徐圩新區達標尾水排海工程海域管道施工設計與實踐

徐聆溪 冉宗信 王其倉 程志剛 姜 萬

（1、江蘇方洋集團有限公司，江蘇 連云港222000 2、江蘇方洋水務有限公司，江蘇 連云港 222000）

1 工程概況

徐圩新區地處連云港東部沿海，是國務院批準設立的全國沿海七大石化產業基地之一。近年來，受上游善后河、燒香河等排水的影響，徐圩新區水質不容樂觀，已難以達標規劃的III 類水質標準。同時徐圩新區的河流水系基本在原來的引潮河的基礎上改（擴）建而成，河網水系的含鹽量較高，微生物難以生長，導致河流的自凈能力低下，已無足夠環境容量和自凈能力容納達標尾水。此外，達標尾水若排河處理，其水質應經過科學論證，保證在規劃年限內新區河流的水質指標能達標，并應征得水行政主管部門的認可，可行性較低。經充分科學論證，徐圩新區達標尾水排海工程于2020 年1 月啟動建設，以入海點為界分為陸域管道及海域管道，管道總長約26.12 km，其中陸域管道約3.84 km，海域管道約22.28 km。工程總投資約8.2 億元。工程位置見圖1（a）所示。

圖1

海域工程布置設計：

海域工程主要包括頂管工作井和海域排放管道，陸域管道進入12m×8m 寬頂管工作井后采用頂管穿越復堆河和海濱大道，其中陸域部分為頂管工作井至入海點，管道長約400m，海域排放管道以入海點為界全長22279m，包括接陸域部分頂管管線長720m，敷管船敷管長21259m 和擴散管300m。擴散段布置100 根DN110的上升管，每根上升管設置2 只DN65 噴口。海域工程布置圖如圖1（b）所示。

2 施工方案設計

2.1 排海管敷設方案

本次排海管設計入海穿越現狀復堆河底及已建海濱大道海堤，常見穿越方式為架管穿越及頂管穿越[1]，由于架管穿越對現狀海濱大道通車影響較大，另從減少海底埋管施工對局部水體中懸浮物量和底棲生物破壞程度及施工便利角度出發，灘涂部分落潮露灘不宜采用開槽埋管法施工，可采用有較大埋深的頂管方案，因此本工程整體采用頂管穿越進入外海。復堆河和海堤走向一致，復堆河內側原為農田，地形開闊平坦，交通便利，適合作為頂管施工的場地。頂管工作井位于規劃復堆河西岸，接收井位于海域側水深-3.4m 處，頂管段長度1120m（以入海點為界，陸域頂管400m，海域頂管720m），見圖2。

圖2 頂管示意圖

2.2 海域管材及防腐設計

海域管道采用單管排放，管徑為DN1400，海域管道材質采用鋼管。城市排水用鋼管常規選用Q235B 鋼板制作，它具有良好的韌性，且管材及管件易加工[2]。對于海域施工，鋼管的優點有強度大、硬度高、受外力難以破壞，即使破壞多以癟管、失圓變形為主、極少破漏、開裂幾乎不會整體斷裂，抗錨害能力強；管道自身穩定性好，可長時間放在海床表面；對管道上方的回填料的施工方法及重量的要求較低；管道強度大、延性好，可容許的懸空距離長，一般海底地質沉降對管道幾乎沒有影響。缺點為鋼材本身不防腐，需通過內外防腐、陰極保護等措施進行防腐處理。

低碳鋼在海水中的平均腐蝕速度為125μm/a，實驗和實踐都證明，海底金屬管道的腐蝕，主要是電化學腐蝕[3]。除耐海水特種金屬之外，埋地或海底金屬管道的防腐方法主要分為在金屬表面涂耐蝕保護層或隔離層、陰極保護法和涂層+陰極保護三種方法。本工程排海管道較長，如單獨采用涂層防腐，涂層在涂覆過程中，不可避免地存在毛細孔或漏涂處，而且在安裝或使用中易破損，導致腐蝕集中于這些部位。但采用了陰極保護后，便可彌補涂層的不足，二者結合使用是最經濟的、最有效的方法，因此采用涂層+犧牲陽極陰極保護方法。

2.3 擴散器設計

擴散器的作用是將污水分散成許多小流體，并要求擴散器的噴口間距以各噴口排出污水在初始稀釋過程中相互不重疊為限，在較大面積內擴散，本質上是擴散器將點源排放改變為線源排放，使排放水流與受納水體充分混合形成稀釋水流[4]。擴散器的長度直接影響到近區的稀釋效果，影響擴散器的長度的主要因素包括污水排放量、初始稀釋度的要求、水深、密度及水動力條件等。根據《污水排海管道工程技術規范》（GB/T 19570-2017）6.12 條，本工程初始稀釋度采用100 倍，長度按下式計算：

式中：

Lb——擴散器長度，單位為米（m）；

Q ——污水排放量，單位為立方米每秒（m3/s）；

H ——污水的最大浮升高度，單位為米（m）；

g'——折減重力加速度，單位為米每平方秒（m/s2）

Sc——初始稀釋度。

根據測算結果，考慮降低工程費用，擴散器長度Lb采用300m。

3 海域管道施工技術

海域段排放管全長22678.5m，其中放流段總長度為22378.5（包括頂管穿堤段1120m，鋪管船施工21258.5m），排海管樁號K01+120-K18+400.0埋設深度為2.0m，樁號 K18+400.0-K22+678.5 埋設深度為2.5m；排海管道擴散段樁號為K22+378.5-K22+678.5 采用“T”型擴散器，總長300m，其上布置有100 根DN110 上升管間距3m 布置，每根上升管設置2 只DN65 噴管，共200 個DN65 橡膠鴨嘴閥。海域鋪管工程主要包括：接收井、管道敷設和管道清管試壓、海管挖溝、海砂及碎石回填保護、擴散段擴散器安裝及保護和附屬設施施工六個方面。

3.1 管道鋪設

海管由駁船倒運到主作業船堆管區，在起重工的指揮下按操作規程吊裝管材。吊裝機械采用鋪管船主鉤進行吊裝作業，索具采用吊管專用索具。單管重約7.5t，采用2 根鋼絲繩進行吊裝，吊裝夾角60°。管道焊接等施工均在鋪管作業船上完成，鋪管作業線由船艏至船艉主要布置7 個作業工位（圖3），分別完成管線管口處理、組對、焊接、檢驗、犧牲陽極安裝、防腐等作業內容。

圖3 鋪管作業線工藝流程

在鋪管船作業線首端位置設置牽引機構，能夠牽引管線內部的內對口器，再通過Φ19 鋼纜的連接管道內防腐機。新管進入作業線后，牽引機構鋼纜通過管線內部連接內對口器牽引纜，啟動牽引機構將內對口器從C 工位牽引至B 工位，內對口器就位后，即可進行新的一輪流水作業。

管線鋪設過程中需滿管注水，防止管線上浮[5]。采用管線末端推球式注水，在管線端部安裝發球裝置，通過法蘭將發球裝置連接在海管端部。發球裝置內預安裝聚氨酯泡沫球2 個，外側連接注水配管（圖4）。注水配管根據海管鋪設情況進行分段注水，先對a 腔內注水，推動前端聚氨酯泡沫球注入海管內。隨管線鋪設，海管每鋪設12m，向海管內注水18.1m3。

圖4 發球裝置示意圖

3.2 預挖溝施工

預挖溝范圍為管道鎮墩處以及擴散段基槽開挖。預挖溝采用13m3抓斗船進行開挖。抓斗式抓斗船是利用旋轉式挖泥機的吊桿及鋼索來懸掛泥斗，在抓斗本身重量的作用下，放入海底抓取泥土，然后開動斗索絞車，通過吊桿頂端的滑輪，將抓斗關閉、升起，再轉動挖泥機到開底泥駁將泥卸掉，然后挖泥機又轉回挖掘地點，進行挖泥，如此循環作業[6]。開挖的泥土使用1000m3開底泥駁進行運輸和卸載，利用泥駁本身的開底結構進行排放控制，待泥土沉放海底時，關閉開底結構，返航繼續裝載。

3.3 鎮墩施工

根據工程特點鋪管工序安排，本工程有兩處鋼制鎮墩施工，一處位于155°彎頭部位，一處位于直線段。鎮墩外部為鋼制套箱，利用混凝土將鋼管包裹固定在鎮墩內，鎮墩基礎采用拋石基床，厚度1m。鎮墩安裝前先進行基床施工，由挖泥船進行基槽開挖，放坡1:6，然后由潛水員進行土工格柵鋪設，驗收完成后，由拋石船進行拋石，然后由潛水員進行碎石找平。鎮墩預制完成后，由三航起15 進行吊裝，鋼制鎮墩重量在150 噸左右，由兩根鋼絲繩從底部困住鎮墩，棱角處墊上墊木。鎮墩起吊時不準在其上、其下站人，與吊運無關人員隔離鎮墩50m 以外。吊離地面20cm，停留10min，經檢查無異常情況進行起運。當運至墩位停留，待停止擺動，徐徐下降，對位后入水。由潛水員下水檢查安裝位置的偏差情況，并進行調整。

3.4 后挖溝施工

后挖溝施工范圍為除去預挖溝范圍以外的一般段海管埋設。按照“布錨圖”在GPS 衛星定位導航系統的引導下，用拖輪將駁船拖帶到挖溝起點附近拋錨穩船，然后用拋錨艇按“布錨方案”中的要求，布設挖溝作業母船船8 只移船定位錨。起始錨按八字錨位法布設，每個錨位離管線距離應不小于200m。施工過程中拋錨艇上的人員隨時注意是否有流錨現象。挖溝施工典型布錨圖如圖5 所示。

圖5 挖溝船拋錨示意圖

調整挖溝機位置，使海管處于挖溝機兩個導向柱之間，然后將挖溝機下放到海床面，聲納檢測海管是否置于導向柱之內，如聲納顯示海管已置于導向柱內，完成挖溝機定位作業。挖溝施工時首先逐步將液壓系統壓力調節至工作壓力。船舶的前進速度和挖溝機的工作壓力要根據挖溝監控效果而定，通過剖面聲納實時監控成溝形狀，GPS 實時監視挖溝的軌跡，根據施工現場的土壤條件和其它環境因素，調整挖溝機的速度，以適應當地的挖溝環境，使成溝達到質量要求。

圖6 挖溝施工示意圖

3.5 擴散段施工

本工程排海管道擴散段位全長300m，其上設置有100 根上升管，主要包括基槽開挖、管道墊層、管道鋪設、海砂回填、連鎖塊余排護面等施工，其中基槽開挖46330m3，粗海砂回填。擴散段施工在放流段快施工完成前進行，提前將該段挖泥作業完成，當需要時進行砂墊層及機織布鋪設，然后當管道鋪設至直角拐彎點時，將擴散段預制的管節分段吊裝，潛水配合安裝，完成管道鋪設后，立即進行海砂回填、連鎖塊余排護面等施工。

3.6 海砂碎石回填

管道敷設完畢后，上部需回填海砂或者袋裝碎石壓載。非通航放流段全長19425.5m，管道敷設完成后進行回填海砂處理；通航放流段全長1833m，管道敷設完成后采用袋裝碎石壓載。海砂回填計劃采用定位駁施工，在定位駁一側設置拋砂導向系統，砂船靠駁方駁另一側通過傳輸帶將砂送至導管拋砂系統，進行鋪砂作業。袋裝碎石施工位于通航放流段，采用定位駁施工，運輸駁將袋裝碎石運至現場，利用運輸駁上的履帶吊進行袋裝碎石的拋填。

4 結論

徐圩新區達標尾水排海工程于2021 年7 月完工，設計排放規模為11.83 萬噸/天，主要由調壓泵站、陸域管道、海域管道和擴散器四部分組成，排海直徑為1.4 米，總長度約26km。其中海域管道長約22km，采用頂管法施工，關鍵設計及施工難點在于擴散器設計與安裝、管道鋪設及海管挖溝等。本工程的順利建成可為徐圩新區國家生態環境部環境綜合治理托管服務模式試點工作提供有力支撐，也可為類似海域管線工程提供技術借鑒。