输气管道水工保护措施实例

王铁军， 徐 威

(1.烟台新奥燃气发展有限公司，山东烟台264002；2.中国市政工程华北设计研究总院有限公司 第十设计研究院，天津300074)

1 概述

统计资料表明，外力引起的破坏是管道运行安全的主要威胁，在外力破坏中，水害对管道安全的威胁属第一位。水害的发生具有一定的偶然性。每年汛期，水害事故都会频繁发生，尤其是山区，泄洪道少，水道狭窄，水害现象更为严重，严重威胁管道的安全运行。

涩宁兰输气管道复线工程起自青海省柴达木盆地涩北一号气田涩宁兰老线涩北首站，东至兰州西固区，管道沿线途经青海省和甘肃省，线路长度为921.4 km。管道设计压力为6.3 MPa，干线管道规格为D660×7.1。涩宁兰输气管道复线工程于2009年12月建成并投产。

2010年6月7日夜晚至8日上午9时，青海省乌兰县茶卡镇塔拉村区域连续强降雨，地表雨水汇流成洪，突发洪水灾害，使涩宁兰输气管道复线工程设计三标段乌兰县茶卡镇塔拉村地段ADS003至ADS008+226 m桩间遭受不同程度破坏，管堤被冲毁，管道上方冲刷成沟，特别是桩号ADS007+529 m至ADS008+226 m之间，洪水冲毁状况特别严重，桩号ADS007+574 m至ADS007+664 m长度为90 m的防腐管道已被洪水冲出并漂管上浮，管段东侧一端出现明显自然弯曲，外露防腐管道管顶最高点距自然地面只有1.0 m，而在水害前该段管道实际管顶埋深为2.2 m以上。管沟塌陷及冲刷段中游部分的现场实景见图1(图1中的红色线段为埋地管道平面位置)，管沟塌陷及冲刷段下游部分的现场实景见图2。

图1 管沟塌陷及冲刷段中游部分的现场实景

图2 管沟塌陷及冲刷段下游部分的现场实景

2 水工保护措施

为了保证涩宁兰输气管道复线的正常运行，事故发生后的第一时间，在漂管上浮段通过清理管底淤积物使管道自然下沉至原位稳定土层。

此处地形较平缓，纵坡坡度最大不超过3.5°。从此次山洪水毁情况来看，天气突变导致的偶发性洪水会对管道运行安全产生隐患，而且当时正处于雨季，雨水及附近山上的融雪雪水较多。因此，对洪水冲毁线路段增设水工防护，提出钢筋混凝土配重块稳管+袋装砂截水墙防冲刷的措施。

2.1 钢筋混凝土配重块

根据GB 50423—2013《油气输送管道穿越工程设计规范》第4.2.3条，水下管段抗漂浮稳定性按式(1)计算。

W1≥KF

(1)

W1=W2+Wc

(2)

式中W1——单位长度管段的总重力(包括管身结构自重W2和配重块重量Wc，不含管内介质重量)，N/m

K——稳定安全系数，大中型穿越工程取1.2，小型穿越工程取1.1，考虑到水毁事故对管道造成的破坏以及后期运行安全，本文K取值为1.15

F——单位长度管段静水浮力，N/m

W2——单位长度管身结构自重，N/m

Wc——单位长度管道需要施加的配重块重量，N/m

因此，将式(2)代入式(1)，可得水下单位长度管道的抗漂浮稳定性计算公式，即式(3)。

(3)

由式(3)变换可得，为了防止水下管道上浮，单位长度管道需要施加的配重块重量计算公式为式(4)。

Wc≥1.15F-W2

(4)

在此基础上进行下列钢筋混凝土配重块的安装间距计算。

① 管道浮力

管道浮力计算公式见式(5)。

(5)

式中D——管道外直径，m，为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

经计算，单位长度管道静水浮力F为3 351.07 N/m。

② 管身结构自重

单位长度管身结构自重按式(6)计算。

(6)

式中d——管道内直径，m，为0.645 8 m

ρ——钢管钢材密度，kg/m3，取7 850 kg/m3

经计算，单位长度管道管身结构自重W2为1 119.77 N/m。

③ 配重块重量

将F=3 351.07 N/m、W2=1 119.77 N/m代入公式(4)，可计算出单位长度管道需要施加的配重块重量Wc应不小于2 733.96 N/m，本文Wc取2 734 N/m进行计算。

④ 配重块对管道实际产生的重力

单个配重块对管道实际产生的重力按式(7)计算。

W=Vc(ρc-ρw)g

(7)

式中W——单个钢筋混凝土配重块扣除自身的浮力后对管道实际产生的重力，N

Vc——单个钢筋混凝土配重块的体积，m3，现场制作的配重块每块体积约为0.62 m3

ρc——钢筋混凝土的密度，kg/m3，取2 400 kg/m3

经计算，单个钢筋混凝土配重块扣除自身的浮力后对管道实际产生的重力W为8 506.4 N。

⑤ 配重块设置间距

钢筋混凝土配重块设置的最大间距按式(8)计算。

(8)

式中Lmax——钢筋混凝土配重块设置的最大间距，m

将W=8 506.4 N、Wc=2 734 N/m代入式(8)，可计算出钢筋混凝土配重块设置的最大间距Lmax为3.11 m。因此，本文钢筋混凝土配重块的设置间距取3 m。

钢筋混凝土配重块制作时靠近管道的内圆弧表面应圆滑。放置配重块的管道处在管道外面包覆厚度为8 mm的橡胶板，包裹时橡胶板搭接20 cm，搭接位置设在管道下方，橡胶板向配重块两边各延伸50 cm，以防止配重块破坏管道防腐层。钢筋混凝土配重块布置的现场实景见图3。

图3 钢筋混凝土配重块布置的现场实景

2.2 袋装砂截水墙

依据SY/T 6793—2010《油气输送管道线路工程水工保护设计规范》第4.1.3条和第4.1.4条，以及SY/T 4126—2013《油气输送管道线路工程水工保护施工规范》第9.3.2条，截水墙应符合以下要求。

① 截水墙基底应置于管沟沟底，其顶面应与原自然地面齐平。

② 截水墙两端应嵌入两侧管沟沟壁各0.2～0.5 m。沟壁土质较软时取较大值，土质较硬时取较小值。

③ 截水墙基底应水平，在岩质管沟地段可置于稳定的管沟沟底，土质管沟地段嵌入管沟沟底不宜小于0.2 m。

④ 截水墙间距随管沟沟底纵向坡度的增大而减小。由于本文中管道受洪水冲刷段地形较平缓，截水墙间距宜在10～20 m范围。

⑤ 截水墙材料包括浆砌石、混凝土、草袋等，其适用范围及厚度要求应结合施工条件，并符合当地土质情况。由于本文中管道受洪水冲刷段为季节性洪水冲刷，地表为荒漠戈壁，就近无石材可用，采用浆砌石和混凝土材料费时费力。从管沟开挖断面可以看出，管沟开挖的土方中石块粒径较小，可就地取材做成袋装砂截水墙，砂子最大粒径不超过50 mm。袋子采用规格为0.25 m×0.30 m×0.50 m的聚丙烯抗腐蚀编织袋。袋装砂应逐层交错平整码放。

结合现场实际情况，在管沟不同程度塌陷线路段设置袋装砂截水墙共81道，用于防止地表水和地下水对管道中心线附近土层的冲刷。截水墙间距为15 m，截水墙高度为2.5 m，厚度为0.5 m，宽度根据实际管沟宽度而定，并嵌入管沟两边原土层内0.2 m。

3 运行效果

通过以上措施，有效地解决了此次季节性山洪对管道产生的冲刷破坏。根据多年来的跟踪观察，该管道再未出现过此类问题，水工保护措施有效得当。

4 类似水工保护在工程设计中的应用

烟台市区天然气环城高压管道工程是保障烟台市区安全稳定用气，保障城市经济发展的重要能源通道，管道总长度约127 km，其中丘陵和山地段长度为50 km。该工程在设计中借鉴了涩宁兰输气管道复线工程的水工保护经验，采取了以下措施保证管道安全：管道穿越河流地段，结合河道的堤防、护滩、护堤及河道的整治规划设置护岸砌体；对于穿越滞洪区管道，加大管道埋深，同时采取钢筋混凝土配重块的稳管措施；对于管道通过陡坎、陡坡、河渠、冲沟、公路填方区等地方，视具体情况设置挡土墙、护坡、护壁、排水沟等。该项目即将进入施工阶段。