抛石法在涩宁兰复线凹岸治理中的应用

王洪波，刑贵先，孟献强，侯林强

1.中国石油天然气管道工程有限公司，河北廊坊065000

2.中国石油天然气管道局，河北廊坊065000

3.中油管道建设工程有限公司，河北廊坊065000

抛石法在涩宁兰复线凹岸治理中的应用

王洪波1，刑贵先2，孟献强2，侯林强3

1.中国石油天然气管道工程有限公司，河北廊坊065000

2.中国石油天然气管道局，河北廊坊065000

3.中油管道建设工程有限公司，河北廊坊065000

为解决涩宁兰复线河道凹岸处管道敷设问题，提出三种方案并进行了对比，最终采用抛石法进行凹岸处管道防护。根据河流最大流速，确定了抛石的最小粒径。在保护管道的基础上，采用浆砌石挡墙加素土的方法，不仅有效保护了管道，也保护了岸边公路。多年的正常运行表明，抛石法对于处理凹岸处管道穿越是一种有效、可靠的方法。

管道设计；抛石法；凹岸地区；冲刷

随着管道行业的蓬勃发展，管道的设计压力、钢级和口径大幅度提高，工作环境也由传统的平坦地区向恶劣的环境（高地震烈度区、冻土区、滑坡地带、不良地质条件地区）不断扩展，在这种情况下，对于恶劣的管道路由，需要有新的设计手段和施工方案作为施工的依据和保障，以满足现场工程的需要。

河道凹岸处管道敷设，作为管道在受限条件下的一种敷设工况，需要采用新的设计手段和施工方法来进行处理。在凹岸治理中，凹岸冲刷不仅影响岸堤以及周边土体的稳定性，而且也会影响管道的安全。本文结合涩宁兰复线AK184湟水河凹岸防护工程，提出了基于抛石法的地基和边坡治理方案，并对抛石粒径和施工方案的确定进行了探讨和研究。

1　工程概况

涩宁兰复线AK184-AK187段位于青海省民和县磨弯子村东，为低中山地貌，山势较陡峻，冲沟、陡坎发育，梁卯地形明显，植被覆盖率30%～50%，主要以草地为主。该段地层为第三系粉砂岩，紫红色，强风化～中风化，土石工程分级Ⅳ～Ⅴ级。

该段线路社会依托和交通便利，施工作业带距离川下公路仅有十几米，为施工作业的开展和设备管材的调配提供了便利条件。涩宁兰复线在2008年6月定线，当时该段山脚到河道的最小距离可达28.9 m，在设计中满足现场施工的要求[1]。

AK184-AK187段拍摄于湟水河弯道处，由于设计使用的航拍图为2008年初，但2008年10月的一场大雨使该处的地形发生了变化（如图1～2所示），川下公路在山体滑坡和河道凹岸冲刷的作用下，发生了大面积塌方，原敷设在公路边坡内的一条混凝土水管道在坍塌中已经损坏（如图3所示）。

图1　原地貌塌方处示意

图2　现场地形现状

图3　公路边坡以及边坡下水泥管损坏示意

AK184-AK187段山体主要是由强风化的粉砂岩夹杂3～5 m厚的卵石层组成，在水蚀作用下山体已经极不稳定，随时有滑坡的危险。2008年10月的山体滑坡导致公路受损，路边坡内的水管破碎，使得公路边坡缩小近10 m，若再次发生山体滑坡将会直接影响管道的安全，加之该处河道逐渐向公路一侧冲刷，施工和后期运营都存在很大的安全隐患。

2　方案分析

由于洪水凹岸冲刷，导致公路边坡塌方，地方公路部门已明确通知，不允许在AK184-AK187段沿山体坡脚敷设管道；另外，公路在河道凹岸冲刷的作用下，随时都有滑坡的可能性。若在此段施工，重型设备的碾压和振动就更容易导致公路滑坡，因此，该段管道路由需进行改线处理。

通过现场踏勘，提出了三个整改方案：绕山改线方案、定向钻方案和抛石方案。

2.1方案一（绕山改线）

该方案是管道在AK180处不穿过川下公路，而是一直向东穿过新建的工业园进场道路，沿着山沟敷设（见图4）。到了山上地势比较开阔、平坦的路段，可以穿过老管道一直向东敷设，然后再沿着东侧山沟向下，一直穿过公路，连到原线路上。该方案可以避开河道改道和滑坡体的威胁，并且不占用公路部门的路基，大大降低了施工难度，还可少穿2次公路，降低了工程成本。该方案除了下山处采取沟下焊接的施工方式，其他均可以采取沟上焊接，施工和焊接难度不大。但该方案通过民和县的新建工业园区边缘，需要得到有关部门的许可方可实施，且需在上山、下山处增设一定量的水工保护措施，来保证管道的安全。

图4　各方案示意

2.2方案二（定向钻）

此方案是将AK187+1向东40 m附近作为定向钻的入土点，贴着公路与河道中间处穿过，然后从AK184附近出土，定向钻的水平长度约487.5 m。此方案不仅可以成功地避开河道和滑坡风险，而且不占用公路边沟和路基。此方案施工措施简单，且施工难度较小，也少穿了2次公路。但该方案需要重新对该穿越处湟水河进行地质勘探，以确认该处是否满足定向钻要求，若不满足，该方案将无法实施。

2.3方案三（抛石）

该方案是在塌方区进行抛石处理，平整出一条可以施工的作业面，并进行碾压处理，以保证基础的承载力和稳定性；在管道的外侧修筑挡墙，以保证回填土的稳定性。该方案可以对管道、河道和岸边公路进行综合治理。

绕山改线方案由于管道进入了民和县的新建工业园区边缘，虽与地方国土局协调，该方案未被通过。定向钻方案在现场的定向钻入土、出土点位置做了两个选址性钻孔，现场地勘结果表明，在地表下1.5 m存在厚度为7～9.5 m的卵石层，卵石粒径较大，定向钻风险较大。抛石方案施工简单，不仅可以保护管道而且还可以保护岸边的公路，且经过经济比选，施工费用较低。因此，选用抛石方案。

3　抛石防护方案

抛石法在长输管道防护设计中应用较少，但在水利工程中经常使用。抛石法是指通过机械或人工抛投块石、卵石等人工或天然石料，在指定的区域内堆砌形成符合设计要求的结构体，并使之具有某种特定功能的一种施工方法。

抛石法最普遍的应用方式是各类堤岸的基脚防护，即抛石保护堤脚。抛石保护堤脚是采用抛石法对岸坡的下部分进行防护，增强基脚的抗冲刷能力，达到护岸的效果。

3.1抛石法工程特性

抛石的环境、工程特性主要包括六个方面[2]：

（1）抛投施工简单，利用块石自重置于水中，可实施人工与机械并举施工。

（2）具有可变形性，并且对被保护的堤岸坡有极大的相容性，同时抛石具有一定的自愈能力。

（3）具有很高的水力糙率，可减少波浪雨水流的冲刷作用。

（4）便于维修，且对维修技术要求较低，维修费用也较低。

（5）具有耐久性，在同等经济指标下，块石比水泥和土工合成物等材料寿命长；即使是钢材，其强度虽高于块石，但是在水下不做防锈保护，其耐久性也难与块石相比。

（6）块石不存在环境污染问题，包括对水体、空气与被加固的介质结构的侵蚀、腐蚀和毒害等。这一特点是抛石法历久不衰沿用至今的关键所在。

3.2块石粒径计算

块石稳定尺寸主要与水流流速、水流的紊动程度、块石密度、块石所在位置等有关。在实际工程设计中，块石粒径的确定还应考虑适当的稳定安全系数[3-6]。

利用块石作为河底和水下岸坡的防护层，根据国内外一般规定，其厚度不应小于2倍设计中值粒径。考虑抛石护岸工程基本都在水下抛石施工，受定位精度和水流作用影响，防护层的均匀性不易控制，因此，防护层的设计厚度应根据工程的重要性、施工方法、抛石部位的水深及流速等综合因素考虑确定，一般可采用2～4倍折算粒径。

根据GB 50286-2013《堤防工程设计规范》[7]中有关抗冲粒径计算公式确定块石粒径。

在水流作用下，防护工程护坡、护脚块石保持稳定的抗冲刷粒径（折算粒径）可以按照公式（1）来计算：

式中：d为折算粒径（按球型折算），m；V为水流流速，m/s；C为石块运动的稳定系数，水平底坡C=0.9，倾斜底坡C=1.2；g为重力加速度，m/s2，取9.81m/s2；rs为石块的密度，kg/m3，可取2.65×103kg/m3；r为水的密度，kg/m3，取1×103kg/m3。

根据相关部门提供的水文资料，涩宁兰复线AK184-AK187段湟水河百年一遇的水位为8.49 m，流速为4.07 m/s。根据式（1），当V=4.07 m/s，可计算得d=0.34 m，因此，从实际出发，为了确保施工质量，要求抛石粒径不小于40 cm，强度不小于MU30，严禁使用风化石。

3.3抛石法设计方案

该方案中管道在AK184处不穿越川下公路，而是沿着公路边直接向东敷设到湟水河边。抛石设计方案见图5。

图5　抛石方案示意/m

（1）在西侧靠近公路塌方的湟水河内抛石，石块大小控制在40～50 cm之间，石块选用强度不小于MU30的硬质块石，严禁使用风化石，抛石厚度控制在高出水面约1～1.5 m为宜，宽度为距公路边坡向里18 m，抛石必须要尽量碾压密实，以增强基础的承载力。

（2）然后采用石笼对抛石外缘进行护底处理，保证抛石体的稳定性。石面平整后，在距离抛石边缘靠近湟水河端3 m的位置砌筑2 m高的浆砌石挡墙[8]，长度约150 m。

（3）在上面铺一层直径10～20 cm左右的小石块（卵石），用C20混凝土灌缝，并在石面上形成一层20 cm厚的混凝土面。

（4）待混凝土硬化后在挡土墙内侧混凝土层上首先铺30～40 cm厚的细土，在细土上面进行管道焊接作业。

（5）待管道焊接完毕将挡墙内用土回填夯实，夯实系数不小于0.85，并保证管道周围30 cm内回填细土。

（6）从挡墙顶部向公路边坡修整一个大约1∶5的坡面，对背土进行平整，也便于雨水的排放。

涩宁兰复线AK184-AK187段的抛石方案成功解决了凹岸处管道横穿河道的难题，该方案不仅治理了河道，也保护了岸边的公路。该项目2009年11月完工，在2013年的设计回访中观察到，该处河道凹岸的冲蚀作用没有对坡脚造成损坏（见图6），也验证了该方案的可靠性。

图6　竣工后回访现场

4　结束语

抛石方案将抛石法引入管道设计中，并进行了改进和完善，为特殊地区的管道设计提供了依据。创新点如下：

（1）首次在凹岸横穿河道处采用抛石法进行地基铺设。

（2）在计算中根据河道的搬运能力，确定了最小的块石粒径。

（3）防护方案中充分考虑河道、公路和管道的治理，做到了一个方案解决三方面的问题。

该方法已经成功应用于涩宁兰复线项目上，可为以后类似的管道设计提供新的设计手段和技术支持。

[1]GB 50251-2015，输气管道工程设计规范[S].

[2]陶亦寿，谭界雄.抛石法[M].北京：中国水利水电出版社，2006．

[3]张明光.抛石护岸工程设计中块石粒径的确定[J].人民长江，2003，34（2）：24-25.

[4]赵搏天，胡应娜.抛石护岸设计方法简析[J].黑龙江水利科技，2009，37（4）：301-302.

[5]孙青，余承龙，冯晓伟.局部抛石用于深水海底管道悬跨治理研究与应用[J].石油工程建设，2016，42（2）：14-19.

[6]亨普希尔.河渠护岸工程（方案选择及设计导则）[M].北京：中国水利水电出版社，2001．

[7]GB 50286-2013，堤防工程设计规范[S].

[8]SY/T 6793-2010，油气输送管道线路工程水工保护设计规范[S].

Application of Riprap Method in Concave Bank Area in Se-Ning-L an Second Gas Pipeline Project

WANG Hongbo1，XING Guixian2，MENG Xianqiang2，HOU Linqiang3
1.China Petroleum Pipeline Engineering Corporation，Langfang 065000，China
2.China Petroleum Pipeline Bureau，Langfang 065000，China
3.China Petroleum Pipeline Construction Corporation，Langfang 065000，China

In order to solve the laying problem of pipeline crossing concave bank area in Se-Ning-Lan Second Gas Pipeline Project，several schemes are compared and the riprap method is applied to protect pipeline in concave bank area.The minimum stone diameter is determined according to the maximum flow velocity.On the basis of pipeline protection，the method of masonry retaining wall with compacted soil has been applied，and it protects not only the pipeline but also the road nearby the river.As per normal operation within several years，it is shown that the riprap method is an effective and reliable way to protect pipeline crossing in concave bank area.

pipeline design；riprap method；concave bank area；scour

10.3969/j.issn.1001-2206.2016.05.008

王洪波（1977-），男，吉林梨树人，高级工程师，2005年毕业于大连理工大学力学专业，硕士，主要从事国内外管道设计、管道水工保护和管道应力分析方面的研究工作。

Email：wanghongbo@cppe.com.cn

2016-05-12；

2016-06-01