管道穿越对煤系土河床冲刷深度的影响

2022-07-01王心龙孙平贺赵明哲王靖源邢世宽

煤田地质与勘探 2022年6期

王心龙，孙平贺，赵明哲，王靖源，邢世宽

(1.中南大学地球科学与信息物理学院，湖南长沙 410083；2.有色金属成矿预测与地质环境监测教育部重点实验室，湖南长沙 410083；3.中交第三公路工程局有限公司，北京 100000；4.广西交通设计集团有限公司，广西南宁 530000)

在管道穿越河流的设计和施工过程中，一般都是管道埋设在河床之下。但往往未充分考虑水流对河床的冲刷影响或设计的不足，出现管道埋设过深或过浅的情况[1-3]。管道埋设过深会导致项目成本增加，过浅会增加管线因冲刷裸露而破损的风险，合理的管道埋深能够降低项目成本和后期运营过程中的风险[4-5]。河床的最大冲刷深度有施工造成的局部冲刷和自然状态下的河水冲刷2 种[6]。煤系土含炭量高，结构强度较差，开挖后易被风化崩解[7]，为确保管道穿越煤系土河床工程的安全性和经济性，有必要对影响煤系土河床冲刷深度的因素进行研究。

20 世纪80 年代，俞乐群[8-9]展开对管道穿越河流的相关研究。黄金池等[10]进行了河床演变对穿越后管道的影响研究，并针对水流破坏管道提出解决措施。白路遥等[11]基于沙量守恒原理，考虑了冲刷率随水量、沙量变化而变化的情况，建立的冲刷模型能为管道穿越高含沙河流埋深设计提供参考。唐万金等[12]利用常用的冲刷公式，结合当地水文地质条件综合对比计算结果后确定了管道穿越的设计冲刷深度。Cao Yonggang 等[13]结合理论分析和数值方法考虑了起动流速和泥沙粒径对冲刷深度的影响。M.Najafzadeh等[14]采用数值模拟方法对颗粒粒径、管道几何形状和水流特性进行分析，预测了河床模型的冲刷深度。杨元平等[15]采用分层、分粒径组的方法模拟河床分层泥沙，预测了管道穿越河床最大冲刷深度。综上所述可以看出，在管道穿越工程中，关于影响河床冲刷深度的研究主要集中在河床自身因素和周围环境因素，且研究方法多集中在理论计算和数值模拟，而基于室内模型试验研究管道穿越后对河床冲刷深度影响的研究较少。

为探明管道穿越后对煤系土河床冲刷深度的影响，在室内构建了河床试验模型，选取煤系黏土质和砂质这2 类管道穿越工程实例中最常见的地层分别进行模拟试验，通过调整下设管道埋深、管径大小和水流冲刷速度，得到不同冲刷条件下河床冲刷深度影响值；再利用SPSS 25.0 数据分析软件对冲刷深度影响值和管道埋深、管径大小及流速进行多元线性回归分析，研究管道穿越对河床冲刷深度的影响规律。

1 研究方法

1.1 室内试验模型构建

选取管径分别为0.050、0.075、0.110 m 的PVC管材作为试验管道，实际穿越工程中管径多为0.3～0.5 m。根据相似理论[16]，确定室内河床试验模型尺寸为1.5 m×1.0 m×0.4 m，采用有机玻璃作为框架，底部垫有防水薄膜，模型上部设有水箱提供冲刷水流，水箱出口设有流量计以控制冲刷流速。床层分4 层搭建而成，每层层厚0.10 m，按表1 中压缩前后孔隙率控制河床层土的压实程度，模型具体布置如图1 所示。控制河床坡降为0.013，水流沿模型宽度中线方向进行冲刷，根据周益人等[17]推出的紊流区和层流区的经验公式，本模型中颗粒粒径分布在0.5 mm 左右，因此，将冲刷水流定为层流进行试验和计算。

表1 河床模型物性参数Table 1 Physical parameters of the riverbed model

图1 室内试验模型Fig.1 Indoor test model

根据管道穿越设计的相关规范及国内外工程实例，管道穿越多选在黏土、砂层或风化岩层中进行，结合已有试验条件，笔者选取黏土质和砂质2 类地层进行模拟试验，研究管道埋深、管径大小以及冲刷流速对河床冲刷深度的影响。试验中采用的黏土取自湖南郴州某地煤系黏土地层；根据砂质土层定义，按质量比将70% 标准石英砂和30% 煤系黏土混合均匀，采用混合后形成的土层模拟砂质河床。

1.2 河床模型试验参数设计

对于不同性质的河床颗粒，其初始起动流速也不同。若水流流速小于河床颗粒的起动流速，则河床颗粒将保持静止状态；若水流速度增大到河床颗粒的起动流速时，河床颗粒由静止转为运动状态，水流对河床产生明显的冲刷作用[18]。因此先确定黏土质和砂质河床颗粒的起动流速，再设置合适的水流流速，确保河床模型产生明显被冲刷现象。

采用河床颗粒初始流速公式[19]计算2 类河床颗粒的起动流速，公式如下：

式中：v0为河床颗粒的起动流速，cm/s；γs为模型河床颗粒的重度，kN/m3；γ0为水的重度，kN/m3；H为平均水深，cm；D50为模型颗粒平均粒径，cm。

按照GB/T50123-2019《土工试验方法标准》对河床颗粒进行粒径筛分试验，结合其他土工试验得到黏土质和砂质河床模型的物性参数，见表1。

前期试验测得平均水深H约为1 cm，将参数代入式(1) 可得黏土质河床模型颗粒的起动流速v0n=12.57 cm/s，砂质河床模型颗粒的起动流速v0s=7.29 cm/s。为合理设置管道的埋设深度，首先需确定未铺设管道情况下河床模型的冲刷深度。设置冲刷水流行程为1.5 m，河床平均层厚为0.43 m，在未铺设管道的黏土质和砂质河床模型上分别进行8 h 的冲刷试验，测得未进行管道穿越黏土质河床模型颗粒河床的冲刷深度 ΔDn=3.03 cm，砂质河床模型颗粒河床的冲刷深度ΔDs=4.88 cm。

因此，为保证河床能够产生明显被冲刷现象且管道上方有足够的上覆河床颗粒进行冲刷试验，设置模型试验参数共48 组实验方案(表2)，并按图2 中的试验流程开展冲刷模拟试验。

图2 室内试验流程Fig.2 Indoor test process

2 试验结果分析

多元线性回归分析是一种基于自变量与因变量相关关系的数学分析方法。根据表2 中不同试验参数，在2 类河床模型上分别进行了24 组冲刷试验，得到的河床冲刷深度影响值当作因变量，即铺设管道后的最大河床冲刷深度与原始状态下河床冲刷深度的差值，以管道埋深、管径大小和冲刷流速作为自变量，在SPSS 25.0 数据分析软件中进行多元线性回归分析。

表2 河床模型试验参数Table 2 Model test parameters of clay riverbed

2.1 黏性土河床模型结果分析

如表3 所示，R表示拟合优度，用以衡量评估的模型对观测数据的拟合程度，其值越趋近于1 说明模型拟合效果越好。调整后的R2=0.714，表示选取的3 个自变量一共可以解释因变量71.4%的变化，即因变量黏土质河床冲刷深度，有71.4%是受到管道埋深、管径大小和冲刷流速影响的。黏土质河床模型的标准估计误差为0.356 05，说明拟合程度较好。给定显著性水平a=0.05，查阅Durbin-Watson(DW) 分布表，界值为1.101～1.656，DW=2.739＞1.656，说明自变量管道埋深、管径大小和冲刷流速之间不存在相关性。

表3 黏土质河床模型线性回归分析结果Table 3 Linear regression analysis results of the clay riverbed model

如表4 所示，根据t 检验的结果显示，管径和流速的回归系数分别为0.084和0.074，都大于0，显著性系数都小于0.05，表明管径和流速可以显著正向影响黏土质河床模型的冲刷深度；埋深的回归系数为-0.088，小于0，显著性系数小于0.05，表明埋深可以显著负向影响河床模型的冲刷深度；常数项为2.868，显著性系数小于0.05，表明常数项有效。方差膨胀因子(Variance Inflation Factor,简称VIF)，该值为容差的倒数，该值越大，表示共线性问题越严重，当VIF＞10 时，说明自变量存在较强共线性[20]，而在本模型中，3 个自变量的VIF 值均小于10，表示该模型的回归方程中的自变量不存在共线性，即本次的运算结果准确可靠。回归方程为：

表4 黏土质河床模型系数Table 4 Model coefficients of the clay riverbed

式中：y1为黏土质河床冲刷深度影响值，cm；dg为管道直径，cm；h为管道埋设深度，cm；ν为冲刷水流流速，cm/s，下同，公式中参数为数值计算。

从回归方程可以看出，当自变量增大相同数值时，影响黏土质河床冲刷深度最显著的是管道埋深，影响冲刷深度的自变量的显著性由高到低分别为管道埋深、管径大小和冲刷流速。

图3 为黏土质河床模型的回归标准化残差正态概率，观测的散点基本沿直线分布，表示因数据偶然性而引起模型回归系数不为0 的可能性较小，进一步说明该回归方程具有代表性和正确性。

图3 黏土质河床模型标准化残差正态概率Fig.3 Normal probability diagram of standardized residual error of the clay riverbed model

2.2 砂质河床模型结果分析

如表5 所示，R=0.912，趋近于1，说明模型拟合效果较好。调整后的R2=0.806，表示选取的3 个自变量一共可以解释因变量80.6%的变化，即因变量砂质河床冲刷深度，有80.6%是受到管道埋深、管径大小和冲刷流速影响的。砂质河床模型的标准估计误差为0.232 42，说明拟合程度较好。给定显著性水平a=0.05，查阅DW 分布表，上界值为1.656，DW=2.355＞1.656，说明自变量管道埋深、管径大小和冲刷流速之间不存在相关性。

表5 砂质河床模型线性回归分析结果Table 5 Linear regression analysis results of the sandy riverbed model

如表6 所示，管径和流速的回归系数分别为0.093和0.061，都大于0，显著性系数都小于0.05，表明管径和流速可以显著正向影响砂质河床模型的冲刷深度；根据t检验的结果显示，埋深的回归系数为-0.089，小于0，显著性系数小于0.05，表明埋深可以显著负向影响河床模型的冲刷深度。常数项为2.808，显著性系数小于0.05，表明常数项有效。3 个自变量的VIF 值均不超过10，表示该模型的回归方程中的自变量不存在共线性，即本次的运算结果准确可靠。回归方程为：

表6 砂质河床模型系数Table 6 Coefficients of the sandy riverbed model

式中：y2为砂质河床冲刷深度影响值，cm，公式中参数为数值计算。

从回归方程可以看出，当自变量增大相同数值时，影响砂质河床冲刷深度最显著的是管径大小，因此影响冲刷深度的自变量的显著性由高到低分别为管径大小、管道埋深和冲刷流速。

图4 为砂质河床模型的回归标准化残差正态概率，观测的散点基本呈直线分布，说明模型回归系数不为0 并非由于数据的偶然性造成的，也进一步说明该回归方程的代表性和正确性。

图4 砂质河床模型标准化残差正态概率Fig.4 Normal probability diagram of standardized residual error of the sandy riverbed model

根据多元线性相关分析的结果可知，管道埋深、管径大小和冲刷流速是影响黏土质和砂质河床模型冲刷深度的3 个因素，能够解释冲刷深度的71.4%～80.6%。比较式(2)、式(3)，砂质河床回归方程系数中，管道埋深和管径大小的系数绝对值均大于黏土质河床，说明埋深和管径对砂质河床冲刷深度的影响显著性大于黏土质河床，结合两类河床的孔隙比大小关系和在冲刷模拟试验结束后观测到的砂质河床表面出现微裂隙数量更多的现象，分析影响河床冲刷深度的原因主要有以下两点：(1)管道穿越过程中河床地层的原始应力状态被破坏，破坏了河床颗粒间因团聚作用而形成抵抗水流冲刷的结构，管道上覆河床地层因管道穿越中的应力扰动而出现微裂隙[21]，如图5 所示。(2)因管道穿越而出现的微裂隙影响了经自然沉淀后河床层的完整性，床层粗糙程度变大，改变了水流对河床冲刷的路径，加剧了水流对床面的冲刷作用。

图5 管道穿越后河床层Fig.5 Schematic diagram of riverbed strata after pipeline crossing

3 案例分析

为进一步验证模型试验得出的多元线性回归方程的可靠性，评价模型参数的合理性，利用河床冲刷深度的回归方程对珠海市某电缆化改造穿越工程的管道设计埋深进行安全性检验，评估设计方案的安全性。

3.1 工程概况

珠海市某电缆化改造穿越工程拟跨越场地全长约540 m。在此次穿越工程中，为满足实际改造需求，同时为保证后期管道安全运营，采用管径为300 mm的MPP 电力管作为穿越管材。根据现场地质勘察报告，河床地层自下而上分别为：(1)-1 淤泥，层厚0.80～1.40 m；(2)-1 黏土，层厚1.20～4.30 m；(2)-2 黏土，层厚1.10～10.40 m；(2)-3 黏土，层厚3.30～11.30 m；(2)-4粗砂，层厚2.10～5.70 m；(2)-5 砾砂，层厚1.90～10.60 m；(3)-1 砾质黏性土，层厚2.30～16.45 m。结合以往国内外管道穿越大型河流的工程案例以及管道穿越工艺在不同地层的可行性评价表[21](表7)，将穿越地层设在深度hde=14.0 m的砾质黏性土层。

表7 不同地层管道穿越河流的可行性评价Table 7 Feasibility evaluation of pipeline crossing river in different strata

由勘探单位提供的数据可以得出，(2)-1 黏土、(2)-2黏土和(2)-3 黏土中黏聚力c最小值为7.2 kPa，性能优于河床模型试验中的黏土，因此采用式(2)对珠海市改造穿越工程进行安全性检验具有可行性。

3.2 河床冲刷深度计算

在此次珠海市电缆化改造穿越工程中，根据穿越目标区域所属流域及周围流域的流量、单宽流量对应的水深等数据，并结合国内外大型管道穿越工程设计经验，采用M 深度计算方法[21]对目标段河床自然冲刷深度进行测算，公式如下：

式中：hp为冲刷深度，m；q为河道的单宽流量，m3/s；hd为单宽流量所对应的水深，m；K为冲刷系数，范围在0.10～0.33；f(hd,d)为受冲刷影响的函数，该函数既与河道内单宽流量的水深相关，还与地层的土体粒径d大小相关。

经现场测算及相关水文资料，目标区域单宽流量q=6.0 m3/s·m，f(hd,d)= 0.225 m/s，hd=4.50 m，出于安全性考虑，K取最大值0.33，以上参数代入式(4)，可得目标穿越区域河床理论冲刷深度hp=4.30 m。

3.3 冲刷深度安全性验证

目标穿越区域的平均河水流速v=1.0 m/s[22]，把该穿越工程中的管道埋深、管径大小和冲刷流速代入式(2)，得到3 因素对河床冲刷深度的影响值y1=1.74m。

即管道穿越的设计深度大于河床受穿越因素影响而达到的最大冲刷深度，说明该管道穿越工程设计的埋深和管径合理，在正常河水冲刷条件下不会出现管道因冲刷而裸露的现象，进一步验证了珠海市电缆化改造穿越工程项目设计的安全性，且能够基于原设计深度提升12.4%的安全性。该管道穿越工程安全运营的结果也进一步说明了上述多元线性回归方程的合理性。