长距离跨海输水管道的设计与施工

长距离跨海输水管道的设计与施工

从国外一个海随着中国随着岛屿海岸带的开发和使用，跨境输送的应用市场也得到了开发，管道体积的需求越来越大，管道长度也越来越长。但由于难以预见的海流和人为等因素的影响,跨海输水管道与陆地管道相比,存在海域条件复杂、设计工况繁多、施工环境不稳定、外力作用不宜察觉、检修维护困难等因素,如何保证其建成后达到规定的设计使用年限将成为关键的问题,而且这也是投资方非常关注的事情。对于国外的长距离跨海给水管道敷设工程,已多次成功应用了钢丝网骨架塑料(聚乙烯)管道,成为了给水工程领域中一个重要分支。在本工程设计中经过方案比较也认识到了钢丝网骨架塑料(聚乙烯)管道的优越性能,同时在设计过程中考虑了地基的稳定性、管材的力学性能、管道抗浮的可靠性、管道施工方法的质量控制和特殊工况下应急处理的可操作性。本文结合对已建工程实例的总结和归纳,为类似工程的设计和施工提供借鉴和参考。1岛屿范围及天然水势大连市长海县跨海输水工程规模为日供水5万m3,主要供水区域为大长山岛、小长山岛、广鹿岛、瓜皮岛、格仙岛、哈仙岛及塞里岛7个岛屿。各海域段输水管道总长60km,其中杏树屯-广鹿段27.41km,最大作业水深为30m。该工程于2013年底试通水一次成功,创下了我国陆岛跨海输水管道管径变化最多、管道总里程最长的记录。2海域地质条件对跨海输水管线工程,除了地质勘测外,需增加海浪和水流的调查内容。海浪直接干扰管道的施工,其调查包括施工海域内不同季节海浪的发生周期、持续时间、方向、浪高、波长及频率。海流会影响管道施工时的安全和管道运行后的稳定性,应实测出海水流速的垂直分布和流向等。本工程杏树屯-广鹿段跨海输水管线由入海段、滩涂段、深海段、上岸段组成,各段地质条件不同,其中深海段底部土层分布与陆地土层分布相比具有明显的特点,即:一是海底土层分布不稳定,在海流作用下厚度可能发生变化;二是土层多,且每层厚度分布不均。地质报告中描述的杏树屯-广鹿岛输水管道深海段海域条件如下述。②-1淤泥(Q4m):灰黑色,流塑～软塑,质地松软,层厚0.30～6.00m;②-2淤泥混砂(Q4m):灰黑色,流塑～软塑,其中砂含量约占总重25%左右,质地松软,层厚0.50～3.00m;②-3砂混淤泥(Q4m):灰黑色,过饱和,松散,其中淤泥含量约占总重30%左右,层厚0.70～2.10m;②-4粉细砂(Q4m):灰黄色,饱和～湿,松散～稍密,层厚0.40～1.90m;②-5砾砂(Q4m):灰色,饱和,稍密,局部中密,层厚0.40～3.60m;②-6砾卵石(Q4m):灰色,饱和,中密,层厚0.30～2.80m;③-1含砂粉土(Q4apl):灰黄色,饱和,松散,其中砂粒含量约占总重15%,层厚0.30～1.20m;③-2粘质粉土(Q4apl):灰绿～灰黄色,很湿,稍密～中密,层厚0.80～1.60m;④-1粉质粘土(Q4dpl):灰绿～灰黄色,软～可塑,层厚0.30～1.80m;④-2粉质粘土混碎石(Q4dpl):灰绿色,灰黄色,黄褐色,可塑,其中混含量约占总重15～25%,层厚0.30～2.50m;④-3碎石土(Q4dpl):灰黄色,稍湿,中密。碎石含量约占总重70%,孔隙内粘性土充填,层厚0.60m;⑤粉质粘土(Q3edl):残坡积成因,褐黄色,可塑～硬塑,层厚0.50～2.80m。2.2地层岩性特征1.下元古界辽河群浪子山组(Pt1l)出露的主要地层岩性为巨厚层,呈强～中风化程度。2.太古界鞍山群(Arc)出露的主要地层岩性为巨厚层,呈中风化程度2.3基础持力层与工地层沉降风险根据沿线现场勘察结果,结合周边地质调查资料,本输水管道海底地形变化较大,岩土层种类较多且很不稳定,相变较大,没有相对稳定的作为拟建海底输水管线的地基直接持力层,易发生不均匀沉降。但沿线下伏地层,半数左右为承载力较高的砾砂、砾卵石、粘性土,以及稳定的基岩地层,是较好的基础持力层。经地震液化判别:②-1淤泥、②-2淤泥混砂、②-3砂混淤泥、②-4粉细砂、③-1含砂粉土,均为地震液化土层,液化等级多为轻微～中等,淤泥、淤泥混砂局部液化等级为严重。在工程建设过程中,上述土层可能引发与遭受软土触变、不均匀沉降地质灾害的威胁。该区海流以潮流为主,潮流形式属正规半日潮流,其运动形式以往复流和旋转流为主。3海底地貌和海底地貌的设置长距离跨海输水管道通常由入海段、滩涂段、深海段、上岸段组成,其跨海方向既要依据陆地的地形条件,又要结合海域的海流、海底地貌和已铺其他管线的实际情况,最终确定出较为合理的线路。设计时应统筹考虑管道材质、接头方案、施工方法及技术措施等,其中杏树屯-广鹿岛跨海输水管道主要设计内容如下述。3.1管道结构方案长距离跨海输水管道除了进行强度、刚度、稳定、抗浮、抗冲刷计算或验算外,还应验算施工阶段、修复过程的内力,同时需要重点考虑抗腐蚀能力或耐久性设计。管道结构一是采用钢管外包现浇混凝土、外刷防腐涂料;二是采用钢丝网骨架塑料(聚乙烯)复合管,管道增配两片半圆形预制混凝土块进行抗浮,第二种材质管道容易恢复变形、抗腐能力强、施工简便。本工程管道直径分别为DN160、DN200、DN500、DN560、DN630,属于中小口径管道,结合施工能力和地质条件,确定选用钢丝网骨架塑料(聚乙烯)复合管,其接头形式为先热熔后电熔的双保险焊接方法。管道铺设回填后,在表面安放铝锌合金钢丝网箱防护。3.2基槽开挖基槽本段入海点在岸边与浅海段连接,水深较浅,基本在低潮时就可施工,采用水陆两用挖沟机开挖基槽。然后将在敷管船上连接好的管道拖入施工现场,放入沟槽内进行回填或者现浇混凝土,保证冬季管道不冻和防止波浪与海流的冲刷。3.3冬季管道现浇混凝土埋管落潮时能出露的浅滩,底高程-2.0m～-3.0m以上区段为滩涂段。此段属潮间带及浅水区,地势平缓,稳定性良好,基槽开挖后将在敷管船上连接好的管道拖入施工现场,并且保证冬季管道不冻和防止波浪与海流的冲刷,管道周围采用现浇混凝土埋管,厚度不得小于1.2m。在施工时期,为保证管线稳定性,滩涂段管道顶部应及时埋管,不能及时埋管时,施工单位应采取应急防护措施。3.4钢丝网骨架塑料复合管的施工设计低水位-2.0m～-3.0m以下区段为深海段,设计最大水深约30.0m。根据地质构造情况,采用冲射的开挖沟槽方式,顶部土层配重以消除不稳定性。在开挖淤泥、细砂、粉质粘土时,采用国内最先进的边敷边埋的施工工艺,钢丝网骨架塑料(聚乙烯)复合管采用敷管船冲沟埋填,设计管线埋深1.5～2.0m以上,坐落在淤泥细砂粉质粘土中。管道在敷设时边焊接边安装预制钢筋混凝土配重块,利用敷管船上的托管架对管道进行沉放,边沉放边回填覆盖,然后安放铝锌合金钢丝网箱压顶。对于砾砂,卵石土层段采用船舶吊机进行挖槽,沟槽挖好后,将敷管船上连接好的管道进行沉放敷设,再抛填袋装粗砂和袋装碎石埋管,最后在表面安放铝锌合金钢丝网箱压顶。3.5海岸设计管道的上岸段基本属于浅水区,落潮时能露出海底,基本都是风化的礁石,采用人工爆破方法开槽,管道的铺放、填埋与入海段一致。4施工方法类目长距离跨海输水管道线路上的地质条件和施工环境差别较大,采用的施工方法相应需作变化。为了控制整个管道的施工质量和减少不同施工方法造成的差异,需要切实可行的施工方案和具体的措施。4.1s型铺管法施工海底管线的铺设方法主要有:操作控制相对容易和安全的拖曳式铺管法、用于小管径的卷管式铺管法、适用于深海区域的J型铺管法、安全稳定且效率高的S型铺管法。通过施工方案比较,本工程采用S型铺管法。其施工过程为,首先将一个锚定位到海床上,然后将锚缆引过位于船头的托管架并系到第一根管子的端部。管子的焊接在施工船上完成后,通过起重抛锚拖轮的控制,使管子缓慢的经过托管架,进入海底。管道在托管架的作用下,从船头到接触海床位置的管子,自然地弯曲成S型曲线。这种铺管法的特点是管道的弯曲程度小,整条管道变形都在弹性范围之内,弯曲应变一般小于屈服极限的应变,这样就可以避免弯曲破坏和过大的残余变形。4.2先热后电熔焊接钢丝网骨架塑料(聚乙烯)复合管连接分为电热熔焊接、法兰连接两种形式,结合地质条件的不稳定性和液化土层的存在,本工程采用先热熔后电熔的双保险焊接方法,具体步骤如下:①热熔连接:将两根PE管道的配合面紧贴在加热板上来加热其平整的端面直至熔融,抽出加热板的同时迅速将两端贴合,在压力的作用下保持到接头冷却,使之成为一个整体;②电熔连接:将管件套在管子的接口处,通过控制流过管件内埋设的电阻丝中的电流管使管件合理发热,加热管件与管材的连接界面,经过一定时间的熔融再冷却达到熔接目的。4.3开沟法与深基坑法铺设海底管道常采用预挖沟埋设法、边铺管边埋设法、后挖沟埋设法,其中后挖沟埋设法又细分为水力冲射式、机械挖掘式、犁式三种,根据土层情况和施工经验,本工程确定采用水力冲射法,具体操作如下述。1.挖沟方法施工采用冲射法开沟,由高压水泵产生的高压水流通过沿着托管架的钢管输送到位于托管架前端的喷嘴,从喷嘴喷出的水流可以达到很高的速度,高压水流冲刷海管两侧下部海床,将海底泥砂稀释,并通过水流将海床泥砂带走,使海管下端形成悬空,让水管在重力作用下缓慢下沉,然后泥沙在海水作用下得到回填,将海管深埋于泥面以下。2.控制方法由于海底土壤土质不同,挖沟机在面对砂土和粘土时的效率也有区别。在砂土中形成的沟很宽,需要排除大量的砂土。可以通过控制行船速度来控制挖沟时间,进而控制挖沟深度。除了根据土质勘测报告提供的信息外,也可参考托管架前端的测深仪测试出的数据来评判沟深是否满足要求(挖沟时测深仪下端的泥沙被冲起,测深仪无法正常工作,故测深仪的数据只能作为参考)。4.4上部覆盖层抗浮稳定作用在钢丝网骨架塑料(聚乙烯)复合管上安装预制钢筋混凝土配重块的作用,一是使管道在施工阶段下沉到管沟位置,二是在使用阶段和上部覆盖层起到共同的抗浮和稳定作用。设计要求各个配重块之间的中心间距为1m,需均匀摆放,防止下管后浮力集中而损坏管子。配重块为钢筋混凝土材料,由两块半月型组成一组配重,采用四对高强螺栓紧固,不可与管子直接接触,需在管子与配重块之间垫一层胶皮垫,以免施工过程中(尤其是下管时)磨坏管子。4.5试验要求水压试验是检测管材、管道敷设以及焊缝质量的重要技术指标之一。杏树屯-广鹿岛段跨海管道由1号管道、2号管道组成,其中1号管道长13694.5m,2管道长13711.7m,采用公称压力(加强型)1.OMPa等级的钢丝网骨架塑料(聚乙烯)复合管,管径为DN630,设计生产壁厚为25mm。管道安装方向起点为广鹿岛,终点为杏树屯。1.水压试验分段划分本段跨海管道较长,结合有关规范及与业主、设计、施工、监理各方协商,确定进行分段试验,具体试验段按如下划分:第1次水压试验:管道安装至1000m长度时进行;第2次水压试验:管道安装至3000m长度时进行;第3次水压试验:管道安装至8000m长度时进行;第4次水压试验:管道安装至杏树屯终点时进行。2.试验前准备工作(1)试压用的压力表必须经过校验,并在有效期内使用。试压中至少使用2块压力表,打压端及末端(排气端)各一块,在其余方便安装压力表处也应加设压力表。(2)管道两端用20mm厚钢堵板与预先焊接在管端的法兰用螺栓连接紧密,并垫橡胶止水垫片。钢堵板必须有足够的强度,试压过程中,钢堵板不能变形,与管道的接口处不能漏水。(3)加压泵、压力表应安装在试验段下游端部与管道轴线垂直的支管上。3.管道试压本段管道工作压力为1.0MPa,水压试验压力为1.5MPa。管线水压试验按下列步骤和规定进行:(1)将试压管道内的水压降至大气压,并持续60min,期间应确保空气不进入管道;(2)缓慢地将管道内水压升至试验压力并稳压30min,期间若有压力下降可注水补压,但不得高于试验压力。检查管道接口、配件等处有无渗漏现象。当有渗漏现象时应中止试压,并查明原因采取相应措施后重新组织试压;(3)升压次序为:第1次加压,升压至试验压力的30%,排气泄压;第2次加压,升压至试验压力的70%,排气泄压;第3次加压,升压至试验压力;(4)停止注水补压,稳定15min;当15min后压力下降不超过0.02MPa时,将试验压力降至工作压力并保持恒压24h,进行外观检查,若无漏水现象,则水压试验合格。如试验不合格,经修补后重复上述步骤,直至合格为止。5应急计划由于长距离跨海输水管线的复杂性和不可预见性,必须编制详细的施工预案,以保证施工安全和管道的质量控制,主要事项如下述。5.1敷管船弃放和进港风险管理海上的气候瞬息万变,由于敷管船施工期间受锚泊系统束缚,即使自身有动力也无法应对海上大风浪的影响,同时,由于敷管船受风浪作用上下跳动,对敷设管道本身的质量控制和现场作业安全会构成较大的威胁,因此,在遇到台风或冷空气等恶劣天气影响时,施工船舶必须对铺设的管道进行弃放并及时进港避风,以保证施工船舶、人员的安全。弃管后必须在管道的尾端进行GPS定位及加设浮漂,以便能够继续施工时可以很快找到目标。5.2弃管时gps定位系数的确定和管道的吹放风暴过去待海上平静后,敷管船重新进场定位,并根据弃管时的GPS定位度数进行轴线确认,然后通过卷扬机将管道慢慢拖到接管机组处,利用接管机上的修整刀断开管端的闷板,并与新接管段对接,继续开始管道敷放。5.3管道破损修复跨海管道在与岛上管道连接前需做水压试验,当无水压或水压达不到额定值时,即可确定水下管道有渗漏点,此时,应采取措施,及时进行排查和修复。1.漏点排查(1)灌注颜料水排查从两侧管头灌注红色高锰酸钾溶液,根据灌注量计算溶液在管道内大致行程,海面上派遣多条小艇往返巡视海面情况,如发现海面有红水渗漏,大致可判断管道渗漏点位置。(2)潜水员水下探摸排查组织多组潜水员从陆地一侧上岸点开始,往陆地下岸点方向沿海底管线逐步探摸,逐段排查,直至发现管道破损点,并测定位置、水深。2.管道破损原因分析根据潜水员对破损部位的描述