浅析管线工程穿越浑河冲刷深度计算方法

2022-04-02金子嵩

浙江水利科技 2022年2期

金子嵩

（辽宁省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，辽宁沈阳 110006）

1 问题的提出

浑河为辽宁省较大河流，发源于抚顺市清原县湾甸子镇，自东北向西南流经抚顺、沈阳、辽阳、鞍山、盘锦、营口等地区，经营口西市区渤海大街入海。浑河是沈阳市的母亲河，近年来随着沈阳南部城区的崛起，大量穿河管线工程不断修建。对于穿河管线自身安全而言，水流的不断冲刷会造成管线露出河床，令管线直接承受水体的动力及腐蚀作用，影响管线安全。因此，管线穿越段冲刷深度及管线埋深的确定尤为重要。冲刷深度通常采用局部冲刷深度公式计算，然而浑河沈阳城市段受20世纪90年代大规模采砂的影响，多处河段遗留采砂坑，造成河床下切，大洪水条件下溯源冲刷对管线安全的影响不容忽视。本文以沈阳市浑南区某穿越浑河燃气管线为例，充分论证溯源冲刷对管线安全的影响，并以此计算溯源冲刷和局部冲刷共同影响下的冲止高程，以确定管线的安全埋深。

2 工程概况

拟建管线工程穿越浑河段位于浑河东陵桥—高阳坝段。东陵大桥上游110 m，平面线路长度为436 m，现状主河槽宽326 m，管线规格为D508 mm×8.8 mm。平面布置见图1。

图1 工程平面布置图单位：m

3 冲刷分析计算

3.1 河道横向演变分析

本次燃气管线工程范围内无多年测量资料，沈阳水文站位于其下游21.0 km处，通过对沈阳水文站的断面套绘来分析本段横断面的演变情况。沈阳水文站1980—2010年的横断面套绘见图2。由图2可以看出，1980年河床较高，断面最小。

图2 沈阳水文站历年横断面套绘图

浑河闸以上沈阳河段，根据现有1982年以后的资料分析，沈阳段河床一直在下切，至“95”洪水前，河床下切已非常剧烈[1]。而同期沈阳以下浑河河道虽在1985—1986年洪水中有所冲深，但除了弯道段外，冲深幅度不大。由此看来，1985—1986年洪水对河床下切影响不大，造成河床下切的主要原因是采砂。到1988年，由于采砂影响，河道变化较大，部分河段主槽最宽处已达400多米[2]。

分析表明，浑河闸以上沈阳城区段在“95”洪水前，洪水对河道演变的影响并不大，河道采砂是造成河道演变的主要原因。

3.2 溯源冲刷分析

溯源冲刷是指因下游水位降低引起的河床冲刷自下游向上游发展的过程。

浑河闸以上沈阳城区段在“95”洪水前，洪水对河道演变的影响并不大，河道采砂是造成河道演变的主要原因。此外，“95”洪水也对河槽下切起了一定作用[3]。

随着浑河沈阳城区段河道采砂的全部叫停，人为干预浑河河道演变的因素逐步消除，目前河道平面及横向稳定。然而，考虑到王家湾坝上游河段由于采砂造成河底高程较低，而燃气管线位于东陵大桥以上，该段比降较大，上游管线位置有发生溯源冲刷的可能。

根据2008年浑河1∶2 000地形图，绘制浑河王家湾坝至燃气管线上游1.7 km处的现状河底高程纵断面图（见图3）。由图3可见，该段河道上下游高程相差较大，拟建燃气管线位于上游河段，会受到溯源冲刷的影响。为安全考虑，假定大洪水条件下发生溯源冲刷，将河底纵断面冲刷成水平线，即考虑溯源冲刷后河底高程取各断面现状河底高程的平均值，为37.68 m，低于管线所在位置的现状河底高程。

图3 浑河王家湾坝以上河底高程纵断面图

3.3 设计洪水条件下的冲刷计算

3.3.1 地质条件

根据地质勘察成果，管线穿越浑河段主河槽主要由淤泥质土（0.00～1.90 m）、圆砾、含黏土圆砾等土层组成。本次管线穿河段主槽冲刷计算主要集中在圆砾层，圆砾层中值粒径为8.46 mm，容重为22 kN/m3。

3.3.2 计算方法

本次冲刷计算要同时考虑溯源冲刷和管线所在位置设计洪水作用下河床冲刷的影响。浑河为少沙河流，主河槽冲淤变化主要由推移质泥沙运动造成。因此，根据推移质泥沙输运原理计算管线所在位置主河槽设计洪水作用下的极限冲刷深度，堤岸附近河床冲刷深度采用堤防设计规范的冲刷深度公式进行计算。

（1）主河槽冲刷计算：根据极限冲刷理论，假定冲刷前后单宽流量相等，冲刷前的流速为设计洪水流速，冲刷后的流速转变为泥沙启动流速，根据流量平衡方程可列出下式：

式中：H0为冲刷处的水深，m；Δh为冲刷深度，m；Uc为泥沙起动流速，m/s；U为行近流速，m/s。

其中泥沙起动流速按简化沙莫夫公式计算：

式中：d为泥沙粒径，mm。本例中取8.46 mm。

（2）近岸河床局部冲刷计算：近岸河床局部冲刷深度采用GB 50286—2013《堤防工程设计规范》中的局部冲刷深度公式进行计算[4]：

式中：hs为局部冲刷深度，m；H0为冲刷处的水深，m；Ucp为近岸垂线平均流速，m/s；Uc为泥沙起动流速，m/s；U为行近流速，m/s；n为岸坡形状系数，取值为1/6～1/4；η为水流流速不均匀系数，根据水流流向与岸坡交角α查表获取。

3.3.3 计算频率

根据《浑河沈阳城区段防洪规划修编报告》，拟建管线位于浑河右岸浑北坝—马官桥段，防洪标准50 a一遇；根据《沈抚新区水利专项规划报告》，拟建管线位于浑河左岸下伯官坝—东陵桥段，该段规划防洪标准为100 a一遇。由此可知，拟建管线所在河段左岸防洪标准为100 a一遇，右岸防洪标准为50 a一遇。

根据CJJ/T 250—2016《城镇燃气管道穿跨越工程技术规程》，考虑水域穿越工程等级及设计洪水频率等综合因素，拟建管道穿越浑河等级为大型穿越，设计洪水频率为1%（100 a一遇）。

综上可知，出于安全考虑，本次冲刷计算采用P=1%（100 a一遇）洪水进行计算。根据水文成果，洪水过程取2 d。

3.3.4 计算成果

3.3.4.1 主河槽冲刷计算成果

选取考虑河床溯源冲刷后的河底高程进行计算，河底高程37.68 m，管顶高程34.22 m，管顶埋深3.46 m。根据由水力计算得到的该断面100 a一遇的水深、流速，以及地质勘察得到的土体中值粒径，计算燃气管线所在断面100 a一遇洪水条件下的主河槽冲刷深度为1.12 m。

3.3.4.2 近岸河床局部冲刷计算成果

同样选取河床溯源冲刷后的河底高程及100 a一遇水力条件，计算左右岸近岸河床局部冲刷深度为0.88 m。

3.4 成果分析

本次计算考虑溯源冲刷和设计洪水条件下河床冲刷的叠加作用，即在溯源冲刷后河底高程37.68 m的条件下，再减去主河槽冲刷深度1.12 m，可得主河槽冲止高程为36.56 m。同理，减去左右岸的近岸冲刷深度0.88 m，可得左右岸的近岸冲止高程为36.80 m。燃气管线管顶高程为34.22 m。因此，富余深度为2.34～2.58 m，满足GB 50028—2006《城镇燃气设计规范》中“燃气管道至河床的覆土厚度，应根据水流冲刷条件及规划河床确定，对不通航河流不应小于0.50 m”的规定。因此，冲刷对管线安全没有影响。冲刷高程计算成果见图4。