輸氣管道水工保護措施實例

王鐵軍， 徐 威

(1.煙臺新奧燃氣發展有限公司，山東煙臺264002；2.中國市政工程華北設計研究總院有限公司 第十設計研究院，天津300074)

1 概述

統計資料表明，外力引起的破壞是管道運行安全的主要威脅，在外力破壞中，水害對管道安全的威脅屬第一位。水害的發生具有一定的偶然性。每年汛期，水害事故都會頻繁發生，尤其是山區，泄洪道少，水道狹窄，水害現象更為嚴重，嚴重威脅管道的安全運行。

澀寧蘭輸氣管道復線工程起自青海省柴達木盆地澀北一號氣田澀寧蘭老線澀北首站，東至蘭州西固區，管道沿線途經青海省和甘肅省，線路長度為921.4 km。管道設計壓力為6.3 MPa，干線管道規格為D660×7.1。澀寧蘭輸氣管道復線工程于2009年12月建成并投產。

2010年6月7日夜晚至8日上午9時，青海省烏蘭縣茶卡鎮塔拉村區域連續強降雨，地表雨水匯流成洪，突發洪水災害，使澀寧蘭輸氣管道復線工程設計三標段烏蘭縣茶卡鎮塔拉村地段ADS003至ADS008+226 m樁間遭受不同程度破壞，管堤被沖毀，管道上方沖刷成溝，特別是樁號ADS007+529 m至ADS008+226 m之間，洪水沖毀狀況特別嚴重，樁號ADS007+574 m至ADS007+664 m長度為90 m的防腐管道已被洪水沖出并漂管上浮，管段東側一端出現明顯自然彎曲，外露防腐管道管頂最高點距自然地面只有1.0 m，而在水害前該段管道實際管頂埋深為2.2 m以上。管溝塌陷及沖刷段中游部分的現場實景見圖1(圖1中的紅色線段為埋地管道平面位置)，管溝塌陷及沖刷段下游部分的現場實景見圖2。

圖1 管溝塌陷及沖刷段中游部分的現場實景

圖2 管溝塌陷及沖刷段下游部分的現場實景

2 水工保護措施

為了保證澀寧蘭輸氣管道復線的正常運行，事故發生后的第一時間，在漂管上浮段通過清理管底淤積物使管道自然下沉至原位穩定土層。

此處地形較平緩，縱坡坡度最大不超過3.5°。從此次山洪水毀情況來看，天氣突變導致的偶發性洪水會對管道運行安全產生隱患，而且當時正處于雨季，雨水及附近山上的融雪雪水較多。因此，對洪水沖毀線路段增設水工防護，提出鋼筋混凝土配重塊穩管+袋裝砂截水墻防沖刷的措施。

2.1 鋼筋混凝土配重塊

根據GB 50423—2013《油氣輸送管道穿越工程設計規范》第4.2.3條，水下管段抗漂浮穩定性按式(1)計算。

W1≥KF

(1)

W1=W2+Wc

(2)

式中W1——單位長度管段的總重力(包括管身結構自重W2和配重塊重量Wc，不含管內介質重量)，N/m

K——穩定安全系數，大中型穿越工程取1.2，小型穿越工程取1.1，考慮到水毀事故對管道造成的破壞以及后期運行安全，本文K取值為1.15

F——單位長度管段靜水浮力，N/m

W2——單位長度管身結構自重，N/m

Wc——單位長度管道需要施加的配重塊重量，N/m

因此，將式(2)代入式(1)，可得水下單位長度管道的抗漂浮穩定性計算公式，即式(3)。

(3)

由式(3)變換可得，為了防止水下管道上浮，單位長度管道需要施加的配重塊重量計算公式為式(4)。

Wc≥1.15F-W2

(4)

在此基礎上進行下列鋼筋混凝土配重塊的安裝間距計算。

① 管道浮力

管道浮力計算公式見式(5)。

(5)

式中D——管道外直徑，m，為0.660 m

ρw——水的密度，kg/m3，取1 000 kg/m3

g——重力加速度，m/s2,取9.8 m/s2

經計算，單位長度管道靜水浮力F為3 351.07 N/m。

② 管身結構自重

單位長度管身結構自重按式(6)計算。

(6)

式中d——管道內直徑，m，為0.645 8 m

ρ——鋼管鋼材密度，kg/m3，取7 850 kg/m3

經計算，單位長度管道管身結構自重W2為1 119.77 N/m。

③ 配重塊重量

將F=3 351.07 N/m、W2=1 119.77 N/m代入公式(4)，可計算出單位長度管道需要施加的配重塊重量Wc應不小于2 733.96 N/m，本文Wc取2 734 N/m進行計算。

④ 配重塊對管道實際產生的重力

單個配重塊對管道實際產生的重力按式(7)計算。

W=Vc(ρc-ρw)g

(7)

式中W——單個鋼筋混凝土配重塊扣除自身的浮力后對管道實際產生的重力，N

Vc——單個鋼筋混凝土配重塊的體積，m3，現場制作的配重塊每塊體積約為0.62 m3

ρc——鋼筋混凝土的密度，kg/m3，取2 400 kg/m3

經計算，單個鋼筋混凝土配重塊扣除自身的浮力后對管道實際產生的重力W為8 506.4 N。

⑤ 配重塊設置間距

鋼筋混凝土配重塊設置的最大間距按式(8)計算。

(8)

式中Lmax——鋼筋混凝土配重塊設置的最大間距，m

將W=8 506.4 N、Wc=2 734 N/m代入式(8)，可計算出鋼筋混凝土配重塊設置的最大間距Lmax為3.11 m。因此，本文鋼筋混凝土配重塊的設置間距取3 m。

鋼筋混凝土配重塊制作時靠近管道的內圓弧表面應圓滑。放置配重塊的管道處在管道外面包覆厚度為8 mm的橡膠板，包裹時橡膠板搭接20 cm，搭接位置設在管道下方，橡膠板向配重塊兩邊各延伸50 cm，以防止配重塊破壞管道防腐層。鋼筋混凝土配重塊布置的現場實景見圖3。

圖3 鋼筋混凝土配重塊布置的現場實景

2.2 袋裝砂截水墻

依據SY/T 6793—2010《油氣輸送管道線路工程水工保護設計規范》第4.1.3條和第4.1.4條，以及SY/T 4126—2013《油氣輸送管道線路工程水工保護施工規范》第9.3.2條，截水墻應符合以下要求。

① 截水墻基底應置于管溝溝底，其頂面應與原自然地面齊平。

② 截水墻兩端應嵌入兩側管溝溝壁各0.2～0.5 m。溝壁土質較軟時取較大值，土質較硬時取較小值。

③ 截水墻基底應水平，在巖質管溝地段可置于穩定的管溝溝底，土質管溝地段嵌入管溝溝底不宜小于0.2 m。

④ 截水墻間距隨管溝溝底縱向坡度的增大而減小。由于本文中管道受洪水沖刷段地形較平緩，截水墻間距宜在10～20 m范圍。

⑤ 截水墻材料包括漿砌石、混凝土、草袋等，其適用范圍及厚度要求應結合施工條件，并符合當地土質情況。由于本文中管道受洪水沖刷段為季節性洪水沖刷，地表為荒漠戈壁，就近無石材可用，采用漿砌石和混凝土材料費時費力。從管溝開挖斷面可以看出，管溝開挖的土方中石塊粒徑較小，可就地取材做成袋裝砂截水墻，砂子最大粒徑不超過50 mm。袋子采用規格為0.25 m×0.30 m×0.50 m的聚丙烯抗腐蝕編織袋。袋裝砂應逐層交錯平整碼放。

結合現場實際情況，在管溝不同程度塌陷線路段設置袋裝砂截水墻共81道，用于防止地表水和地下水對管道中心線附近土層的沖刷。截水墻間距為15 m，截水墻高度為2.5 m，厚度為0.5 m，寬度根據實際管溝寬度而定，并嵌入管溝兩邊原土層內0.2 m。

3 運行效果

通過以上措施，有效地解決了此次季節性山洪對管道產生的沖刷破壞。根據多年來的跟蹤觀察，該管道再未出現過此類問題，水工保護措施有效得當。

4 類似水工保護在工程設計中的應用

煙臺市區天然氣環城高壓管道工程是保障煙臺市區安全穩定用氣，保障城市經濟發展的重要能源通道，管道總長度約127 km，其中丘陵和山地段長度為50 km。該工程在設計中借鑒了澀寧蘭輸氣管道復線工程的水工保護經驗，采取了以下措施保證管道安全：管道穿越河流地段，結合河道的堤防、護灘、護堤及河道的整治規劃設置護岸砌體；對于穿越滯洪區管道，加大管道埋深，同時采取鋼筋混凝土配重塊的穩管措施；對于管道通過陡坎、陡坡、河渠、沖溝、公路填方區等地方，視具體情況設置擋土墻、護坡、護壁、排水溝等。該項目即將進入施工階段。