高流速復雜水域下的海底輸水管道施工技術★

李 俊

(上海市基礎工程集團有限公司,上海 200438)

0 引言

隨著國內沿海島嶼的開發建設,居民生活、企業生產和生態環境改善用水日益增大,水資源不足的矛盾日益嚴重,從大陸水源地長距離跨海引水工程成為最主要的解決方式。

同時,近年來伴隨我國海洋經濟的蓬勃發展,近岸海底電力電纜、油氣管道、通信電(光)纜、輸水管道、尾水排海管道等水下管線密布,尤其是在海灣等狹窄海域、海港區內,新建海底輸水管道路由基本位于管廊內,路由間距多為100 m或者50 m,水深普遍較淺,若再疊加3節以上的高速潮流,則管道敷設難度急劇增加。

本文以舟山市大陸引水三期工程(金塘島引水工程)為背景,詳細介紹了在高流速復雜水域環境下實施長距離海底輸水管道鋪設施工所面臨的困難、安全風險和技術解決路徑。

1 工程概況

1.1 工程簡介

舟山市大陸引水三期工程(金塘島引水工程)是國務院確定的172項重大水利工程之一,工程始于寧波市鎮海嵐山加壓泵站,終于舟山市金塘島龍王堂水庫,輸水管道全長32.77 km,其中海上段長度20.97 km,設計引水流量0.5 m3/s,平均年引水量1 127萬m3。設計鎮海東順堤登陸點為樁號KP0+000,金塘登陸點為樁號KP20+970。海上段管道采用鋼管,管道外徑為820 mm,壁厚14 mm,設計全段管頂埋深1.5 m,局部穿越航道段管頂埋深2 m。

1.2 周邊復雜水域環境

海上段管道設計路由位于舟山至寧波海底管線廊道內,輸水管道施工將對周邊海域內的以下管線、建筑物、航道等產生重要影響:

1)冊子島-鎮海海底輸油管道(以下簡稱冊鎮油管):冊鎮油管鋪設于2004年至2005年,是華東原油運輸管網的骨干線路。輸水管道路由位于冊鎮油管南側,鎮海側從東順堤登陸點起與冊鎮油管并行鋪設12.5 km,平行相距100 m,之后逐漸分離不再平行,并行區間水深從0 m逐漸增大到12 m[1]。

2)金塘大橋:輸水管道路由位于金塘大橋西北側海域,鎮海側從東順堤登陸點起4 km長度內,下錨點將進入金塘大橋1.5 km警戒線內。

3)金塘大橋通航孔航道:輸水管道路由依次穿越金塘大橋西通航孔航道(通航500 t級海輪)、金塘大橋主通航孔航道(通航5萬t級海輪)、金塘大橋東通航孔延伸至瀝港水道(通航3 000 t級海輪),施工將影響過往船舶航行。

在海上施工許可證辦理期間,周邊海域環境又出現了對輸水管道施工更不利的變化:

1)舟山500 kV聯網輸變電工程鎮海-大鵬山海底電纜(以下簡稱500 kV海纜):該工程是世界上第一個500 kV交聯聚乙烯絕緣海底電纜工程,于2019年完工并投運,占舟山市用電總量約50%,共有6根電纜和1根光纜,每根海纜間距50 m,最近的光纜距離輸水管路由僅200 m。輸水管道路由位于500 kV海纜北側,鎮海側從東順堤登陸點起與上述7根海纜路由平行鋪設7.0 km,并行區間水深從0 m逐漸增大到9 m。

2)杭甬高速復線濱?；ネǘ?是亞洲最大的海上互通,其主橋線路位于鎮海東順堤外側300 m處,與東順堤平行,與輸水管道路由垂直交越。交越段主橋在輸水管道施工前已貫通。

據上述,輸水管道周邊復雜水域環境如圖1所示。

1.3 海洋水文和工程地質條件

1)風況:路由所在的海域冬季盛行NNW,NW風,風速較大;春季風向多變,風速也較大;夏季盛行SSE,ESE風,風速一般較小,但在臺風活動較多的7月—8月份,風速較大;秋季風向多變,風速較小。

2)潮流:屬于不規則半日淺海潮流,路由所在的灰鱉洋海域是金塘水道和杭州灣之間的潮汐通道,潮流運動呈現明顯的往復流特征,漲、落潮方向基本上與輸水管道路由垂直,不利于施工。路由KP4—KP9區段流速最大,呈現“中間大兩邊小”的分布特征,最大漲、落潮流速分別為2.10 m/s和1.90 m/s。

3)波浪:路由所在海域的波浪以風浪為主,年均波高0.5 m,秋冬季波高較大,達到0.7 m,春夏季波高較小,平均0.3 m～0.4 m。

4)工程地質:路由區海底地質以淤泥質粉質黏土為主,局部砂質粉土,適合海底管道開溝埋深施工。

2 工程主要難點和風險點

海底輸水管道設計路由位于狹窄擁擠的管廊帶內,與北側的冊鎮油管相距100 m,與南側的500 kV海纜相距200 m,垂直于管道路由的潮流快達2.10 m/s,鋪管船須跨越油管和電纜拋錨施工才能抵抗住高速水流力,一旦發生走錨、掉錨等意外情況,勢必危及上述2個極其重要的海底管線的安全運行,可能會產生巨大的經濟損失甚至造成海洋生態災難[2]。

同時,鋪管船隊施工將進入南側的金塘大橋1.5 km警戒線,并穿越金塘大橋3個通航孔航道、杭甬高速復線濱?；ネǘ蔚戎匾Ｉ匣A設施,一旦發生走錨、航法不明確等意外情況,可能發生船舶碰撞等嚴重的海上安全事故。

如果能引入動力定位鋪管船采用不拋錨作業方式進行海上管道鋪設施工,將大大降低上述安全風險,但我們調查、咨詢了國內幾艘先進的動力定位鋪管船,如海洋石油201、藍海300、匯眾301等,在本工程鎮海側7 km以上的淺水區,水深均不滿足DP工作要求[3-4]。

因此選用能夠跨越500 kV海纜和冊鎮油管進行拋錨作業的具有強大錨泊定位功能的淺水鋪管船進行海底輸水管道施工是唯一可行的方案,但針對上述工程難點和安全風險的關鍵施工技術措施、安全措施應得到充分的論證和執行。

3 關鍵施工技術

3.1 總體施工工藝

總體采用無張力鋪管船法鋪設海底輸水管道,自金塘側向鎮海側鋪設,具體施工工藝如下:

第一步,運管船通過海運供應48 m成品管段,在施工現場靠泊鋪管船后,由鋪管船上的起重吊機卸管至堆管區。

第二步,吊裝48 m管段至鋪管作業線組隊、焊接,焊接采用單面焊、雙面成形工藝,采用氬弧焊打底和半自動CO2氣體保護焊填充、蓋面相結合的工藝施焊,在船中第一個焊接站進行打底和第一遍填充,在船首第二焊接站進行第二遍填充和蓋面。采用100%超聲波和5%X射線對焊縫進行無損檢測。

第三步,無損檢測合格后,進行接頭內外防腐補口,外防腐補口由人工完成,內防腐補口由管道噴涂機器人完成。

第四步,安裝鋁鋅銦合金犧牲陽極。

最后,啟動鋪管船上DGPS定位系統、導航軟件、水深流速監測系統等,收集各種鋪管數據,通過收絞船尾的主牽引鋼絲繩,收絞、放松8根定位鋼絲繩,從而移動鋪管船,拖曳托管架向船尾方向緩慢前進,管段從船上發射架入水,經船首絞結的觸地式托管架后,自然、平穩的鋪入海床上[5]。

鋼管鋪設施工時,由金塘登陸點處的淡水池向鋼管內加水,加水速度與鋪管速度保持一致,以確保鋼管鋪管時不浮起。

鋪管完成后再由埋深船攜帶水下挖溝機對已鋪管道進行后挖溝埋深作業。

3.2 鋪管船及其錨泊系統增配

鋪管船名為“建基5001”,為箱型、Ⅲ類海區、非自航甲板方駁,其主尺度為:總長100 m,垂線間長94.54 m,吃水1.5 m～2.0 m(鋪管時),滿載排水量3 949 t ,型寬21.4 m,型深4.9 m,滿載排水量3 949.5 t。

鋪管船上布置有100 m長的發射架、2個焊接站、2個儲管區及錨泊系統。鋪管施工時在船尾安裝有鋪管專用托管架。

因海上施工環境發生重大變化,錨泊安全風險等級提高,鋪管船錨泊系統增配如下:

1)定位錨機。原8臺200 kN牽引力的定位錨機全部增配至350 kN牽引力的定位錨機,容繩量增大,分別設置在鋪管船的左右舷;1臺350 kN主牽引錨機換新,容繩量增大,設置在船尾。

2)纜繩、錨。按500 kV海纜權屬單位要求,所有定位錨需跨越最南側一根電纜130 m以上;按冊鎮油管權屬單位要求,所有定位錨需跨越油管300 m以上。據此要求,鋪管船定位纜繩從φ39 mm、長度550 m纖維芯鋼絲繩增配至φ42 mm、長度1 200 m鋼芯鋼絲繩;主牽引纜繩從φ39 mm、長度1 000 m纖維芯鋼絲繩增配至φ42 mm、長度1 200 m鋼芯鋼絲繩[6]。

鋪管船配置9只德爾塔錨,單錨重7 t。

3)浮筒等輔助設施。每只錨頭上設有φ39 mm,50 m長的起錨鋼絲繩,鋼絲繩尾系有夜光油漆的鋼浮筒,供起、拋錨用。

每臺錨機上安裝錨纜張力監控系統,接入鋪管船集中控制室,隨時監控錨纜張力及錨機電流情況,并設置張力預警。

3.3 錨泊系統定位能力分析

根據前述分析,在潮流最快的KP4—KP7區段,鋪管船需同時跨越500 kV海纜和冊鎮油管,是施工期最不利的工況。

分析計算在施工期最不利的工況下,“建基5001”鋪管船新錨泊系統的定位能力完全滿足安全使用要求,即:纜繩最大張力小于破斷拉力,且小于錨抓力。

3.3.1 計算工況

針對鋪管作業中可能出現的情況,擬定三種計算工況,分別是焊接工況、作業工況和翻錨工況,其中焊接工況與作業工況考慮一個行程200 m的移船距離,翻錨工況根據浪向選擇不同方案。各個工況的環境條件如表1所示。

表1 環境條件

考慮45°,90°,135°三個方向且風浪流同向的最不利情況,初始錨位布置圖如圖2所示,圖2中X向為船首方向。3,4,5,6為右舷定位錨,拋向路由南側,拋錨角度分別為65°,90°,128°,148°;2,1,8,7為左舷定位錨,對稱布置,拋向路由北側,⑨為主牽引錨。

3.3.2 三維模型

建立船體濕表面模型,建立帶系泊纜的船體模型,如圖3所示。

3.3.3 計算理論

計算理論采用三維勢流理論,假定流體是不可壓縮、無黏且無旋的,引入速度勢函數φ,根據速度勢函數的定義,可以得到流體的速度場分布:

由流體連續性方程可以得到,速度勢函數在流域內應該滿足拉普拉斯方程:

Δ2φ=0。

對于非定常流,速度勢函數φ滿足伯努利方程:

可以看出,只要得到正確的速度勢函數,便可以根據伯努利方程,解得流域內的壓力分布,再根據壓力分布沿浮體結構的濕表面進行積分,就可以得到浮體所受的流體載荷;于是浮體在流體中的受力求解問題,轉換為速度勢函數的求解問題。

3.3.4 波浪荷載

對線性化處理后的勢流方程進行求解,得到一階勢函數,進而結合伯努利方程給出壓力分布。

其中由入射勢引起的波浪力稱入射力,由繞射勢引起的波浪力稱繞射力,兩者合為一階波浪載荷。

船體左右對稱,則考慮在0°浪向、45°浪向、90°浪向、135°浪向以及180°浪向五個不同方向進行水動力特性計算。

3.3.5 風荷載

采用OCIMF提供的方法計算作用在船體上的風載荷:

其中,Fwx,Fwy,Mwxy分別為縱向風力、橫向風力、搖首風力矩;Cwx,Cwy,Cwxy分別為縱向風力系數、橫向風力系數、搖首風力矩系數;ρw為空氣密度;Vw為風速;AT為縱向受風面積;AL為橫向受風面積;LBP為垂線間長。

3.3.6 流荷載

采用DUT提供的駁船型絞吸挖泥船的流載荷系數計算作用在船體上的流載荷,該資料對水深條件沒有明確說明,應為絞吸挖泥船的一般作業水深,水流力和力矩按下述公式算[7]:

其中,Fcx,Fcy,Mcxy分別為縱向流力,橫向流力,搖首流力矩;Ccx,Ccy,Ccxy分別為縱向流力系數,橫向流力系數,搖首流力矩系數;ρc為水密度;Vc為流速;T為設計吃水;L為船長;B為船寬。

3.3.7 時域運動方程

浮體在波浪上的運動是以剛體在無限介質中的運動為基礎的,由牛頓第二定律:

其中,M為浮體的廣義質量矩陣;F為浮體受到的流體作用力;x為運動位移。

考慮到流體作用力可以分解為由入射勢引起的F-K力、由繞射勢引起的繞射力,由輻射勢引起的輻射力,以及靜水恢復力,其中F-K力與繞射力可以表示為波浪力Fw,可以推導得到系泊浮體在波浪上的時域運動方程:

CX(t)=Fw(t)+FWI+FCU+Fwf+FMR。

其中,M為質量矩陣;μ為附加質量矩陣;K為時延函數矩陣;C為靜水恢復力矩陣;Fw(t)為波浪力;FWI為風載荷;FCU為流載荷;Fwf為托管架所受的波流載荷,采用莫里森公式計算,并經過換算后加載在船體重心處。FMR為系泊纜載荷,采用懸鏈線法計算。

對每一段錨鏈單元,考慮其兩端的拉力,根據組合方程及邊界條件可以得到錨鏈的張力。

H1=H;

V1=V2-wS;

V2=wL;

其中,AE為錨鏈截面剛度。

對建立的船體及系泊纜模型在給定環境條件下進行長時間的時域仿真計算分析,可以得到系泊纜的纜繩張力、纜繩起錨力、纜繩拖地長度等相關時歷計算結果。

3.3.8 計算結果

根據時歷結果,可以得到各個纜繩的張力、起錨力、拖地長度情況,將時歷結果轉換為頻譜,求得各結果的有義值和最大值,以下為最大值結果。

1)作業工況初始位置。纜繩張力最大值如表2所示,相應纜繩拖地長度最小值為312.20 m。

表2 纜繩張力最大值(一) kN

2)作業工況移船200 m后。纜繩張力最大值如表3所示,相應纜繩拖地長度最小值為403.76 m。

表3 纜繩張力最大值(二) kN

3)焊接工況初始位置。纜繩張力最大值如表4所示,相應纜繩拖地長度最小值為289.06 m。

表4 纜繩張力最大值(三) kN

4)焊接工況移船200 m后。纜繩張力最大值如表5所示,相應纜繩拖地長度最小值為347.77 m。

表5 纜繩張力最大值(四) kN

5)翻錨工況。移船200 m后開始翻錨,根據來流方向不同,選擇不同的翻錨方案,對于左舷流,翻錨順序為6→5→4→3,對于右舷流,翻錨順序為7→8→1→2。每次翻錨包括起錨和重新下錨兩種狀態,由于船體對稱,布置方案也對稱,只考慮右舷流情況進行計算分析。

起7號錨時纜繩張力最大值為558.39 kN,相應纜繩拖地長度最小值為403.54 m。

起8號錨時纜繩張力最大值為558.95 kN,相應纜繩拖地長度最小值為400.78 m。

起1號錨時纜繩張力最大值為572.51 kN,相應纜繩拖地長度最小值為463.94 m。

起2號錨時纜繩張力最大值為577.85 kN,相應纜繩拖地長度最小值為417.39 m。

3.3.9 系泊纜繩張力結果分析

根據施工環境資料和初始狀態的系泊布置方案,采用動力分析方法對鋪管船在作業、焊接和翻錨工況下的運動、纜繩張力進行分析,得到各結果的可能最大值。

計算分析中計入托管架所受的波浪和流載荷,不考慮其對船體的定位能力,屬偏危險工況考慮;翻錨工況根據環境載荷作用方向,總是按順序移動背流一側的錨,計算過程類似單根失效工況[8]。

從計算結果可以看出,作業工況的可能最大纜繩張力為728.41 kN,焊接工況的可能最大纜繩張力為806.09 kN,翻錨工況的可能最大纜繩張力為577.85 kN,均小于纜繩最小破斷力1 050 kN。

3.3.10 錨抓力結果分析

鋪管船配置德爾塔大抓力錨,大抓力錨的抓重比通常在等重量普通無桿錨的兩倍以上,根據規范SY/T10040浮式結構物定位系統設計與分析,各種錨型在淤泥中的抓力如圖4所示,鋪管船配置7 t(約15.4 kips)的大抓力錨,其抓力約為194 kips,即抓重比約為12.6[9]。

在給定計算工況的作業環境條件下,通過時域分析得到纜繩臥底長度和起錨力的可能最大值,纜繩臥底長度相對較長,各階段的起錨力基本為零,均遠小于錨抓力;錨抓力亦大于各計算工況的最大纜繩拉力(806.09 kN)。計算結果表明在給定的計算工況環境條件下,鋪管船的錨抓力滿足API規定的定位能力要求,不會走錨。

3.4 其他施工技術措施和安全措施

3.4.1 掃測海纜和油管

施工前,對500 kV海纜、冊鎮油管進行路由和埋深掃測,將海纜和油管的實際掃測路由坐標資料導入鋪管船定位導航系統。

3.4.2 控制施工時間

選擇海況良好的4月—10月間施工,并避開臺風期,可控制風力、波浪不超出錨泊系統計算環境條件。根據潮汐規律合理安排鋪管作業、焊接、拋錨作業時間,漲、落潮流速小于3節流時才進行鋪管作業、翻錨作業。

3.4.3 科學設計錨位和精準下錨

翻錨前科學設計好錨位,經參建各方及海纜、油管運行部門審核同意后方可執行?？紤]錨到海床后至入泥抓緊需拖拉一段距離,故實際作業時,設計南側定位錨跨過最遠的一根海纜200 m以上,設計北側定位錨跨過油管500 m以上。

鑒于纜繩拋出距離最長可達1 100 m,故配置3 000 HP以上的大馬力起錨艇,起錨艇安裝可靠的厘米級精度的DGPS,由專業技術人員操作,每次起錨時起錨船將錨吊起,鋪管船錨機緩慢將纜繩回收到船邊,然后再由起錨船根據DGPS定位的新錨位,快速拉出纜繩,拋錨到設計位置。

根據與海纜、油管權屬方簽訂的安全協議,通過現場回傳照片、視頻等方式,船舶進場報備、拋錨過程、起錨過程、轉運錨過程等均嚴格接受海纜、油管運行部門的實時管控。

3.4.4 防掉錨措施

起錨、移錨過程中,由起錨船將船錨起吊出水面后,另加一根Φ39的鋼絲繩連接船錨,防止船錨因起吊鋼絲老化或碰撞出現斷絲、斷股等意外斷裂而墜落的情況發生。

3.4.5 備用全回轉拖輪

上述理論計算鋪管船錨泊系統是安全且有富余量,但為確保萬無一失,現場配備3 600 HP全回轉拖輪值守,當漲、潮流流速大于3節流時,全回轉拖輪慢車頂靠鋪管船背水側,根據水流大小、錨纜張力大小和鋪管船船位細小變化隨時調整頂推馬力。

3.4.6 交越杭甬高速復線

杭甬高速復線濱海互通主橋貫通后,因安全距離需要,灘海段登陸管道長度從原計劃的200 m增加到730 m。鋪管船調轉180°拋錨就位,采用倒發射浮運登陸的方式橫穿杭甬高速復線,鑒于狹窄的環境條件無法拋錨施打限位樁,故在登陸管道中間位置布置2個點,采用起錨艇和交通船以慢車頂推或拖拉鋼管,起到限位作用。

3.4.7 穿越金塘大橋通航孔航道

輸水管道路由依次穿越金塘大橋3個通航孔航道,應根據海事部門的要求做好施工警戒和過往船舶的交通組織。筆者以穿越5萬t級主通航孔航道為例做通航航法介紹。

主通航孔航道寬度1海里,鋪管船由東向西橫穿航道作業,錨泊影響區域為1 500 m×1 480 m的矩形。

進入航道期間,警戒船從2艘增加至4艘,以鋪管船為警戒中心,4艘警戒船布置在施工區域四角,引導過往船舶按公布的航法航行,航法如下:

1)當施工區域邊界向西移到金塘大橋北口燈浮230 m之前,北行和南行船舶在施工安全水域的西側通航,南行船舶占用少部分航道西側水域,航道外水深8.9 m,與航道內水深持平。

西側繞航示意圖見圖5。

2)當施工區域繼續向西移動到金塘大橋北口燈浮230 m～630 m之間時,南行船舶仍然在施工安全水域的西側繞航,而北行的船舶則到施工區域的東側繞航。兩側繞航示意圖見圖6。

3)當施工區域邊界繼續向西移動到金塘大橋北口燈浮以西630 m之后,南行、北行的船舶都可在施工安全水域的東側繞航(見圖7),雙向通航寬度800 m,距離施工區域邊界100 m。

隨著施工水域的逐步西移,可通航水域逐步變大,可以逐步恢復到原來的航道內通航。

4 效果分析

面對金塘—鎮海間的高流速復雜水域環境,通過采用以上增配的錨泊系統以及采取其他有針對性的施工技術措施、安全措施后,建基5001鋪管船于2023年5月—8月順利完成本項目海底輸水管道鋪設,實際鋪設路由與設計路由偏差均在±5 m以內,統計對比所有起、拋錨點坐標,錨點偏差均在20 m以內,未發生走錨情況,穿越3處航道時也沒有發生過往船舶因航法不明而危及施工區域的情況。

5 結論

1)對高流速復雜水域環境下的長距離輸水管道工程,采用具有強大錨泊定位功能的淺水鋪管船,再輔以全回轉拖輪應急頂推,以拋錨作業方式進行施工是一種行之有效的方案。

2)施工中應嚴格執行各項施工技術措施和安全措施,謹慎實施作業,船舶操作不能有大的偏差。

3)施工中遇臺風、強冷空氣等惡劣天氣,組織鋪管船隊及時撤離。

4)在10 m以下淺水區,鋪管船纜繩拋出去1 000 m左右,容易產生打扭損傷,采用在纜繩與錨連接處加裝錨鏈轉環組的方法,可有效減少打扭現象,并勤觀察近錨端的錨纜完好情況,如有打扭、斷絲等損傷應及時處理。