灌河口疏浚工程沉管方案比選及敷設(shè)淺析

逯新星

(中交上海航道局有限公司，上海 200002)

在疏浚與吹填工程中，往往因施工環(huán)境、吹填距離、通航要求等因素需要敷設(shè)沉管，而沉管的敷設(shè)方案選取以及相關(guān)技術(shù)要求也因不同工程的特點(diǎn)而有所差異。例如在施工中易發(fā)生堵管的應(yīng)避免選取沉管方案[1]；考慮水頭損失的差異情況應(yīng)選擇合適的浮管、沉管、岸管長度[2]；在海(河)底呈倒拱型的施工環(huán)境，需要注意鋼管與橡膠管組合形式的研究等[3]。

本文以灌河口5萬t級航道整治工程為工例，分析兩種沉管敷設(shè)方案，從施工安全、通航影響、吹填效率等方面進(jìn)行優(yōu)缺點(diǎn)對比，選取較優(yōu)方案；并對沉槽開挖、沉管沉放、沉管起浮工藝技術(shù)進(jìn)行分析，為類似工程中沉管敷設(shè)方案的優(yōu)化選取以及沉管敷設(shè)施工技術(shù)提供參考經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目簡介

灌河口5萬t級航道整治工程(H2-H3先導(dǎo)工程)施工項(xiàng)目為灌河口5萬t級航道整治工程先導(dǎo)試驗(yàn)段，位于新沂河匯入灌河河口處且位于灌河轉(zhuǎn)彎處，見圖1所示。

圖1 灌河口先導(dǎo)段施工區(qū)域示意圖Fig.1 Schematic diagram of irrigation estuary pilot section construction area

H2-H3航段周邊碼頭數(shù)量多，船舶航行頻繁，施工航道位于小莽牛碼頭2#～5#泊位西側(cè)水域，航道寬僅170 m，絞吸船在施工時，除自身船體長寬需要占據(jù)一定水域面積外，絞吸船尾部拖曳的浮管以及兩側(cè)的橫移錨也將占用部分通航水域。考慮到航道船舶流密集、沿線港口生產(chǎn)情況、航道水深及結(jié)合絞吸船施工特點(diǎn)等因素，擬采用岸管+沉管+浮管的組合形式，水下管線在跨越通航水域布設(shè)時采用沉管深埋的方式。

1.2 潮汐及潮流

灌河口潮汐屬正規(guī)半日潮，往復(fù)流性質(zhì)，潮周期平均為12 h 25 min，其中漲潮平均歷時4 h 57 min，落潮平均歷時7 h 28 min，根據(jù)燕尾港2005年及2006年的潮位實(shí)測資料統(tǒng)計(jì)得到[4]：

平均高潮位：4.65 m；

平均低潮位：1.39 m；

平均潮位：2.94 m；

平均潮差：3.26 m。

灌河內(nèi)大潮漲潮平均流速接近2.0 m/s，最大落潮垂線平均流速為1.67 m/s，漲潮流速大于落潮流速，漲潮最大流速出現(xiàn)在高潮位之前1～2 h，落潮最大流速出現(xiàn)在中潮位附近[4]。

2 沉管敷設(shè)方案對比

2.1 沉管敷設(shè)方案

(1)敷設(shè)方案一。

沉管由管線上岸點(diǎn)緊貼碼頭岸線鋪至小莽牛3#和4#泊位中間空擋處(大約處于施工航道中間位置)，并在此設(shè)置轉(zhuǎn)角過渡點(diǎn)，過渡點(diǎn)沉管將逐步上浮轉(zhuǎn)為橡膠浮管，在完成轉(zhuǎn)向后再逐步下沉垂直于碼頭沉底穿越現(xiàn)狀航道，并在距施工航道邊線外約30 m處設(shè)置端點(diǎn)站，再由浮管連接絞吸船進(jìn)行吹填施工。端點(diǎn)站位置距碼頭前沿約160 m，穿越航道處沉管需挖槽埋管。

(2)敷設(shè)方案二。

施工區(qū)域航道西側(cè)為大面積淺灘，沉管可由管線上岸點(diǎn)直接穿越航道至西側(cè)淺灘，在施工航道北側(cè)約60 m及西側(cè)約125 m處設(shè)置轉(zhuǎn)角點(diǎn)，順航道軸線往南敷設(shè)至航道中間位置處設(shè)置端點(diǎn)站，再由浮管連接絞吸船進(jìn)行吹艏施工。穿越航道處沉管需挖槽埋管。沉管敷設(shè)方案一、方案二見圖2所示。

圖2 沉管敷設(shè)方案一、方案二示意圖Fig.2 Schematic diagram of sinking pipe laying plan 1 and plan 2

2.2 敷設(shè)方案比選

(1)沉管方案一。

優(yōu)點(diǎn)：①碼頭前沿水深較深，便于沉管沉放，沉放后不影響通航。

圖3 管線90°轉(zhuǎn)角示意圖Fig.3 90°Angle diagram of pipeline

(2)沉管方案二。

優(yōu)點(diǎn)：①管線布置簡單，不存在較大轉(zhuǎn)角與落差，利于吹填施工；②浮管布設(shè)于淺灘上，對東側(cè)航道通航基本無影響；③端點(diǎn)站可布置于淺灘上，不影響通航，同時便于調(diào)整，有利于施工；④沉管管線可沿南北方向在淺灘上順航道敷設(shè)，沿途設(shè)置多個端點(diǎn)站，施工船舶可根據(jù)施工不同水域合理調(diào)整端點(diǎn)站，可減少浮管使用長度，降低浮管受潮流的影響，對通航影響較小。

缺點(diǎn)：①沉管挖槽布管需要一定時間臨時封航，對通航存在影響。

根據(jù)現(xiàn)有工況條件，沉管方案二要優(yōu)于方案一，航道施工對通航的影響也將大大降低。

3 沉管施工

3.1 沉管施工工藝

一般情況，水下管線由鋼管和橡膠管交錯構(gòu)成(還有一種為僅由鋼管構(gòu)成，采用焊接連接，此工藝采用較少)。此類沉管的下沉和起浮是通過改變排泥管線的自身重量來實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)往管道內(nèi)灌水，使管道的重量大于其自身產(chǎn)生的浮力時，管線就下沉。當(dāng)往已沉好的管線管道內(nèi)注入壓縮空氣后，管線管道內(nèi)的水被逐步排出，管線的重量逐步減輕，當(dāng)壓縮空氣注入到一定程度，使管線重量小于自身所產(chǎn)生的浮力，管線就起浮[5]。

最簡單的水下排泥管，是利用已組裝、連接好(兩端用盲板封住)的排泥管線，平潮時在敷設(shè)區(qū)拉直，兩端用方駁錨碇。下沉?xí)r，拆去盲板，從一端管口灌水(灌水分為自然灌水和機(jī)械灌水，一般采用自然灌水)，等排泥管的自重超過其自身的浮力后，自然下沉，在一端管線下沉?xí)r應(yīng)將另一端方駁(錨碇船)松纜，不使拉的太緊而影響管子下沉。

3.2 槽位及開挖尺寸

不同的吹填工程視工況條件及有關(guān)影響確定是否開挖沉管槽。灌河口5萬t級航道整治工程(H2-H3先導(dǎo)工程)施工項(xiàng)目沉管穿越航道時為避免過往船舶發(fā)生觸管事故，需要在原航道上開挖沉管槽。在開挖沉管槽前，需要確定沉管敷設(shè)位置、長度以及沉管槽開挖寬度、深度等尺寸信息。

其次，學(xué)校應(yīng)當(dāng)做好相關(guān)的宣傳教育，糾正部分農(nóng)村訂單定向醫(yī)學(xué)生對其專業(yè)學(xué)習(xí)的偏見：即認(rèn)為農(nóng)村訂單定向醫(yī)學(xué)生以后回基層工作沒有成就，其學(xué)業(yè)比普通大臨床學(xué)科技術(shù)水準(zhǔn)要求更低，從而認(rèn)為學(xué)業(yè)是可以輕輕松松完成的，學(xué)業(yè)上存在得過且過的現(xiàn)象。

3.2.1 敷設(shè)位置選擇

沉管管線的敷設(shè)盡可能選擇水流相對平緩、河床比較穩(wěn)定、水深變化平緩的路徑[6]，并綜合考慮施工便易性、水深情況、通航影響等因素確定水下管線的線路。本工程施工區(qū)域北側(cè)在距離施工區(qū)180 m處，航道底部平緩，水深較淺，航道無驗(yàn)潮水深為6 m，方便與接岸點(diǎn)直線連接，是成槽布管較為合適的區(qū)域。

3.2.2 敷設(shè)長度確定

在確定好敷設(shè)沉管的位置后，根據(jù)環(huán)境及工況情況，確定沉管敷設(shè)長度約350 m，其中穿越航道段沉管長度為150 m，航道兩端沉管長度各100 m。

3.2.3 開挖寬度確定

沉管沉放施工時最宜選擇靜水工況下進(jìn)行，這樣才能確保沉放的精準(zhǔn)度。但是在漲落潮頻繁的水域很難做到靜水施工，即使選擇高、低平潮沉放也往往伴隨著一定的水流速度，從而可能會導(dǎo)致管線偏離沉槽區(qū)域。因此，為了保證管線能沉放在開挖槽內(nèi)，就需要控制好開挖槽的寬度。

本工程在確定沉槽寬度時，采用簡易計(jì)算法來確定，即結(jié)合沉管下沉總時間t、沉放時水流平均流速vs、沉管外徑D外，按公式(1)確定

B=2vst+D外

(1)

式中：B為開挖槽寬度，m；vs為沉放時水流平均流速，m/s，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[7]，查看灌河潮位、流速過程線圖，在低平潮1 h內(nèi)的平均流速取0.3 m/s；t為沉管下沉總時間，s；D外為沉管外徑，m，取0.882 m。

在考慮開挖槽時，由于計(jì)算出的管線沉放橫移距離(vst)存在雙向的可能，為保障任何一種可能，在式(1)中加入了2倍的概念。

計(jì)算沉管下沉總時間可采用式(2)確定

(2)

式中：W為管道進(jìn)水總量，m3；S為進(jìn)水?dāng)嗝婷娣e，m2，采用自然灌水法進(jìn)水?dāng)嗝婷娣e即為管道截面面積；V0為進(jìn)水速度，m/s。

計(jì)算進(jìn)水速度V0可根據(jù)能量守恒公式推導(dǎo)出式(3)進(jìn)行確定

(3)

式中：g為重力加速度，m/s2，取9.8 m/s2；H為進(jìn)水口與海面高差值，m，取進(jìn)水口處無驗(yàn)潮水深5.41 m與平均低潮位1.39 m之和，為6.8 m；ζj為管道進(jìn)水口局部損失系數(shù)，此處類比為方角入口進(jìn)口損失[8]，取0.5；ζy為管道沿程損失系數(shù)，850 mm管徑對應(yīng)的清水摩阻系數(shù)為0.012[9]；L為沉管總長，m，取350 m。

將各數(shù)據(jù)代入式(3)、式(2)和式(1)，可求得V0、t、B

圖4 開挖槽示意圖Fig.4 Schematic diagram of groove excavation

在確定好沉管敷設(shè)位置、長度及沉管槽寬度后，即可繪制開挖槽平面圖，將開挖槽基本信息標(biāo)注在船用背景施工圖中，以便船舶施工，見圖4。

3.2.4 開挖深度確定

考慮開挖深度首先要考慮通航安全情況。船舶航行于灌河水域，應(yīng)當(dāng)保持富裕水深不小于船舶實(shí)際最大吃水的10%[10]，但存在個別超載船舶存在貼底、甚至略微托底的現(xiàn)象。因此沉管槽深度需保證沉管充分沉入，確保船舶略微托底不會觸碰沉管。

本工程使用的沉管法蘭外徑約為1 m，開挖槽處無驗(yàn)潮水深為6 m，預(yù)留1 m的安全深度，計(jì)劃開槽挖至8 m水深，確保沉管后管頂水深大于原航道水深，不影響通航安全，見圖5所示。

圖5 沉管敷設(shè)斷面示意圖Fig.5 Schematic diagram of sunken pipe laying section

沉管埋入深度在保證安全的前提下不易太深，太深會增加開挖工作量，同時會加大后期沉管起浮回收的難度。

3.3 沉槽開挖

根據(jù)計(jì)劃挖槽的尺寸計(jì)算出開挖工程量，結(jié)合施工船舶的施工能力，預(yù)計(jì)挖槽施工耗時約半天，需封航半天。挖掘過程中利用船舶定位系統(tǒng)精確定位，確保挖掘成槽位置準(zhǔn)確。首先絞吸船接好浮管做好施工準(zhǔn)備，在低平潮時間進(jìn)行封航(低平潮封航可減少封航對通航的影響)。絞吸船施工不易垂直于航道，需頂流或順流施工，封航后絞吸船開始由南向北施工，先開挖航道西半槽，再開挖航道東半槽(圖6)。施工完畢后拆卸浮管，浮管拖至航道外固定，絞吸船在安全地區(qū)拋錨，封航解除。

圖6 開挖沉槽示意圖Fig.6 Schematic diagram of excavation sink

3.4 沉管沉放

沉管沉放時采用GPS精確定位，可每隔150 m布設(shè)一只定位錨，配合以20 m鋼絲繩牽拉，確保沉放時不會產(chǎn)生較大偏移。沉槽管先在航道外接好，利用低平潮無船舶通航時，采用輔助船舶牽拉、頂推至沉潮點(diǎn)，注水沉管。整個沉管沉放過程耗時約2 h。待沉管入槽后，第一時間組織測量，對管線沉放效果進(jìn)行檢測，若發(fā)現(xiàn)管線出現(xiàn)搭接、出槽等情況，則出動錨艇牽拉定位錨直至管線到位、檢測合格為止。

3.5 完工后沉管起浮回收

工程施工完成后，需對沉管進(jìn)行起浮回收。起浮施工前需提前報海事部門申請，完成相應(yīng)手續(xù)后方可開展管線起浮施工。沉管起浮時，首先對沉管進(jìn)行充氣排水，由錨艇逐節(jié)起吊，直至沉管全部起浮后，拖運(yùn)至安全水域進(jìn)行拆解。若遇管線上部覆土較厚，錨艇無法掉起，可以使用絞吸挖泥船配合，將上部浮泥部分吸除后，錨艇再行起吊，直至管線出水。

4 結(jié)束語

通過對灌河口5萬t級航道整治工程(H2-H3先導(dǎo)工程)施工項(xiàng)目中沉管管線敷設(shè)方案的比選以及沉管施工方案分析，得出以下三點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)：

(1)沉管敷設(shè)方案應(yīng)全面考慮施工安全、技術(shù)難點(diǎn)、施工效率、通航影響等因素，進(jìn)行綜合比選，選擇安全性可靠、施工技術(shù)難點(diǎn)小、施工效率高、通航影響小的方案。

(2)在確定沉槽位置時應(yīng)綜合考慮海(河)底標(biāo)高、平整度、施工便易性等因素，盡量選擇底部平緩、施工便易的區(qū)域。

(3)在確定沉槽尺寸時可采用公式進(jìn)行驗(yàn)算，應(yīng)實(shí)測平潮流速，使計(jì)算值更為準(zhǔn)確。