某深水跨海管道供水工程設(shè)計(jì)中的若干技術(shù)難題及對(duì)策

1、 某深水跨海管道供水工程設(shè)計(jì)中的若干技術(shù)難題及對(duì)策【摘要】該文介紹某深水跨海管道供水工程設(shè)計(jì)中選擇SPE管、采用48米特長(zhǎng)及電熱熔連接技術(shù)、采用低合金鑄鐵配重塊、雙膠網(wǎng)格石籠壓蓋防護(hù)技術(shù)、施工應(yīng)力仿真計(jì)算等多項(xiàng)技術(shù)，取得良好的效果，可為類似海域條件下跨海供水管道鋪設(shè)提供借鑒?！娟P(guān)鍵詞】SPE管；低合金鑄鐵配重塊；雙膠網(wǎng)格石籠；施工應(yīng)力仿真計(jì)算1前言福建省*工程是福建省重點(diǎn)工程，水源取自*，并從已建的*管引水，供原水至*。供水主管道總長(zhǎng)44.06km,設(shè)計(jì)日供水能力6.5萬(wàn)噸，受益人口37.6萬(wàn)人。某供水方案采用跨海管線輸水方案，跨海段管長(zhǎng)9.6km，最大海水深達(dá)36.7m,輸水規(guī)模遠(yuǎn)期1.5萬(wàn)

2、m3/d,近期0.75萬(wàn)m3/d。該項(xiàng)目實(shí)施的難點(diǎn)、重點(diǎn)為向某供水的深水跨海管段。該段水深最大達(dá)36.7米，居國(guó)內(nèi)供水工程水深之最（本工程實(shí)施前國(guó)內(nèi)已建跨海供水工程最大水深僅22米），風(fēng)大、浪高、線路長(zhǎng)，工程環(huán)境復(fù)雜、惡劣，特別受氣候條件約束，施工期短，技術(shù)難度大。設(shè)計(jì)中選擇何種管材、采用哪些技術(shù)措施保護(hù)管道的安全性、長(zhǎng)期性及如何確保在37月份之間完成管道鋪設(shè)任務(wù)等等一系列技術(shù)難題制約著項(xiàng)目的實(shí)施，需進(jìn)行專門性的技術(shù)研究。2管材選擇根據(jù)本工程特點(diǎn)，跨海輸水管道不僅要有很好的柔性，便于施工；而且要有足夠的強(qiáng)度以承受較大的內(nèi)外水壓力；要求管材可以自示，便于日后定位觀測(cè)和檢修。為此，如何選擇合適的管

3、材，是保證安全施工、正常運(yùn)行的關(guān)鍵?？绾６慰蛇x用管材有鋼管、SPE管、PE管、玻璃鋼管1。（1）玻璃鋼管跨海工程玻璃鋼管的連接方法目前采用專制法蘭加套管接頭，適用于跨海距離短、水深較小的海域，但對(duì)該項(xiàng)目選用玻璃鋼管，接頭的連接、輔設(shè)方法難以滿足距離較長(zhǎng)、水深較深的施工及進(jìn)度要求，并且不能自示，故不考慮采用。（2）PE管與SPE管比較該項(xiàng)目由于水深最大達(dá)36.7米，管徑DN500,要求跨海輸水管道不僅要有很好的柔性和足夠的強(qiáng)度，便于施工，滿足鋪設(shè)時(shí)產(chǎn)生的施工應(yīng)力，而且要承受較大的內(nèi)外水壓力。顯然，SPE管與PE管相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：a、SPE管抗拉、抗剪強(qiáng)度均比PE管高，且PE管為純塑料管，在持久

4、環(huán)向應(yīng)力作用下，存在因沖擊應(yīng)力導(dǎo)致脆性開裂的可能性；b、SPE管密度大于PE管，可減少管道配重；c、工程投資省，在相同管徑和壓力等級(jí)下，選用PE管,每米需增加造價(jià)678元，使用SPE管跨海段可節(jié)省投資為652.4萬(wàn)元；d、SPE管是以纏繞在管材中分布的高強(qiáng)度鋼絲為增強(qiáng)骨架,可自示，解決日后維修難查到管道的問題。而PE管不可自示，埋設(shè)海底后需要綁定埋設(shè)跟蹤標(biāo)志。（3）SPE管與鋼管比較SPE管作為一種新型管材，從耐久性上看，鋼管雖然防腐技術(shù)目前已經(jīng)比較成熟，但SPE管不需要進(jìn)行防腐，解決長(zhǎng)距離海底管道防腐代價(jià)高，接頭處防腐難，是一個(gè)薄弱點(diǎn)，容易造成接頭處破壞等問題；從經(jīng)濟(jì)上看，SPE管投資更省，

5、每米SPE管比鋼管少投資258.9元，跨海段可節(jié)省投資248.6萬(wàn)元。從施工上看，SPE管最小彎曲半徑為62.6m,鋼管彎曲半徑為259m,SPE管彎曲半徑小，重量比鋼管輕，可有效降低拖管架長(zhǎng)度和施工難度。經(jīng)過(guò)多方比選，本項(xiàng)目選用SPE管。它既保留了鋼管的承壓性能,又保留了塑料管良好的衛(wèi)生性能,易于鋪設(shè),技術(shù)可靠,使用壽命長(zhǎng),具有投資更省、施工更易、運(yùn)行更可靠、維護(hù)更方便等優(yōu)點(diǎn)。SPE管長(zhǎng)及連接方法的選擇SPE管通常有電熱熔和法蘭2種連接方式,采用電熱熔連接方法,可減少鋪管難度,提高運(yùn)行安全可靠性。但電熱熔需自然冷卻成型,時(shí)間較長(zhǎng),每個(gè)接頭熔接時(shí)間平均需要5個(gè)半小時(shí)。SPE管標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度最長(zhǎng)為12

6、米,9.6公里跨海管道共需800個(gè)接頭,連續(xù)熔接需要200天,超出適宜施工的時(shí)間,無(wú)法按時(shí)完成任務(wù)。為了減少熔接時(shí)間，突破常規(guī)，將SPE管長(zhǎng)設(shè)計(jì)為特長(zhǎng)48米,減少接頭600個(gè),提高效率4倍，既可加快工程進(jìn)度，又可減少接頭的安全隱患。同時(shí)，通過(guò)船運(yùn)解決由此產(chǎn)生的長(zhǎng)件管材運(yùn)輸困難問題，并實(shí)現(xiàn)了正常每天完成192m的速度。SPE管道防護(hù)4.1管道埋深海底輸水管道埋設(shè)在海底，可以不再受波浪、潮流的直接作用，從而獲得管道在海底的穩(wěn)定性，管道埋置海底面以下的深度多為管頂以上1.52.0m，或管中心線以上（1.52.0）D0，即（0.751.0）m。2-3根據(jù)工程區(qū)1954年海圖、2002年海圖和2005年

7、實(shí)測(cè)水下地形圖的對(duì)比分析，本工程區(qū)海域中部處于沖刷狀態(tài)，但沖刷程度弱，最大每年為6cm；東側(cè)近岸斜坡區(qū)為淤積區(qū)，西側(cè)海域則處于沖淤動(dòng)態(tài)平衡中。經(jīng)分析采用下式確定管道埋深：式1)H=max（H0，2）式中：H0管頂以上管道計(jì)算埋深（m）；H管頂以上管道設(shè)計(jì)埋深（m）；h平均年沖刷深度（m/年）；a管道設(shè)計(jì)年限（年）根據(jù)工程實(shí)際情況，h取6cm/年,a取30年，計(jì)算得管道埋深H為2.0m。為防止管道漂移和拋錨破壞，跨海輸水管道需要具有一定的埋置深度，對(duì)海底管道進(jìn)行防護(hù)。按（式1）來(lái)確定跨海輸水管道埋設(shè)深度是合適的。4.2耐海水腐蝕低合金鑄鐵配重SPE管道不配重時(shí)，管道比率為1.11，管道鋪設(shè)于海底

8、后，受潮流作用，會(huì)產(chǎn)生飄移，且難于埋設(shè)下沉至設(shè)計(jì)位置；為保證施工過(guò)程管道的安全和便于埋設(shè)，需要進(jìn)行配重?？紤]本工程的重要性和維護(hù)難度大，管道采用埋管方案，同時(shí)配重后管道比率提高到1.5左右。配重材料通常為混凝土。而提供相同的重力，混凝土需要的體積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鑄鐵塊的體積，體積比為4.5：1，重量為鑄鐵塊的1.48倍。因此，管道的比率在一定的情況下，采用混凝土預(yù)制塊體積大，安裝困難，鋪管不方便，管道在下滑過(guò)程中容易產(chǎn)生破裂?？梢姴捎没炷令A(yù)制塊，安裝就位較困難，且不便于鋪管船鋪設(shè)。為了方便安裝就位、鋪管船鋪設(shè)及埋設(shè)機(jī)埋設(shè)，加快鋪管進(jìn)度，采用鑄鐵塊配重。根據(jù)計(jì)算，鑄鐵塊配重為：每1.2m設(shè)置一塊，配重

9、塊為環(huán)狀，厚度80mm,長(zhǎng)度120mm,每塊重量56.33kg，見圖1所示。配重后的管道比率為1.47。采用耐海水腐蝕低合金鑄鐵簡(jiǎn)稱HD型鑄鐵（低合金包括鉻含量2%，銅含量1%，以及含硅、鋁、鐵等的變質(zhì)劑）。在HT200的鐵液中加入少量鉻、銅及變質(zhì)劑，可制得耐海水腐蝕低合金鑄鐵。該鑄鐵耐蝕性的明顯改善主要得益于在其表面形成一層完整、致密、連續(xù)性較好的保護(hù)膜；按其元素的富集程度，保護(hù)膜可大致分為內(nèi)外兩層，其中分別富硅和富鋁；保護(hù)膜內(nèi)還有碳、氧、錳等元素的富集。鑄鐵的耐蝕性較原鑄鐵提高4倍以上；耐海水腐蝕鑄鐵的力學(xué)性能可達(dá)到HT250的指標(biāo)。螺栓采用耐海水腐蝕錫黃銅螺栓。圖1SPE管配重塊立體圖4

10、.3網(wǎng)格石籠壓蓋防護(hù)在樁號(hào)H3+200H6+700段為南日水道，水運(yùn)交通繁忙，為防止過(guò)往船只的拋錨對(duì)管道產(chǎn)生拋錨破壞，除管道要埋設(shè)一定深度外，目前國(guó)內(nèi)尚無(wú)其它有效的措施對(duì)海底管道進(jìn)行防護(hù)。本工程首次采用雙膠網(wǎng)格石籠對(duì)管道進(jìn)行壓蓋防護(hù),見圖2所示。雙膠網(wǎng)格石籠具有以下優(yōu)點(diǎn)：a、整體性好：更有利于防護(hù)海底管道不受沖刷；b、柔韌性好：該網(wǎng)格石籠整體性強(qiáng)，柔韌好，適應(yīng)地基變形能力強(qiáng)；c耐久性好：格網(wǎng)石籠上網(wǎng)絲采用熱鍍鋅工藝制成的低碳鋼絲，使用壽命長(zhǎng)50-70年，外面再加深塑料高分子優(yōu)化樹脂膜，耐腐蝕性能更加突出，具有防腐蝕性好耐久性長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)；d、節(jié)約材料、經(jīng)濟(jì)適用、利于施工：采用雙膠網(wǎng)格可以充分利用當(dāng)

11、地片石、塊石等材料，施工比較方便，且可以多組同時(shí)施工，平行流水作業(yè)。其他材料如：砼預(yù)制塊、塑膠石籠及模袋砼壓蓋防護(hù)不能同時(shí)具備以上的優(yōu)點(diǎn)，無(wú)法達(dá)到安全、經(jīng)濟(jì)、合理。圖2單塊雙絞格網(wǎng)壓載結(jié)構(gòu)示意圖鋪管鋪設(shè)應(yīng)力仿真計(jì)算跨海供水管道在鋪設(shè)的過(guò)程中，受水深、海流沖擊及鋪設(shè)船的前進(jìn)速度等因素的影響，管道受力情況復(fù)雜，變化較大，掌握管道在鋪設(shè)過(guò)程中的應(yīng)力變化情況是確認(rèn)管道無(wú)損工作的一個(gè)重要保證。為此在設(shè)計(jì)過(guò)程中進(jìn)行管道鋪設(shè)仿真計(jì)算，并要求施工前進(jìn)行仿真試驗(yàn)、施工中按仿真試驗(yàn)優(yōu)化方案的措施進(jìn)行鋪設(shè)，避免管道鋪設(shè)過(guò)程中產(chǎn)生塑性變形而造成損壞。具體內(nèi)容在文獻(xiàn)4中已作詳細(xì)介紹。結(jié)語(yǔ)工程完工后，單位工程的驗(yàn)收達(dá)到優(yōu)良。經(jīng)過(guò)一年多的運(yùn)行，運(yùn)行情況良好。總結(jié)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)有以下幾點(diǎn)可為類似海域條件下跨海供水管道鋪設(shè)提