穿河管道河床冲刷的改进计算模型及应用_白路遥

1、第37卷第4期2015年4月人民黄河YELLOW IVEVol 37，No4Apr，2015【防洪治河】穿河管道河床冲刷的改进计算模型及应用1112李亮亮，马云宾，张修和，李白路遥，钗3（1中国石油管道科技研究中心，河北廊坊065000；2中国石油管道公司加格达奇输油气分公司，黑龙江加格达奇232701；3河北省地质测绘院，河北廊坊065000）摘要：合理确定管道埋深是保证管道穿越工程安全的重要因素，以马惠宁输油管道穿越黄河段为例，在现有河床冲刷深度计算经验公式的基础上，考虑黄河上游洪水来沙因素，分别建立两种新的冲刷深度计算模型，并与常用冲刷公式进行比较。结果表明：新建冲刷模型计算结果相对误差

2、偏大，但对管线的设计安全相对有利，在没有规范公式的前提下，实际工程应用中可作为参考。改进冲刷模型考虑了时间因素以及洪水冲刷过程中冲刷率随流量、沙量变化因素，根据该公式确定管道埋深的安全裕量适中，对于管道穿越黄河段河床冲刷深度计算更合理。关键词：穿河管道；洪水；河床冲刷；经验公式文献标志码：Adoi ：103969/jissn1000-1379201504013中图分类号：P333；TV8821设计洪水流在油气管道穿越河流的设计过程中，量下河流的冲刷深度决定了管道的埋设深度，若管道埋深不够，原本埋设在河床下面的管道有可能因洪水冲刷而裸露悬空，进而被水流冲断，导致整个管线瘫痪；如果对冲刷深度估计过

3、大，则加大了施工难度，造成工程浪费。确定穿河管道的埋深直接关系到管线安全与工程造价，是管道工程需要解决的最为关键的问题，尤其对于高含沙河流，合理确定管道埋深是保证管道穿越工程安全的重要因素。当前在研究河床冲刷问题时主要依赖水动力学理论和河床演变理论，其中冲刷深度的确定方法有经验公式法、工程分析法和动床河工模型试验，一般以经验公式法为主，对于重大穿越河道工程，为提高结果的可靠度，一般结合上述3种研究手段综合确定河床冲刷深度。20世纪30年代包尔达可夫首关于经验公式法，次建立了桥下一般冲刷经验公式，但该公式考虑因素少，未能反映水流集中冲刷、泥沙运动、河床质等主要因素的影响，只适用于平原及山区的稳定

4、河段。据此，1该铁道部科学研究院1964年推导得出641公式，公式只适用于河床土质为非黏性土且有底沙运动的河槽，且只能反映出洪峰时的瞬时冲淤幅度，而不能反映整个洪水过程的冲淤变化，不适用于高含沙水流条件2与之类似的公式，然而这些公式并没有考虑冲刷率与时间的关系，事实上冲刷率随冲刷历时和冲刷深度都会有所变化。为此，王兆印等67、孟国忠等先后根据水槽试验提出了不同的冲刷率公式，但这些公式在洪水挟带泥沙量较大的情况下计算结果仍存在一定偏差。大量工程实践表明，河床冲刷的根本原因是水流挟沙力高于挟带的泥沙量，而且局部冲刷的泥沙量不足以在较短河段内与挟沙力达到平衡。由于影响河床冲淤变化的因素十分复杂，目前

5、还没有能够完整地描述河床冲淤变化的数学表达式，因此本研究针对现有公式存在的问题，依据沙量守恒原理，建立一种洪水冲刷深度计算模型，然后考虑洪水冲刷过程中冲刷率随水量、沙量变化而不断变化的实际过程，建立一种改进的洪水冲刷深度计算模型，并以马惠宁输油管线黄河穿越段为例，与常用冲刷公式进行比较，为高含沙河流穿河管道的埋深设计提供参考依据。1马惠宁输油管道工程概况途径环马惠宁输油管道起自甘肃环县曲子泵站，县、盐池、同心、吴忠、中宁五县（市），终至宁夏中宁县全长269km 。全线以宁夏惠安堡为界，分石空末站，为马惠线和惠宁线两段。管道穿越黄河段东起中宁县位于青铜峡水库库白马乡白马寺阀室，西到渠口阀室，07

6、-09收稿日期：2014-工程师，主要从事油男，天津人，作者简介：白路遥（1986），气管道地质灾害防护技术研究工作。E-mail ：bailuyaopetrochinacomcn。此后，甘城道也提出了此类公式，经验证和修1正后，被桥渡冲刷学术会议命名为642公式，但该Parthe-公式计算复杂，未能得到广泛应用。1962年，niades 首先提出了具有均匀浓度分布的底床冲刷率的经验公式35。同样，Kandiah 4、李华国等也提出了·55·区回水区段2728测验断面之间，属水库平原区段，穿越段全长3043km 。库区平原段平均比降为0067%，主河槽平均宽700m ，东河

7、和西河最大水深非汛期为4 6m ，汛期为7 8m ，平均滩槽高差383m ，年径流量最大达7m ，多年平均流量1040m /s，330亿m 3，汛期69月径流量占全年的562%；多年3平均含沙量460kg /m，多年平均输沙量152亿t 。青铜峡站悬沙较粗，床沙中径约为55mm ，泥沙密度3约为265t /m。其中瞬时流量为Q 瞬=水流冲刷总历时为T =Q /（B q /t ）冲刷深度为1D =r s （1p ）式中p 为床沙孔隙率。根据不同河流的水文资料统计，一般将洪枯水流量差分成三个级别，对洪水单宽流量增长率取三个常32值，即Q 5000m /s时，取q /t =04m ·h /

8、s；1qBt3600t（5）（6）S d trT（7）221研究方法洪水冲刷深度计算新模型河床实际冲刷深度随着含沙量的增大而减小，且挟沙力越大，冲刷深度随含沙量减小的速度越大；挟沙力和含沙量两者差值越大，冲刷深度随含沙量减小速度越小。依据沙量守恒原理，建立水流冲刷深度与含沙量的微分关系为S *d D=D d C s （S *C s ）2（1）31000m 3/sQ 5000m 3/s时，取q /t =012m 2·h /s；Q 1000m 3/s时，取q /t =006m ·h /s。按其分类，对在洪水冲刷过程中随流量、沙量变化的冲刷率按洪水上涨段时间进行积分（而不是对冲刷

9、率最大值进行积分），则可建立改进的冲刷公式：Q 2J 15D =37162025B d Q 2J 15D =148642025B d（Q 5000）（8）m ；S *为饱和挟沙力，kg /m；C s 式中：D 为冲刷深度，kg /m3。为水流含沙量，积分式（1），并考虑到含沙量为0时冲刷相当于清水冲刷，可得到所求计算模型为D =D 1e *m 。式中：D 1为清水冲刷深度，C ss（Q =1000 5000）（9）（Q 1000）（10）Q 2J 15D =247732025B dm 3/s；B 为造床流量时的平均河式中：Q 为设计流量，（2）m ；J 为坡降；d 为床沙中径，mm 。宽，22

10、改进的洪水冲刷模型3新模型在马惠宁输油管道穿越黄河段的应用马惠宁输油管道穿越黄河段河水挟沙量虽随着上游水库的建设逐年减小，但当有中级及以上洪水灾害发生时，河水挟沙量依然不可忽略。因此，采用建立的洪水冲刷深度计算模型对此穿越段进行计算分析。31洪水冲刷深度计算表1给出了马惠宁输油管道穿越黄河段水流冲刷深度的计算参数，水流流速根据u =宁公式u =Q计算，再通过曼Bh沙量的变化而不洪水冲刷过程中冲刷率随流量、7断变化，考虑这一变化过程，可基于王兆印等针对清水冲刷提出的冲刷率公式，通过在原冲刷率公式中引入时间因素来建立改进的洪水冲刷深度计算模型。对于清水冲刷，冲刷率公式为S r =0218rJ r

11、r s r（gd ）rqJ 01g r （r s r ）d 0250515（3）kN /m3；J 为河道坡降；q 为单宽流式中：r 为水的容重，m 2/s；d 为颗粒粒径，mm ；r s 为床沙容重，kN /m3；g 量，m /s2。为重力加速度，增加考虑到黄河干支流的实际情况，浑水容重大，了泥沙起动拖曳力和水流浮力，床沙更容易起动，秦毅和梁志勇等均提到此时泥沙起动后很快进入悬浮状89，故可不考虑泥沙起动流速的影响项，态冲刷率公式可以改写为r 2J 15Q 瞬S r =0218r s r d 025B·56·（4）12/31/2h J 计算河床糙率。由工程概况可n知，管道穿

12、越段位于青铜峡水库区，按河流泥沙颗粒（SL4292），分析规范当泥沙粒径大于20mm 时，泥沙沉降速度计算采用沙玉清紊流区沉速公式：=458m /s；d 为泥沙粒径，mm 。式中：为沉降速度，水流挟沙力计算采用范家骅公式：S *234u 4=2（12）（11）m 。式中：为水力半径，表1马惠宁输油管线黄河穿越段冲刷深度计算参数 冲刷公式考虑到洪水冲刷主要发生在洪水上涨阶段，即所谓涨冲落淤，洪水流量、含沙量随时间不断变化，冲刷率也随之变化，计算结果既满足了安全设计需要，又不会造成工程上的浪费，因此改进冲刷公式对于管道穿越黄河段河床冲刷深度的计算更合理。432结论不同公式计算结果的对比分析表2给出

13、了641公式、王兆印冲刷公式、毛氏公通过对穿河管道冲刷深度计算方法的国内外资料开展利用不同公式计算河床冲刷深度的合调研分析，理性分析，并基于已有的冲刷率公式，考虑河流上游洪水来沙因素建立了两种新的冲刷深度计算模型，并选用常用冲刷公式进行了计算与对比分析，结果表明：（1）新建冲刷公式基于沙量守恒原理，并考虑了洪水挟沙力和含沙量两者差值对冲刷深度的影响，计算结果与实际值相比略偏大，但对管线的设计安全相对有利，在没有规范公式的前提下，实际工程应用中可作为参考。（2）改进冲刷公式在原冲刷公式中引入了时间因素，并将洪水冲刷过程中冲刷率随流量、沙量变化而变化这一因素引入到已有公式。根据该公式确定管道埋深的

14、安全裕量适中，对于管道穿越黄河段河床冲刷深度的计算更为合理，能够为油气管道穿越高含沙河流埋深的确定提供理论依据。表2不同冲刷公式计算结果对比计算相对冲刷误差/深度/m%5/3Lacey 河床冲刷公式与新建及改进河床冲刷公式式、641公式与Lacey 公计算结果的对比。由表2可知，式计算冲刷深度的相对误差较小，在没有规范公式的641公式的安全性仍然在行业内得到认同，前提下，但该公式主要适用于桥墩局部冲刷深度的计算。相对而言，王兆印冲刷公式有比较坚实的理论基础，在理论上比较成熟，并广泛应用于实际生产问题，但其不考虑河流上游来沙，且计算时选择最大冲刷率进行积分，对于黄河等高含沙河流的计算结果偏大；毛

15、氏冲刷公式计算结果相对误差最大，该公式是结合实侧资料和模型试验而建立的经验公式，其结果既包括了桥渡压缩河流所引起的冲刷，也包括了洪水发生时河槽中摆动的集中冲刷和随着水位、流量变化的天然冲刷，因此该公式计算结果偏大，虽有利于安全，却增加了工程造价。参考文献：说明公式名称表达式1阚译桥渡设计M 北京：中国铁道出版社，19812秦毅，钱善琪，王冰怀，等高含沙河流管道穿越冲深设J 油气储运，2001，20（4）：2327计与计算3PATHENIADESEErosion and Deposition of Cohesivesoils J Journal of the Hydraulics Divisio

16、n ，ASCE ，1965，91（1）：1051394KANDIAH AFundamental Aspects of Surface Erosion ofCohesive Soils D Davis ：University of California ，Davis，19745李华国，袁美琦淤泥临界起动条件及冲刷率试验研究J 水道港口，1995（3）：20266王兆印，黄金池，苏德惠河道冲刷和清水水流河床冲刷J 泥沙研究，1998（1）：111率7孟国忠，熊靖，詹玉宏穿河油气管道防冲工程措施及埋J 管道技术与设备，2000（1）：58深问题研究8秦毅，李子文，曹如轩，等高含沙水流的整体停滞淤积J

17、 水利学报，2011，42（11）：13021307及其影响9梁志勇，王兆印，刘玉忠，等黄河干支流洪水冲刷初步J 水力发电学报，2001（1）：2530研究Q h m（A 641B h公式D =（Ed 1/6王兆印冲刷公式D =743）3/512867A 为单宽流量集中系数；E 值根据含沙量确D 定；D 为冲刷后水深，减去冲前最大水深，即为冲刷深度Qn 3u 4bhd 02501qD =毛氏冲h 1/6刷公式dQ Lacey D =047k （）公式176d 05C s 新建冲e D =D *s 1刷公式Q 2J 15改进冲D =37162025刷公式、3081567设计流量代替洪枯水流量差3

18、632025q 为单宽流量1/313018215383k 值一般取025C s517e *=059、275设计流量代替洪枯水流量差新建冲刷公式与改进冲刷公式均考虑了河流上游其中新建冲刷公式计算结果小于清水冲刷来沙因素，率公式计算结果，相当于乘以一个小于1的修正系数，而这个修正系数的大小则根据挟沙力和含沙量两者差值对冲刷深度的影响来决定，但该公式缺点是所取含沙量为入境水含沙量，而实际含沙量是随洪水冲刷而不断增大的，因此新建冲刷公式计算结果偏大。改进（下转第61页）·57·人民黄河2015年第4期文序列一致性修正，以修正后的水文极值序列进行水文频率分析计算。参考文献：1梁忠民，

19、胡义明，王军非一致性水文频率分析的研究进J 水科学进展，2011，22（6）：864871展2谢平，陈广才，夏军变化环境下非一致性年径流序列的J 武汉大学学报：工学版，2005，38水文频率计算原理（6）：693胡义明，梁忠民，杨好周，等基于趋势分析的非一致性水水力发电学报，2013，32（5）：文频率分析方法研究J 21254陆中央关于年径流量系列的还原计算问题J 水文，2000，20（6）：9125王国庆，张建云，刘九夫，等气候变化和人类活动对河川J 中国水利，2008（2）：5558径流影响的定量分析6韩瑞光，冯平流域下垫面变化对洪水径流影响的研究J 干旱区资源与环境，2010，24（8

20、）：27307胡义明，梁忠民基于跳跃分析的非一致性水文频率计算J 东北水利水电，2011（7）：38408STUPCZEWSKIW G ，SINGH V P ，FELUCH WNon Stationary Approach to At Site Flood Frequency Modeling ：I ：Aximum Likelihood Estimation J Journal of Hydrology ，2001（248）：1231429STUPCZEWSKIW G ，KACZMAEKZNon StationaryApproach to At Site Flood Frequency Mod

21、eling ：II ：Weigh-ted Least Squares Estimation J Journal of Hydrology ，2001（248）：14315110STUPCZEWSKIW G ，SINGH V P ，MITOSEK H TNon Stationary Approach to At Site Flood Frequency Modeling ：III ：Flood Analysis of Polish iversJ Journal of Hydrology ，2001（248）：15216711柏绍光，黄英，方绍东，等昆明城市河道产汇流特性分J 人民长江，2007，

22、38（2）：6466析12刘正伟，J 水张丽花，邹嘉福昆明城区汇流参数分析2007，25（6）：1416电能源科学，Calculation Method of Design Flood in Urban Area UnderNon Consistency ConditionsLI Xianhong 1，LIU Jin 2，BAI Ping 1，WANG Jun 3（1Kunming Branch of the Bureau of Hydrology and Water esourcesin Yunnan Province ，Kunming 650051，China ；2Hydrology Bu

23、reau of the Ministry of Water esources，Beijing 100053，China ；3College of Hydrology and Water esources，Hohai University ，Nanjing 210098，China ）Abstract ：On the basis of analyzing the change of runoff yield ，the design flood peak discharge was deduced by adopting the average flood modulus to modify th

24、e parameter of P distribution function ，meanwhile ，Baoxiang iverbasin was taken as an example to verify the ap-proach proposed in the paperThe results show that the modified approach is reasonable and more accurate under the data condition of non consistency ，furthermore ，the approach is suited to d

25、esign flood calculation in urbanization regionKey words ：design flood ；non consistency ；underlying surface ；urbanization【责任编辑翟戌亮】櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂（上接第57页）Improvement of Calculation Model and Its Application in iverBed Scourof iver-Crossing PipelineBAI Luyao 1，LI Liangl

26、iang 1，MA Yunbin 1，ZHANG Xiuhe 2，LI Chai 3（1PetroChina Pipeline DCenter ，Langfang 065000，China ；2Pipeline Jiagedaqi Oil Gas Transportation Sub-Company ，PetroChina Pipeline Company ，Jiagedaqi 232701，China ；3Institution of Geological Surveying and Mapping of Hebei Province ，Langfang 065000，China ）Abstract ：The buried depth of river crossing pipeline is an importa