灌河口疏浚工程沉管方案比選及敷設淺析

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，往往因施工環境、吹填距離、通航要求等因素需要敷設沉管，而沉管的敷設方案選取以及相關技術要求也因不同工程的特點而有所差異。例如在施工中易發生堵管的應避免選取沉管方案[1]；考慮水頭損失的差異情況應選擇合適的浮管、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，分析兩種沉管敷設方案，從施工安全、通航影響、吹填效率等方面進行優缺點對比，選取較優方案；并對沉槽開挖、沉管沉放、沉管起浮工藝技術進行分析，為類似工程中沉管敷設方案的優化選取以及沉管敷設施工技術提供參考經驗。

1 工程概況

1.1 項目簡介

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

圖1 灌河口先導段施工區域示意圖Fig.1 Schematic diagram of irrigation estuary pilot section construction area

H2-H3航段周邊碼頭數量多，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一定水域面積外，絞吸船尾部拖曳的浮管以及兩側的橫移錨也將占用部分通航水域。考慮到航道船舶流密集、沿線港口生產情況、航道水深及結合絞吸船施工特點等因素，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

灌河口潮汐屬正規半日潮，往復流性質，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，根據燕尾港2005年及2006年的潮位實測資料統計得到[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，漲潮最大流速出現在高潮位之前1～2 h，落潮最大流速出現在中潮位附近[4]。

2 沉管敷設方案對比

2.1 沉管敷設方案

(1)敷設方案一。

沉管由管線上岸點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)，并在此設置轉角過渡點，過渡點沉管將逐步上浮轉為橡膠浮管，在完成轉向后再逐步下沉垂直于碼頭沉底穿越現狀航道，并在距施工航道邊線外約30 m處設置端點站，再由浮管連接絞吸船進行吹填施工。端點站位置距碼頭前沿約160 m，穿越航道處沉管需挖槽埋管。

(2)敷設方案二。

施工區域航道西側為大面積淺灘，沉管可由管線上岸點直接穿越航道至西側淺灘，在施工航道北側約60 m及西側約125 m處設置轉角點，順航道軸線往南敷設至航道中間位置處設置端點站，再由浮管連接絞吸船進行吹艏施工。穿越航道處沉管需挖槽埋管。沉管敷設方案一、方案二見圖2所示。

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

2.2 敷設方案比選

(1)沉管方案一。

優點：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°轉角示意圖Fig.3 90°Angle diagram of pipeline

(2)沉管方案二。

優點：①管線布置簡單，不存在較大轉角與落差，利于吹填施工；②浮管布設于淺灘上，對東側航道通航基本無影響；③端點站可布置于淺灘上，不影響通航，同時便于調整，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，沿途設置多個端點站，施工船舶可根據施工不同水域合理調整端點站，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：①沉管挖槽布管需要一定時間臨時封航，對通航存在影響。

根據現有工況條件，沉管方案二要優于方案一，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成(還有一種為僅由鋼管構成，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現的，當往管道內灌水，使管道的重量大于其自身產生的浮力時，管線就下沉。當往已沉好的管線管道內注入壓縮空氣后，管線管道內的水被逐步排出，管線的重量逐步減輕，當壓縮空氣注入到一定程度，使管線重量小于自身所產生的浮力，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，平潮時在敷設區拉直，兩端用方駁錨碇。下沉時，拆去盲板，從一端管口灌水(灌水分為自然灌水和機械灌水，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，在一端管線下沉時應將另一端方駁(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先導工程)施工項目沉管穿越航道時為避免過往船舶發生觸管事故，需要在原航道上開挖沉管槽。在開挖沉管槽前，需要確定沉管敷設位置、長度以及沉管槽開挖寬度、深度等尺寸信息。

其次，學校應當做好相關的宣傳教育，糾正部分農村訂單定向醫學生對其專業學習的偏見：即認為農村訂單定向醫學生以后回基層工作沒有成就，其學業比普通大臨床學科技術水準要求更低，從而認為學業是可以輕輕松松完成的，學業上存在得過且過的現象。

3.2.1 敷設位置選擇

沉管管線的敷設盡可能選擇水流相對平緩、河床比較穩定、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。本工程施工區域北側在距離施工區180 m處，航道底部平緩，水深較淺，航道無驗潮水深為6 m，方便與接岸點直線連接，是成槽布管較為合適的區域。

3.2.2 敷設長度確定

在確定好敷設沉管的位置后，根據環境及工況情況，確定沉管敷設長度約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行，這樣才能確保沉放的精準度。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，從而可能會導致管線偏離沉槽區域。因此，為了保證管線能沉放在開挖槽內，就需要控制好開挖槽的寬度。

本工程在確定沉槽寬度時，采用簡易計算法來確定，即結合沉管下沉總時間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，根據相關文獻[7]，查看灌河潮位、流速過程線圖，在低平潮1 h內的平均流速取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。

計算沉管下沉總時間可采用式(2)確定

(2)

式中：W為管道進水總量，m3；S為進水斷面面積，m2，采用自然灌水法進水斷面面積即為管道截面面積；V0為進水速度，m/s。

計算進水速度V0可根據能量守恒公式推導出式(3)進行確定

(3)

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

將各數據代入式(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，應當保持富裕水深不小于船舶實際最大吃水的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，開挖槽處無驗潮水深為6 m，預留1 m的安全深度，計劃開槽挖至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

根據計劃挖槽的尺寸計算出開挖工程量，結合施工船舶的施工能力，預計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精確定位，確保挖掘成槽位置準確。首先絞吸船接好浮管做好施工準備，在低平潮時間進行封航(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布設一只定位錨，配合以20 m鋼絲繩牽拉，確保沉放時不會產生較大偏移。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，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，對管線沉放效果進行檢測，若發現管線出現搭接、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，需對沉管進行起浮回收。起浮施工前需提前報海事部門申請，完成相應手續后方可開展管線起浮施工。沉管起浮時，首先對沉管進行充氣排水，由錨艇逐節起吊，直至沉管全部起浮后，拖運至安全水域進行拆解。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 結束語

通過對灌河口5萬t級航道整治工程(H2-H3先導工程)施工項目中沉管管線敷設方案的比選以及沉管施工方案分析，得出以下三點經驗：

(1)沉管敷設方案應全面考慮施工安全、技術難點、施工效率、通航影響等因素，進行綜合比選，選擇安全性可靠、施工技術難點小、施工效率高、通航影響小的方案。

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

(3)在確定沉槽尺寸時可采用公式進行驗算，應實測平潮流速，使計算值更為準確。