油氣管道開挖穿越河流洪水影響計算分析及設計優化

范亞偉　周壘

關鍵詞： 油氣管道 河流穿越 洪水影響計算 設計參數優化

中圖分類號： TE973.4 文獻標識碼： A 文章編號： 1672-3791（2023）15-0170-05

油氣管道與河流交叉穿越時須加大開挖深度和穿越長度，其往往具有造價高，工期難以掌握，施工和安全管理難度大等特點，是管道工程建設的關鍵點和控制性工程，同時也是后期運營安全管理中的薄弱環節。以往案例中，油氣管道事故往往是由于管道埋深、穿越長度、交叉角度等參數不符合要求，遭到洪水、地質變化、清淤施工等造成的。在設計階段如何將施工與后期運營安全進行有機結合，最大限度地優化管道穿越各項參數，對工程建設和后期維保具有十分重要的意義。

以某工程為例，結合現場、規范及主管部門要求，通過計算分析河流水文和沖刷等數據，根據結果對初步設計方案進行科學的優化，達到減小投資和施工難度，同時又能保證后期運營安全的目的，為同類管道穿越河流工程提供借鑒經驗。

1 現狀分析

某天然氣管道工程采用開挖方式穿越濟南市衛柳河，管道設計規格為D1016×17.5 mm，管道所經地區為平原和低山丘陵，所穿河道涉及防洪、排澇、輸水等功能，對管道后期運營有一定的影響。

初步設計階段管道穿越該河流埋深為管頂以上7.48 m（相較于自然地面），距離河道現狀沖刷線距離3.12 m，穿越交叉角度為64°，穿越長度為115 m，兩側彎管與河口垂直距離分別為16 m 和14.2 m。該穿越規模屬于危險性較大的分部分項工程，施工難度、工期、安全風險與工程造價均難以把控，需要進一步對該穿越工程進行調研、分析、計算，并尋求優化[1]。

優化過程包括開展洪水影響計算、數據對比、優化管道參數等幾個方面。

2 開展洪水影響計算所需要的條件

2.1 現場踏勘及地質勘查資料

由項目設計單位對穿越現場進行勘察測量，確定穿越段河渠現狀并繪制穿越斷面圖，包括河底、岸坡、堤防自然高程等。根據設計規范完成初步設計階段管道斷面圖。

開展地質勘查，勘察深度至少覆蓋管道開挖埋設深度，提供河槽表層土巖性，并給出河槽表層土的分層厚度、中值粒徑、液性指數、塑性指數等，以便于開展下一步的洪水影響分析計算、管道穿越參數優化。

2.2 計算標準及規劃參數

搜集相關法律法規、洪水影響計算標準等規范性文件。如《中華人民共和國河道管理條例》《水利水電工程水文計算規范》《水利水電工程設計洪水計算規范》《防洪標準》，以及地方性防洪管理條例等；向地方水利主管部門征詢穿越河道的近遠期規劃、當地年均降雨量、最大降雨量等支持性文件，用于進一步分析管道沿線各流域水文特征，合理計算管道涉河穿越的洪水過程，避免管道建設對沿線水利設施帶來影響，保證管道布置滿足遠期的防洪需求[2]。

3 洪水影響計算過程

3.1 基本參數匯總

根據現場勘測結果、河流現狀斷面及規劃設計斷面，對河流各項數據進行匯總。具體數據情況如表1所示。

3.2 水文分析計算

3.2.1 防洪標準

根據《油氣輸送管道穿越工程設計規范》及初步設計圖紙，確定管線穿越衛柳河管道設計洪水影響標準為2%（50 年一遇）。

3.2.2 水文分析

（1）設計雨期。

根據該地區《設計洪水計算指導意見》中，對于中小河流，設計雨期一般取24 h 即可滿足設計要求，故本次計算采用雨期為24 h。

（2）設計面雨量分析。

該次計算采用衛柳河所在地雨量站實測暴雨資料，系列為1963—2020 年，共58 年。在n 項連續最大降水量系列中，大小排序的第m 項最大降水量的經驗頻率P_m，采用數學期望公式進行計算[3]：

根據上述公式對管線穿越處洪水進行沖刷計算，計算成果如表7 所示。

4 管道穿越河流優化設計

4.1 數據對比

通過以上計算分析結果結合標準規范與水利主管部門要求將各項數據對比，具體數據如表8 所示。

4.2 優化方向

由各項數據對比可知，管道穿越衛柳河處，各項初步設計參數均遠遠大于計算結果、河流規劃、標準規范及地方管理部門要求。經分析，可在管頂與沖刷線距離、管頂與河底距離、交叉角度、彎管距離、穿越長度等方面進行適當調整。

4.3 優化過程及結果

根據上述第3 部分及4.1 和4.2 計算分析結果，在考慮充分裕量的情況下，對管道穿越角度進行調增，管道穿越長度、彎管設置距離及穿越深度進行調減，從而達到既能滿足后期運營安全，又能減少大開挖穿越工程量，降低施工安全風險的目的。具體內容如下。

（1）管道軸線與河道流向夾角由64°調整為85°，進一步減少了穿越占用河道斷面面積，降低了對河道規劃利用的影響，也降低了第三方施工破壞的風險。

（2）左側彎管與河道管理范圍垂直距離調整為5.1 m，右側彎管距離相應調整為5.2 m；管道穿越衛柳河總體水平長度調減為70.0 m，垂直水流方向長度為69.81 m，整體開挖工作量有所降低。

（3）通過沖刷分析計算結論，穿越處管頂埋深由最低沖刷線以下3.12 m，調整為最低沖刷線以下1.9 m，管頂高程調整為43.73 m，減小了開挖深度，施工安全風險有效降低，同時保留了保證1.26 倍沖刷線距離的要求。

（4）其他設計保證措施。開挖穿越河流時不設置高于地面的工程設施，臨時降水井、河流圍堰等輔助設施在施工完畢后應拆除并恢復原狀；管道下溝完成后應在管體上方鋪設警示帶，警示帶應連續鋪設、不應褶皺、重疊、斷裂；在管道出入河道兩端位置設置永久性的識別和警示標志，并設置必要的安全監測設施[7]。

5 結語

該項目對管道穿越衛柳河進行了科學的洪水影響計算分析，結合現場實際及當地水利部門遠期規劃，通過數據對比，對初步設計穿越角度、長度及埋深等參數進行了優化，大大降低了工程的施工難度及工程造價，也大大減輕了開挖對環境的影響，施工安全風險也得到了有效控制。

優化后管道工程的防洪標準符合要求，穿越工程與水流方向夾角、彎管與河道管理范圍的距離、管頂埋深均滿足相關規范和當地遠期規劃的要求，管道運營安全也得到了有效的保證，為國內同類管道建設項目提供了良好的借鑒經驗。