，塊石粒徑的確定還應考慮適當的穩定安全系數[3-6]。

利用塊石作為河底和水下岸坡的防護層，根據國內外一般規定，其厚度不應小于2倍設計中值粒徑。考慮拋石護岸工程基本都在水下拋石施工，受定位精度和水流作用影響，防護層的均勻性不易控制，因此，防護層的設計厚度應根據工程的重要性、施工方法、拋石部位的水深及流速等綜合因素考慮確定，一般可采用2～4倍折算粒徑。

根據GB 50286-2013《堤防工程設計規范》[7]中有關抗沖粒徑計算公式確定塊石粒徑。

在水流作用下，防護工程護坡、護腳塊石保持穩定的抗沖刷粒徑（折算粒徑）可以按照公式（1）來計算：

式中：d為折算粒徑（按球型折算），m；V為水流流速，m/s；C為石塊運動的穩定系數，水平底坡C=0.9，傾斜底坡C=1.2；g為重力加速度，m/s2，取9.81m/s2；rs為石塊的密度，kg/m3，可取2.65×103kg/m3；r為水的密度，kg/m3，取1×103kg/m3。

根據相關部門提供的水文資料，澀寧蘭復線AK184-AK187段湟水河百年一遇的水位為8.49 m，流速為4.07 m/s。根據式（1），當V=4.07 m/s，可計算得d=0.34 m，因此，從實際出發，為了確保施工質量，要求拋石粒徑不小于40 cm，強度不小于MU30，嚴禁使用風化石。

3.3拋石法設計方案

該方案中管道在AK184處不穿越川下公路，而是沿著公路邊直接向東敷設到湟水河邊。拋石設計方案見圖5。

圖5　拋石方案示意/m

（1）在西側靠近公路塌方的湟水河內拋石，石塊大小控制在40～50 cm之間，石塊選用強度不小于MU30的硬質塊石，嚴禁使用風化石，拋石厚度控制在高出水面約1～1.5 m為宜，寬度為距公路邊坡向里18 m，拋石必須要盡量碾壓密實，以增強基礎的承載力。

（2）然后采用石籠對拋石外緣進行護底處理，保證拋石體的穩定性。石面平整后，在距離拋石邊緣靠近湟水河端3 m的位置砌筑2 m高的漿砌石擋墻[8]，長度約150 m。

（3）在上面鋪一層直徑10～20 cm左右的小石塊（卵石），用C20混凝土灌縫，并在石面上形成一層20 cm厚的混凝土面。

（4）待混凝土硬化后在擋土墻內側混凝土層上首先鋪30～40 cm厚的細土，在細土上面進行管道焊接作業。

（5）待管道焊接完畢將擋墻內用土回填夯實，夯實系數不小于0.85，并保證管道周圍30 cm內回填細土。

（6）從擋墻頂部向公路邊坡修整一個大約1∶5的坡面，對背土進行平整，也便于雨水的排放。

澀寧蘭復線AK184-AK187段的拋石方案成功解決了凹岸處管道橫穿河道的難題，該方案不僅治理了河道，也保護了岸邊的公路。該項目2009年11月完工，在2013年的設計回訪中觀察到，該處河道凹岸的沖蝕作用沒有對坡腳造成損壞（見圖6），也驗證了該方案的可靠性。

圖6　竣工后回訪現場

4　結束語

拋石方案將拋石法引入管道設計中，并進行了改進和完善，為特殊地區的管道設計提供了依據。創新點如下：

（1）首次在凹岸橫穿河道處采用拋石法進行地基鋪設。

（2）在計算中根據河道的搬運能力，確定了最小的塊石粒徑。

（3）防護方案中充分考慮河道、公路和管道的治理，做到了一個方案解決三方面的問題。

該方法已經成功應用于澀寧蘭復線項目上，可為以后類似的管道設計提供新的設計手段和技術支持。

[1]GB 50251-2015，輸氣管道工程設計規范[S].

[2]陶亦壽，譚界雄.拋石法[M].北京：中國水利水電出版社，2006．

[3]張明光.拋石護岸工程設計中塊石粒徑的確定[J].人民長江，2003，34（2）：24-25.

[4]趙搏天，胡應娜.拋石護岸設計方法簡析[J].黑龍江水利科技，2009，37（4）：301-302.

[5]孫青，余承龍，馮曉偉.局部拋石用于深水海底管道懸跨治理研究與應用[J].石油工程建設，2016，42（2）：14-19.

[6]亨普希爾.河渠護岸工程（方案選擇及設計導則）[M].北京：中國水利水電出版社，2001．

[7]GB 50286-2013，堤防工程設計規范[S].

[8]SY/T 6793-2010，油氣輸送管道線路工程水工保護設計規范[S].

Application of Riprap Method in Concave Bank Area in Se-Ning-L an Second Gas Pipeline Project

WANG Hongbo1，XING Guixian2，MENG Xianqiang2，HOU Linqiang3
1.China Petroleum Pipeline Engineering Corporation，Langfang 065000，China
2.China Petroleum Pipeline Bureau，Langfang 065000，China
3.China Petroleum Pipeline Construction Corporation，Langfang 065000，China

In order to solve the laying problem of pipeline crossing concave bank area in Se-Ning-Lan Second Gas Pipeline Project，several schemes are compared and the riprap method is applied to protect pipeline in concave bank area.The minimum stone diameter is determined according to the maximum flow velocity.On the basis of pipeline protection，the method of masonry retaining wall with compacted soil has been applied，and it protects not only the pipeline but also the road nearby the river.As per normal operation within several years，it is shown that the riprap method is an effective and reliable way to protect pipeline crossing in concave bank area.

pipeline design；riprap method；concave bank area；scour

10.3969/j.issn.1001-2206.2016.05.008

王洪波（1977-），男，吉林梨樹人，高級工程師，2005年畢業于大連理工大學力學專業，碩士，主要從事國內外管道設計、管道水工保護和管道應力分析方面的研究工作。

Email：wanghongbo@cppe.com.cn

2016-05-12；

2016-06-01