原油管道穿越船閘引航道通航條件影響分析

孫建軍＊，張兵，范海文

（山東省交通規劃設計院集團有限公司，山東 濟南 250101）

關于穿越航道的水下管道選址要求，《內河通航標準》[1]第5.3.1 條：穿越航道的水下電纜、管道、涵管和隧道等水下過河建筑物必須布設在遠離灘險、港口和錨地的穩定河段。該規定對于安全間距僅做了定性要求，沒給出定量標準。船閘引航道附近一般會配套建設停泊錨地、靠船墩等，船舶通航密度大，在此處建設管道穿越工程會面臨船舶通航及拋錨帶來的埋設環境風險，在水平方向上往往做不到絕對遠離碼頭、錨地等，因此，為保證管道建設和運營安全，科學分析管道埋設影響因素、合理確定埋設尺度就顯得極為重要。本文以日濮洛原油管道（日照－濮陽－洛陽原油管道工程）穿越長溝船閘引航道為例，綜合分析了河床極限沖刷、船舶應急拋錨、船閘改擴建等因素影響，合理論證了管道埋置方案的可行性，以減小對航道通航條件的影響，確保建成后船閘、錨地使用及航運正常進行。日濮洛原油管道首站位于日照港嵐山港區，末站位于洛陽市吉利區，線路全長796km，管道在濟寧市汶上縣定向鉆穿越梁濟運河（京杭運河）長溝船閘上游引航道。

1 工程河段通航環境

（1）與通航有關的設施。管道采用定向鉆方式穿越長溝船閘上游引航道，上距長溝船閘遠調站及停泊錨地486m，下距船閘停泊段靠船墩163m。

（2）航道條件。管道穿越梁濟運河于長溝閘上與鄧樓閘下之間，本段航道已按Ⅲ級航道標準建成，設計最小水深3.4m，底高程30.8m，航道底寬45m。依據《山東省內河航道與港口布局規劃》[2]，梁濟運河航道規劃等級為Ⅱ級。目前，長溝船閘已按Ⅱ級標準建成，引航道設計底寬60m，底高程29.85m。

2 埋置方案要求

關于穿越航道的水下管道布設的相關標準規定如下：

（1）《內河通航標準》：在航道和可能通航的水域內布置水下過河建筑物，應埋置于河床內，其頂部設置深度，Ⅰ級～Ⅴ級航道不應小于遠期規劃航道底標高以下2m。

（2）《油氣輸送管道穿越工程設計規范》[3]：水平定向鉆入土點、出土點及隧道豎井邊緣距大堤坡腳的距離不宜小于50m。

結合本項目管道選址位置、航道通航條件等特點，尚應重點考慮以下核心因素影響：①梁濟運河作為地區重要的行洪河道，為保障河道行洪和管道安全，應考慮并合理計算河床的極限沖刷深度。②管道上下游有船閘錨地、停泊區等設施，船舶通航密度大，應在河道極限沖刷工況下，計算代表船型應急拋錨貫入深度。③考慮航運遠期發展的需要，應合理論證管道出入土點位置，為二線船閘建設預留足夠空間。

3 航道影響因素分析

3.1 河床極限沖刷深度

沖刷深度按照《公路工程水文勘測設計規范》[4]中粘性土河床一般沖刷計算公式進行計算。

式中，hp 為一般沖刷后的最大水深（m）；Q2 為河槽部分通過的設計流量（m3/s）；hcm 為河槽部分最大水深（m）；Ad 為單寬流量集中系數；hcp 為河槽部分平均水深（m）。

根據式（1）計算，管道穿越梁濟運河處發生50 年一遇設計洪水時，河床極限沖刷深度為0.84m。

3.2 船舶應急拋錨貫入深度

本文利用經驗算法、理論公式法和有限元數值模擬方法對比分析拋錨貫入深度。

（1）代表船型和錨型。根據規劃，本段航道通航最大船舶為2000 噸級貨船。據調研，工程區域船舶現多采用霍爾錨與斯貝克錨，斯貝克錨是霍爾錨的改進型，錨型在結構上相似，其結構尺寸并無太大差異，因此本研究采用霍爾錨作為代表錨型。

（2）經驗算法。根據相關工程經驗，錨的貫穿深度可以按錨爪長度的一定倍數進行預測[5]，貫穿深度與錨爪長度的比例在沙土及硬粘土中均為1，在泥、軟淤泥及粘土中最小為3，最大為5。根據穿越處河道地質資料，河床以下主要為沙土及硬粘土，2000 噸級船舶錨爪長度為0.89m，則拋錨貫穿深度為0.89m。

（3）理論公式法。理論公式采用Young 公式法計算錨貫入深度[6]：

式中：D 為貫穿深度（m）；N 為物體的形狀系數；S 為土壤系數；W 為物體的質量（kg）；V 為物體接觸土壤時的速度（m/s）；A 為物體的橫截面積（m2）。

根據式（2）計算得到錨貫入深度為0.49m。

（4）有限元方法。近年來，有限元法被廣泛應用于模擬拋錨貫入深度研究中，能夠真實模擬工程區域河床底部的地質特征及落錨沖擊河床的動態貫入過程。根據研究[7]，船錨斜向60 度落下時貫入深度最大，為最不利工況，經分析，工程區域2000 噸級貨船拋錨最大貫入深度為0.86m。

（5）綜合分析。由于經驗算法僅根據相關工程經驗中錨的貫穿深度和錨爪長度的比例關系來估算，該方法計算結果沒有考慮本項目的地質、水深、船型等情況，結果適用性較差；Young 公式算法，雖考慮了速度、工程地質、水深、錨重等因素，但是在工程地質的參數選取針對性較差，選擇范圍較廣，無法具體描述工程實際地質情況；有限元方法能夠充分考慮本項目的地質、水深、船型等情況，模擬錨貫入河床的整個動力過程，因此能夠較好地反映工程地質下的沖擊過程，結果更具有針對性和適用性。因此，本研究最終以有限元方法計算結果0.86m 為準，其他方法研究結果僅作為參考。

3.3 遠期二線船閘建設

為使管道建成后不影響遠期長溝二線船閘的規劃建設，減小對航道條件的影響，本文結合二線船閘布置方案，對管道出入土點位置進行優化，為二線船閘建設預留足夠空間。穿越處管道與船閘的平面布置關系，見圖1。

圖1 管道與船閘平面關系圖

4 埋設方案分析

4.1 出入土點

管道出入土點均位于大堤背水側，不在航道范圍內，結合本文提出的二線船閘布置方案，管道出入土點位置能夠滿足遠期二線船閘布置要求。

4.2 埋設深度

考慮極限工況，河床極限沖刷深度和船舶應急拋錨貫入深度是管道埋設深度的核心控制因素，因此，設計管頂高程按照“規劃航道底高程－河床極限沖刷深度－船舶應急拋錨貫入深度”進行控制。在極限工況條件下，管頂以上覆蓋層厚度不應小于《內河通航標準》中的2m 要求。

考慮河床極限沖刷、船舶應急拋錨、遠期二線船閘建設等因素后，在航道和可能通航的水域范圍內，管頂以上覆蓋層厚度滿足通航要求，見表1。

表1 管道埋設深度

5 結論和建議

（1）定向鉆施工管道埋深一般較大，如果在水平方向上不能做到絕對遠離碼頭、錨地等，若在極限工況下管道埋深足夠大，可以等同認為在垂直方向上做到了遠離。

（2）考慮河床極限沖刷、船舶拋錨等因素后，管道頂部覆蓋層厚度仍滿足通航要求，且為遠期船閘建設預留了足夠空間，對航道通航條件基本沒有影響。

（3）為確保管道及船舶航行安全，管道建設單位應設置導助航設施及安全警示標志等，并配套建設必要的維護及安全保障設施。