灌河口疏浚工程沉管方案比选及敷设浅析

逯新星

(中交上海航道局有限公司，上海 200002)

在疏浚与吹填工程中，往往因施工环境、吹填距离、通航要求等因素需要敷设沉管，而沉管的敷设方案选取以及相关技术要求也因不同工程的特点而有所差异。例如在施工中易发生堵管的应避免选取沉管方案[1]；考虑水头损失的差异情况应选择合适的浮管、沉管、岸管长度[2]；在海(河)底呈倒拱型的施工环境，需要注意钢管与橡胶管组合形式的研究等[3]。

本文以灌河口5万t级航道整治工程为工例，分析两种沉管敷设方案，从施工安全、通航影响、吹填效率等方面进行优缺点对比，选取较优方案；并对沉槽开挖、沉管沉放、沉管起浮工艺技术进行分析，为类似工程中沉管敷设方案的优化选取以及沉管敷设施工技术提供参考经验。

1 工程概况

1.1 项目简介

灌河口5万t级航道整治工程(H2-H3先导工程)施工项目为灌河口5万t级航道整治工程先导试验段，位于新沂河汇入灌河河口处且位于灌河转弯处，见图1所示。

图1 灌河口先导段施工区域示意图Fig.1 Schematic diagram of irrigation estuary pilot section construction area

H2-H3航段周边码头数量多，船舶航行频繁，施工航道位于小莽牛码头2#～5#泊位西侧水域，航道宽仅170 m，绞吸船在施工时，除自身船体长宽需要占据一定水域面积外，绞吸船尾部拖曳的浮管以及两侧的横移锚也将占用部分通航水域。考虑到航道船舶流密集、沿线港口生产情况、航道水深及结合绞吸船施工特点等因素，拟采用岸管+沉管+浮管的组合形式，水下管线在跨越通航水域布设时采用沉管深埋的方式。

1.2 潮汐及潮流

灌河口潮汐属正规半日潮，往复流性质，潮周期平均为12 h 25 min，其中涨潮平均历时4 h 57 min，落潮平均历时7 h 28 min，根据燕尾港2005年及2006年的潮位实测资料统计得到[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。

灌河内大潮涨潮平均流速接近2.0 m/s，最大落潮垂线平均流速为1.67 m/s，涨潮流速大于落潮流速，涨潮最大流速出现在高潮位之前1～2 h，落潮最大流速出现在中潮位附近[4]。

2 沉管敷设方案对比

2.1 沉管敷设方案

(1)敷设方案一。

沉管由管线上岸点紧贴码头岸线铺至小莽牛3#和4#泊位中间空挡处(大约处于施工航道中间位置)，并在此设置转角过渡点，过渡点沉管将逐步上浮转为橡胶浮管，在完成转向后再逐步下沉垂直于码头沉底穿越现状航道，并在距施工航道边线外约30 m处设置端点站，再由浮管连接绞吸船进行吹填施工。端点站位置距码头前沿约160 m，穿越航道处沉管需挖槽埋管。

(2)敷设方案二。

施工区域航道西侧为大面积浅滩，沉管可由管线上岸点直接穿越航道至西侧浅滩，在施工航道北侧约60 m及西侧约125 m处设置转角点，顺航道轴线往南敷设至航道中间位置处设置端点站，再由浮管连接绞吸船进行吹艏施工。穿越航道处沉管需挖槽埋管。沉管敷设方案一、方案二见图2所示。

图2 沉管敷设方案一、方案二示意图Fig.2 Schematic diagram of sinking pipe laying plan 1 and plan 2

2.2 敷设方案比选

(1)沉管方案一。

优点：①码头前沿水深较深，便于沉管沉放，沉放后不影响通航。

图3 管线90°转角示意图Fig.3 90°Angle diagram of pipeline

(2)沉管方案二。

优点：①管线布置简单，不存在较大转角与落差，利于吹填施工；②浮管布设于浅滩上，对东侧航道通航基本无影响；③端点站可布置于浅滩上，不影响通航，同时便于调整，有利于施工；④沉管管线可沿南北方向在浅滩上顺航道敷设，沿途设置多个端点站，施工船舶可根据施工不同水域合理调整端点站，可减少浮管使用长度，降低浮管受潮流的影响，对通航影响较小。

缺点：①沉管挖槽布管需要一定时间临时封航，对通航存在影响。

根据现有工况条件，沉管方案二要优于方案一，航道施工对通航的影响也将大大降低。

3 沉管施工

3.1 沉管施工工艺

一般情况，水下管线由钢管和橡胶管交错构成(还有一种为仅由钢管构成，采用焊接连接，此工艺采用较少)。此类沉管的下沉和起浮是通过改变排泥管线的自身重量来实现的，当往管道内灌水，使管道的重量大于其自身产生的浮力时，管线就下沉。当往已沉好的管线管道内注入压缩空气后，管线管道内的水被逐步排出，管线的重量逐步减轻，当压缩空气注入到一定程度，使管线重量小于自身所产生的浮力，管线就起浮[5]。

最简单的水下排泥管，是利用已组装、连接好(两端用盲板封住)的排泥管线，平潮时在敷设区拉直，两端用方驳锚碇。下沉时，拆去盲板，从一端管口灌水(灌水分为自然灌水和机械灌水，一般采用自然灌水)，等排泥管的自重超过其自身的浮力后，自然下沉，在一端管线下沉时应将另一端方驳(锚碇船)松缆，不使拉的太紧而影响管子下沉。

3.2 槽位及开挖尺寸

不同的吹填工程视工况条件及有关影响确定是否开挖沉管槽。灌河口5万t级航道整治工程(H2-H3先导工程)施工项目沉管穿越航道时为避免过往船舶发生触管事故，需要在原航道上开挖沉管槽。在开挖沉管槽前，需要确定沉管敷设位置、长度以及沉管槽开挖宽度、深度等尺寸信息。

其次，学校应当做好相关的宣传教育，纠正部分农村订单定向医学生对其专业学习的偏见：即认为农村订单定向医学生以后回基层工作没有成就，其学业比普通大临床学科技术水准要求更低，从而认为学业是可以轻轻松松完成的，学业上存在得过且过的现象。

3.2.1 敷设位置选择

沉管管线的敷设尽可能选择水流相对平缓、河床比较稳定、水深变化平缓的路径[6]，并综合考虑施工便易性、水深情况、通航影响等因素确定水下管线的线路。本工程施工区域北侧在距离施工区180 m处，航道底部平缓，水深较浅，航道无验潮水深为6 m，方便与接岸点直线连接，是成槽布管较为合适的区域。

3.2.2 敷设长度确定

在确定好敷设沉管的位置后，根据环境及工况情况，确定沉管敷设长度约350 m，其中穿越航道段沉管长度为150 m，航道两端沉管长度各100 m。

3.2.3 开挖宽度确定

沉管沉放施工时最宜选择静水工况下进行，这样才能确保沉放的精准度。但是在涨落潮频繁的水域很难做到静水施工，即使选择高、低平潮沉放也往往伴随着一定的水流速度，从而可能会导致管线偏离沉槽区域。因此，为了保证管线能沉放在开挖槽内，就需要控制好开挖槽的宽度。

本工程在确定沉槽宽度时，采用简易计算法来确定，即结合沉管下沉总时间t、沉放时水流平均流速vs、沉管外径D外，按公式(1)确定

B=2vst+D外

(1)

式中：B为开挖槽宽度，m；vs为沉放时水流平均流速，m/s，根据相关文献[7]，查看灌河潮位、流速过程线图，在低平潮1 h内的平均流速取0.3 m/s；t为沉管下沉总时间，s；D外为沉管外径，m，取0.882 m。

在考虑开挖槽时，由于计算出的管线沉放横移距离(vst)存在双向的可能，为保障任何一种可能，在式(1)中加入了2倍的概念。

计算沉管下沉总时间可采用式(2)确定

(2)

式中：W为管道进水总量，m3；S为进水断面面积，m2，采用自然灌水法进水断面面积即为管道截面面积；V0为进水速度，m/s。

计算进水速度V0可根据能量守恒公式推导出式(3)进行确定

(3)

式中：g为重力加速度，m/s2，取9.8 m/s2；H为进水口与海面高差值，m，取进水口处无验潮水深5.41 m与平均低潮位1.39 m之和，为6.8 m；ζj为管道进水口局部损失系数，此处类比为方角入口进口损失[8]，取0.5；ζy为管道沿程损失系数，850 mm管径对应的清水摩阻系数为0.012[9]；L为沉管总长，m，取350 m。

将各数据代入式(3)、式(2)和式(1)，可求得V0、t、B

图4 开挖槽示意图Fig.4 Schematic diagram of groove excavation

在确定好沉管敷设位置、长度及沉管槽宽度后，即可绘制开挖槽平面图，将开挖槽基本信息标注在船用背景施工图中，以便船舶施工，见图4。

3.2.4 开挖深度确定

考虑开挖深度首先要考虑通航安全情况。船舶航行于灌河水域，应当保持富裕水深不小于船舶实际最大吃水的10%[10]，但存在个别超载船舶存在贴底、甚至略微托底的现象。因此沉管槽深度需保证沉管充分沉入，确保船舶略微托底不会触碰沉管。

本工程使用的沉管法兰外径约为1 m，开挖槽处无验潮水深为6 m，预留1 m的安全深度，计划开槽挖至8 m水深，确保沉管后管顶水深大于原航道水深，不影响通航安全，见图5所示。

图5 沉管敷设断面示意图Fig.5 Schematic diagram of sunken pipe laying section

沉管埋入深度在保证安全的前提下不易太深，太深会增加开挖工作量，同时会加大后期沉管起浮回收的难度。

3.3 沉槽开挖

根据计划挖槽的尺寸计算出开挖工程量，结合施工船舶的施工能力，预计挖槽施工耗时约半天，需封航半天。挖掘过程中利用船舶定位系统精确定位，确保挖掘成槽位置准确。首先绞吸船接好浮管做好施工准备，在低平潮时间进行封航(低平潮封航可减少封航对通航的影响)。绞吸船施工不易垂直于航道，需顶流或顺流施工，封航后绞吸船开始由南向北施工，先开挖航道西半槽，再开挖航道东半槽(图6)。施工完毕后拆卸浮管，浮管拖至航道外固定，绞吸船在安全地区抛锚，封航解除。

图6 开挖沉槽示意图Fig.6 Schematic diagram of excavation sink

3.4 沉管沉放

沉管沉放时采用GPS精确定位，可每隔150 m布设一只定位锚，配合以20 m钢丝绳牵拉，确保沉放时不会产生较大偏移。沉槽管先在航道外接好，利用低平潮无船舶通航时，采用辅助船舶牵拉、顶推至沉潮点，注水沉管。整个沉管沉放过程耗时约2 h。待沉管入槽后，第一时间组织测量，对管线沉放效果进行检测，若发现管线出现搭接、出槽等情况，则出动锚艇牵拉定位锚直至管线到位、检测合格为止。

3.5 完工后沉管起浮回收

工程施工完成后，需对沉管进行起浮回收。起浮施工前需提前报海事部门申请，完成相应手续后方可开展管线起浮施工。沉管起浮时，首先对沉管进行充气排水，由锚艇逐节起吊，直至沉管全部起浮后，拖运至安全水域进行拆解。若遇管线上部覆土较厚，锚艇无法掉起，可以使用绞吸挖泥船配合，将上部浮泥部分吸除后，锚艇再行起吊，直至管线出水。

4 结束语

通过对灌河口5万t级航道整治工程(H2-H3先导工程)施工项目中沉管管线敷设方案的比选以及沉管施工方案分析，得出以下三点经验：

(1)沉管敷设方案应全面考虑施工安全、技术难点、施工效率、通航影响等因素，进行综合比选，选择安全性可靠、施工技术难点小、施工效率高、通航影响小的方案。

(2)在确定沉槽位置时应综合考虑海(河)底标高、平整度、施工便易性等因素，尽量选择底部平缓、施工便易的区域。

(3)在确定沉槽尺寸时可采用公式进行验算，应实测平潮流速，使计算值更为准确。